一种用于水体监控的快速水域3D模型制作方法与流程

本申请涉及水域三维重建，尤其涉及一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法。

背景技术：

1、水域视频监控对于水灾预警、灾害评估、救灾指挥等都有非常重要的意义，但是目前的监控技术通常采用相机拍摄视频的方式，只能在二维图像上处理，无法对水位变化，淹没情况做出精确的预计。为了能精确估计水位变化后水面淹没情况，制作监控区域内的3d模型非常必要，相机结合监控区域的3d模型，可以拓展非常多的实际应用，如自动水位监控识别，水体建模和图像效果渲染，水灾时淹没情况的预估，水灾时涉水构筑物稳定判断、危险地段判断等。

2、但是3d模型的制作非常困难，目前主流方法是用无人机进行倾斜摄影和点云采集，获取3d点云，基于3d点云建模。但是这种方法存在若干缺点：1)无人机使用范围和时间受到限制；2)无人机扫描会产生大量数据，需要很大成本处理相应数据；3)地面草木石等严重干扰无人机对地面的检测，会造成很大的建模误差。

技术实现思路

1、本申请提供了一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，解决了传统水域3d建模方法存在无人机使用范围和时间受到限制、需要很大成本处理相应数据、地面草木石等严重干扰无人机对地面的检测等问题。

2、本申请提供了一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，包括以下步骤：

3、s1，在目标水域选取若干个参考点；

4、s2，利用所述参考点对相机的外参进行标定；

5、s3，根据相机外参的标定结果，确定各参考点的位置坐标；

6、s4，基于各参考点的位置坐标进行稠密插值，建立水域3d模型。

7、本申请提供的技术方案中，通过在目标水域选取参考点对相机进行外参标定，从而确定参考点的位置坐标，最后对参考点进行稠密插值，建立水域3d模型；无需利用无人机在各个角度对目标水域进行倾斜摄影和点云采集，可直接利用相机和rtk设备对目标水域进行数据采集，数据量小，处理成本低；且由于水域3d模型是基于目标水域选取的参考点建立的，因此建模精度不会受到地面草木石等环境因素的干扰，可快速实现对目标水域的3d建模。

8、具体地，步骤s1具体包括以下步骤：

9、s11，在目标水域周围每隔一段距离选取一个采样点；

10、s12，利用rtk设备获取各采样点的gps坐标；

11、s13，从所有的采样点中选取若干个作为参考点；

12、s14，对选取的参考点进行验证，剔除不符合要求的参考点。

13、进一步地，步骤s13中，选取的若干个参考点需满足如下条件：

14、a)所有的参考点不位于同一直线上；

15、b)优先选取位于重点监测区域的采样点作为参考点；

16、c)参考点的数目不少于n个，参考点覆盖的面积不小于s。

17、进一步地，步骤s14中，对选取的参考点进行验证的方法为：利用聚类算法对选取的若干个参考点进行聚类，得到最优聚类模型；若选取了n个参考点，则从n个参考点中任取k个参考点进行聚类得到聚类模型，并利用聚类模型验证剩余n-k个参考点是否满足条件并计算误差，经过多次迭代找到最小误差对应的最优聚类模型；将n个参考点全部代入最优聚类模型，计算误差是否超过预设范围，若误差在预设范围内，则该n个参考点符合要求；若误差不在预设范围内，则剔除偏离较大的参考点，再重新选取参考点进行聚类。

18、具体地，步骤s2中，相机的外参包括相机相对大地坐标系的旋转矩阵r和平移矩阵t，平移矩阵t通过相机的gps坐标获得，旋转矩阵r包括相机内旋转矩阵ri和相机安装时相对于大地坐标系的旋转矩阵ro，ri通过读取相机的pan角和tilt角计算得到；ro通过标定得到，标定方法为：

19、由大地坐标系投影到图像坐标的成像公式：

20、

21、得到：

22、

23、其中，u、v为图像坐标，表示非严格相等；k为相机内参；x、y、z为大地坐标，xc、yc、zc为相机的坐标；

24、上式变形得到：

25、

26、令，

27、

28、用相机拍摄不同方向的参考点，记录各参考点的gps坐标以及相机对应的ptz参数和图像坐标，得到：

29、[v1 v2 … vn]＝ro*[w1 w2 … wn]

30、通过非线性优化∑i||vi-ro*wi||2计算四元数，利用四元数生成旋转矩阵ro作为相机的外参标定参数。

31、具体地，步骤s3中，根据相机外参的标定结果，以相机所在点地面投影为坐标原点，建立xyz直角坐标系，将各个参考点的gps坐标转换成xyz坐标。

32、具体地，步骤s4中，基于各参考点的位置坐标进行稠密插值的方法为：根据目标水域的面积选取合适数量的插值点，利用三次样条函数对若干个参考点进行插值，形成稠密点云；在形成稠密点云的过程中，利用光束平差法对点云进行约束，剔除离散的噪声点。

33、上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

技术特征：

1.一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s1具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s13中，选取的若干个参考点需满足如下条件：

4.根据权利要求2所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s14中，对选取的参考点进行验证的方法为：利用聚类算法对选取的若干个参考点进行聚类，得到最优聚类模型；若选取了n个参考点，则从n个参考点中任取k个参考点进行聚类得到聚类模型，并利用聚类模型验证剩余n-k个参考点是否满足条件并计算误差，经过多次迭代找到最小误差对应的最优聚类模型；将n个参考点全部代入最优聚类模型，计算误差是否超过预设范围，若误差在预设范围内，则该n个参考点符合要求；若误差不在预设范围内，则剔除偏离较大的参考点，再重新选取参考点进行聚类。

5.根据权利要求1所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s2中，相机的外参包括相机相对大地坐标系的旋转矩阵r和平移矩阵t，平移矩阵t通过相机的gps坐标获得，旋转矩阵r包括相机内旋转矩阵ri和相机安装时相对于大地坐标系的旋转矩阵ro，ri通过读取相机的pan角和tilt角计算得到；ro通过标定得到，标定方法为：

6.根据权利要求1所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s3中，根据相机外参的标定结果，以相机所在点地面投影为坐标原点，建立xyz直角坐标系，将各个参考点的gps坐标转换成xyz坐标。

7.根据权利要求1所述的一种用于水体监控的快速水域3d模型制作方法，其特征在于，步骤s4中，基于各参考点的位置坐标进行稠密插值的方法为：根据目标水域的面积选取合适数量的插值点，利用三次样条函数对若干个参考点进行插值，形成稠密点云；在形成稠密点云的过程中，利用光束平差法对点云进行约束，剔除离散的噪声点。

技术总结本发明提供了一种用于水体监控的快速水域3D模型制作方法，包括以下步骤：S1，在目标水域选取若干个参考点；S2，利用所述参考点对相机的外参进行标定；S3，根据相机外参的标定结果，确定各参考点的位置坐标；S4，基于各参考点的位置坐标进行稠密插值，建立水域3D模型。本发明无需利用无人机在各个角度对目标水域进行倾斜摄影和点云采集，可直接利用相机和RTK设备对目标水域进行数据采集，数据量小，处理成本低；且由于水域3D模型是基于目标水域选取的参考点建立的，因此建模精度不会受到地面草木石等环境因素的干扰，可快速实现对目标水域的3D建模。技术研发人员：胡永健,董春林,李齐宽,张坤,何建勋,李学奎,李红梅受保护的技术使用者：武汉星环恒宇信息科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10