一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法

本发明涉及地形实时重构及粗糙高度量测计算方法，具体为一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法。

背景技术：

1、粗糙床面地形测量是地理学、地质学、环境科学和水沙动力学等领域的重要研究内容，涉及到地表形态的测量和分析，当前地形测量的方式主要有光学测量、无人机测量、数字地形模型和计算机视觉，粗糙高度用于表征地形的粗糙程度，常见的计算方法包括基于激光雷达数据的高度计算、基于数字高程模型的粗糙高度计算、基于表面测量数据的高度计算等。

2、目前，考虑到测量效率、适用性和可操作性，上述测量方法用于实验室水槽粗糙床面地形测量均表现出一定的缺点，量测过程中测量装置复杂，测量过程较慢并且不够智能，测量范围较窄并且精度不高，测量效率较低，实验成本较高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，以解决上述背景技术提出的量测过程中测量装置复杂，测量过程较慢并且不够智能，测量范围较窄并且精度不高，测量效率较低，实验成本较高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，包括以下步骤：

3、s1、组装测量装置：搭建实验水槽，安装监控相机和相机支架，安装软件系统；

4、s2、相机标定和校准：使用试验相机拍摄若干张不同角度的棋盘网格图像，生成相机的内部参数、外部参数和畸变参数；

5、s3、图像特征检测、提取和匹配：查找图像斑点特征，扩大分辨率范围消除图像边缘周围的伪特征；

6、s4、密集重建计算：在所有图像中查找轨迹，得到所有视角的相机姿态表；

7、s5、床面地形实时重构：重构出卵石床面的3d模型，同时获得其数字高程模型；

8、s6、粗糙高度计算：对固定床层高程的波动进行均值化处理，其均值代表卵石床面的粗糙程度。

9、优选的，在步骤s1中，所述组装测量装置具体包括以下步骤：

10、s11、选取合适的监控相机，对试验段河床进行环形平移拍摄；

11、s12、相机支架由木条制作而成，将相机支架安装在实验水槽的上方，将监控相机固定在相机支架上；

12、s13、调节监控相机的镜头，使得镜头朝向下方正对着实验水槽内的粗糙床面，保证监控相机可以实时拍摄到粗糙床面的变化情况。

13、优选的，所述软件系统使用自主编程程序，程序具有一体化操作界面，能够实现视图集创建、相机姿势计算及显示、密集重建和场景度量重构功能，并且计算快、精度高。

14、优选的，在步骤s2中，所述相机标定和校准具体包括以下步骤：

15、s21、使用试验相机拍摄若干张不同角度的棋盘网格图像，利用图像类别分类器方法定义生成包含相机参数的基础图像集；

16、s22、检测图像的校准模式分析灰度黑白棋盘网格图像中的棋盘点和棋盘尺寸；

17、s23、生成棋盘网格，并指定棋盘网格关键点的世界坐标；

18、s24、将棋盘控制点的世界坐标和图像坐标代入式中进行校准；

19、s25、生成相机的内部参数、外部参数和畸变参数，同时优化相机校准过程中的标准估计误差。

20、优选的，在步骤s3中，所述图像特征检测、提取和匹配具体包括以下步骤：

21、s31、采用加速鲁棒特征算法查找图像斑点特征，同时扩大分辨率范围消除图像边缘周围的伪特征；

22、s32、在指定每点邻域中心位置的情况下，在目标点周围的像素中提取特征向量，将旋转不变性设置为正值，以此改善提取的过程；

23、s33、提取二进制特征之后，进行图像特征间的匹配，默认采用穷举法寻找特征之间的共同点；

24、s34、排除掉含有噪声的三维世界点，提高图像特征间匹配的精确度。

25、优选的，在步骤s4中，所述密集重建计算包括以下步骤：

26、s41、在所有图像中查找轨迹，返回特征点和匹配点之间的对应关系，得到所有视角的相机姿态表；

27、s42、基于精准的三维世界点创建点云，并给点云添加上像素平面中对应位置的颜色；

28、s43、点云创建足够密集并连成面之后，形成具有真实物体色彩的粗糙床面三维地形。

29、优选的，所述在所有图像中查找轨迹具体采用光束平差法，在不考虑镜头畸变的情况下，根据检测到的图像轨迹和相机参数确定三维世界点的位置，同时为减小平均重投影误差，对三维世界点位置和相机姿态进行优化改进。

30、优选的，在步骤s5中，所述床面地形实时重构包括以下步骤；

31、s51、利用上述运动摄像恢复结构技术的计算步骤重构出卵石床面的3d模型，同时获得其数字高程模型；此时的高程数据是相对值，需要根据已知固定尺寸的标定块换算成绝对高程；

32、s52、从dem中导出每个点的xyz坐标数据，在已知标定块的相对高程和绝对高程下，通过matlab程序批量处理等比例换算得到床面地形中每一点的绝对高程坐标。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、本发明中，对于实验室水槽床面测量精度高，可实现较快范围的测量，测量结果可靠；量测装置易操作，床面粗糙度计算原理简单，计算速度快，效率高；床面粗糙度计算过程一体化操作，量测结果实时呈现；可计算不同流量级别水流冲刷下的床面粗糙度，为明渠水沙动力学复杂壁面边界条件的定量测量提供有力的量测思路和计算方法。

技术特征：

1.一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于：在步骤s1中，所述组装测量装置具体包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于，所述软件系统使用自主编程程序，程序具有一体化操作界面，具有视图集创建、相机姿势计算及显示、密集重建和场景度量重构功能。

4.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于，在步骤s2中，所述相机标定和校准具体包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于，在步骤s3中，所述图像特征检测、提取和匹配具体包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于，在步骤s4中，所述密集重建计算包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于：所述在所有图像中查找轨迹具体采用光束平差法，根据检测到的图像轨迹和相机参数确定三维世界点的位置，对三维世界点位置和相机姿态进行优化改进。

8.根据权利要求1所述的一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，其特征在于：在步骤s5中，所述床面地形实时重构包括以下步骤；

技术总结本发明公开了一种适用于室内水槽床面地形实时重构及粗糙高度量测、计算方法，涉及地形实时重构及粗糙高度量测计算方法领域，包括以下步骤：组装测量装置、相机标定和校准、图像特征检测、提取和匹配、密集重建计算、床面地形实时重构和粗糙高度计算。本发明对于实验室水槽床面测量精度高，可实现较快范围的测量，测量结果可靠；量测装置易操作，床面粗糙度计算原理简单，计算速度快，效率高；床面粗糙度计算过程一体化操作，量测结果实时呈现；可计算不同流量级别水流冲刷下的床面粗糙度，为明渠水沙动力学复杂壁面边界条件的定量测量提供有力的量测思路和计算方法。技术研发人员：张鹏,王永强,傅健娟,官永颐,王照堃,牟勇,袁哲受保护的技术使用者：重庆交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25