[发明专利]卵石床面水下三维地形的测量方法

说明书

本公开提供的卵石床面水下三维地形的测量方法，包括：搭建用于获取卵石床面的水下图像序列的图像采集平台；布置控制点并测量其坐标；确定相机高度和相机移动空间间隔；逐横断面对目标区域进行拍摄，获得卵石床面的水下图像序列；基于运动恢复结构方法对图像序列进行空间计算，获得初始加密三维点云和数字正射影像；建立水面模型并计算栅格化点云的初始水深，对栅格化点云各点的初始水深进行折射校正，最后计算校正后床面高程并基于水深对床面高程进行二次校正，获得目标卵石床面的水下三维地形。本公开适用于基于摄影测量的卵石床面水下三维地形直接连续测量，空间分辨率和精度高，且成本较低、布置简单，也不会对观测对象产生干扰。

技术领域

本公开属于环境与水利工程、河流地貌、山地灾害测量领域，尤其涉及一种卵石床面水下三维地形的测量方法。

背景技术

卵石河流在自然界广泛分布，坡度介于坡度较陡的基岩河流与坡度较缓的沙质河流，一些发源于卵石河流古河道的湖泊也具有卵石床面。卵石床面一方面颗粒粒径较大，另一方面易形成多种河床结构，地形三维性特征明显。我国青藏高原腹地及其边缘分布有大量卵石河流及卵石床面的湖泊，掌握这些卵石床面的地形连续变化特征，对于这些区域的基础设施工程建设、城镇化发展、地质灾害防范、人居环境改善、水污染治理、生态多样性修复和保护等均具有重要意义。然而，不论是野外观测还是实验室模拟试验，直接获取卵石床面水下三维地形难度都很大。为此实验室中一般采用先停水后测地形的方法，但容易在停水和开水时引起床面地形变化，从而引入测量误差。

现有卵石床面水下三维地形直接测量方法主要分为基于声学和光学的方法。声学方法利用声波在水中的传播和反射特性进行测距，不管是单点还是多点测量(如多波束)，空间分辨率均较低且由于设备体积较大需要船只搭载无法用于浅水深环境，而水深不超过2m的卵石河流在自然界广泛存在，实验室水深条件一般更小。水下激光扫描可以获取水下三维地形，不过由于激光在水中衰减迅速，此测量方法使用水深范围比较有限，且设备昂贵。也有采用深度相机结合折射校正测量水下三维地形的方法，不过深度相机的分辨率一般较低，限制了测量的整体空间分辨率，而如果需要从多个点位测量再拼接点云，则需要大量相机标定工作，并导致测量的时间分辨率很低。此外，还可以通过针测法(包括实验室中使用探针和野外使用全站仪、RTK GPS等)获得水下三维地形，但人工和时间成本巨大、空间分辨率低，且为侵入式测量方法，存在可能改变床面地形的问题。

针对前述卵石床面水下三维地形的连续监测需求和现有技术存在的问题，需要开发专门的水下三维地形测量方法。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本公开实施例提供的空间分辨率和精度高、操作简便和成本较低的卵石床面水下三维地形的测量方法，包括：

(1)搭建用于获取卵石床面的水下图像序列的图像采集平台，所述图像采集平台包括相机，所述水下图像序列中含有多张卵石床面的水下图像；

(2)布置和测量控制点，获取控制点的空间坐标

所述控制点布设在目标区域水面的两侧，包括上表面绘有规则几何图案且坡度保持水平的平板，所述几何图案具有明确的中心点位置，将该中心点位置定义为控制点的坐标，要求每张卵石床面的水下图像中最少能拍到2个所述控制点；

利用测量设备测量所述控制点的坐标，将所述测量设备的位置定义为原点，规定顺水流的水平方向或者沿目标区域水面的长度方向为X轴方向，与X轴垂直的水平方向为Y轴方向，垂直XY平面的方向为Z轴方向；

(3)确定相机的高度和相机移动的空间间隔

(3-1)确定相机的高度

使相机的感光元件的长度方向沿Y轴方向、宽度方向沿X轴方向布置，然后使相机处于某一设计高度H，再根据相机的感光元件尺寸、相机焦距和该某一设计高度H计算每张卵石床面的水下图像覆盖的实际空间尺寸，计算公式如下：