一種沖刷地形的三維觀測裝置，屬于地形測量領(lǐng)域。由全平面激光投射機、圖像采集裝置、地形圖像標(biāo)定裝置、主機升降裝置、固定支架結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)組成。全平面激光投射機由一字線型激光模組、模組微調(diào)支架、隔板、蓋板、激光測距儀、萬向節(jié)組成；地形圖像標(biāo)定裝置由點斑式激光模組和固定支板組成；圖像采集裝置由計算機、數(shù)碼相機、相機重心定位盒和萬向節(jié)組成。全平面激光投射機和數(shù)碼相機在其自重作用下，通過萬向節(jié)自動調(diào)節(jié)各自的水平角度，使全平面激光與水平面平行，相機主光軸與水平面垂直；主機升降裝置以設(shè)定步距控制全平面激光投射機升降。整套系統(tǒng)具有較高的觀測效率和精度，適用于河工模型試驗中地形三維分析方面研究。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于地形測量
，涉及到河工模型沖刷地形觀測的裝置。
技術(shù)介紹
在地形測量領(lǐng)域研究中，傳統(tǒng)的測量方法是水準(zhǔn)儀加經(jīng)緯儀單點的接觸式測量， 隨著計算機視覺理論技術(shù)的長足發(fā)展，激光測距、超聲波測距、近景攝影測量、結(jié)構(gòu)光測量 等高效的非接觸式測量方法在實踐中體現(xiàn)出其巨大的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)外河工模型研 究中，除傳統(tǒng)的觀測技術(shù)外，常用的地形觀測技術(shù)主要有以下三類第一類，激光測距技術(shù)，通過向目標(biāo)表面發(fā)射脈沖激光束和接受經(jīng)目標(biāo)表面返回 的激光束，以光速在空氣中傳播速度為定值這一原理精確測量物體表面點到測距儀的距 離，以三角定位原理計算被測物體表面點的三維坐標(biāo)。激光測距儀、三維激光掃描儀是這一 類的技術(shù)產(chǎn)品。其中三維激光掃描儀由于其具有測量精度和效率高等優(yōu)點被廣泛使用，同 時，三維激光掃描儀是個黑箱系統(tǒng)，難以檢校，維護困難，設(shè)備成本昂貴，一定程度上限制了 其使用范圍。第二類，超聲波技術(shù)，是一種基于回聲定位原理，利用超聲波的發(fā)射、傳播、穿透和 反射等性能探測地形地貌的技術(shù)。超聲地形儀具有無接觸、無擾動的測量特點，對測量模型 不產(chǎn)生干擾并能有效消除渾水中懸沙的干擾，實時校正水溫水質(zhì)對傳播速度的影響，能夠 在實驗室內(nèi)外復(fù)雜地形及渾濁水體快速實現(xiàn)水下地形的測量。但是超聲地形儀的測量精度 受鹽度水深等引起的聲速變化和池底聲波反射率的影響，有待于進一步提高其抗干擾和抗 水聲混響的能力，同時，超聲地形儀測量仍屬于單點、多點式的測量方式，效率有待提高。第三類，近景攝影測量技術(shù)，是基于雙目視差原理，通過已知兩個或多個攝像機近 距離(距離小于100m)來獲取公共視場內(nèi)物體上特征點的三維坐標(biāo)。張祖勛等研制的多基 線數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)(張祖勛，楊生春，張劍清等.多基線-數(shù)字近景攝影測量地 理空間信息，2007，5(1) :1_4)，在較高精度的三維測量和變形觀測已有成功應(yīng)用實例。在 自然景物中，由于物體表面的特征點并不明顯，產(chǎn)生了兩幅圖像中的特征點匹配的模糊性 和不唯一性，這樣在施測前一般需要在被測目標(biāo)表面上設(shè)置人工標(biāo)志點和一定數(shù)量的控制 點，測量時間較長，同時像點的匹配過程和算法比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)光法是基于近景攝影測量的一種新的技術(shù)形式，它利用光源向被測物體投射 光圖案(光點、光線條、光柵條、光網(wǎng)格等)，通過光視覺傳感器采集物體表面被測區(qū)域圖 像信息，依據(jù)幾何定位原理、物與像之間的透視成像關(guān)系來提取圖像中光圖案系列點的空 間坐標(biāo)信息，實現(xiàn)獲取物體表面深度信息的一種測量方法，屬于主動視覺測量方法(王宗 義.線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器與水下三維探測.哈爾濱工程大學(xué)，2005 :4-12.)。結(jié)構(gòu)光視覺 傳感器不僅具有快速、精確、高分辨力、抗干擾性好等優(yōu)點，且該類傳感器結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、 易于實現(xiàn)。目前，線結(jié)構(gòu)光法及多線結(jié)構(gòu)光法已廣泛應(yīng)用于大型工件檢測安裝、反向工程等
在河工模型研究中，模型三維信息數(shù)據(jù)采集是模型演變過程研究的一項重要工3作，而采集設(shè)備不僅要求具有良好精度和可操作性，同時需具備較高的工作效率。徐向舟 等三維地貌觀測方法、裝置首次將結(jié)構(gòu)光測量法應(yīng)用于邊坡重力侵蝕三維地貌的實時觀 測(徐向舟，徐飛龍，趙超，王書芳，張紅武，三維地貌觀測裝置，中國專利技術(shù)專利，申請?zhí)?201010144655. 8，2010-4-12.徐向舟，徐飛龍，趙超，許翼，郭向陽，三維地貌觀測方法，中國 專利技術(shù)專利，申請?zhí)?01010144689. 7，2010-4-12.)，該觀測裝置具有一定的觀測精度和較高 觀測效率，但難應(yīng)用于河工模型沖刷地形，特別是沖刷凹坑類的地形觀測。本專利技術(shù)旨在基于 線結(jié)構(gòu)光法基礎(chǔ)上，研究一種能夠適應(yīng)河工模型中各種地形的、快速精確的、簡單經(jīng)濟的三 維測量系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)利用全平面激光投射機向其周圍空間發(fā)射一組與水平面平行的全平面激 光，全平面激光與被測地形表面相交形成一組反映地形輪廓的激光線條，通過圖像采集裝 置采集被測區(qū)域的地形圖像信息，依據(jù)圖像中激光線條的幾何信息獲取地形表面點的三維 坐標(biāo)，實現(xiàn)對沖刷地形的非接觸式三維測量；按一定步距升高或降低全平面激光投射機，得 到不同起始高程的地形圖像并進行疊加處理，密集采集地形表面點，得到微間距數(shù)字地形 等高線圖。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下一種沖刷地形的三維觀測裝置，包括全平面激光投射機、圖像采集裝置、地形圖像 標(biāo)定裝置、主機升降裝置、固定支架結(jié)構(gòu)和供電系統(tǒng)。全平面激光投射機包括多組一字線型激光模組、激光測距儀、激光模組微調(diào)支架、 投射機主梁、固定隔板、蓋板和萬向節(jié)，全平面激光投射機的長度由被測地形最大高差確 定。一字線型激光模組可采用紅、綠光兩種光色型號，功率可采用50 IOOmW,數(shù)量由投射 機的長度和觀測精度要求確定；每組一字線型激光模組通過激光模組微調(diào)支架布設(shè)在一個 圓環(huán)型的水平固定隔板上，激光模組之間采用并聯(lián)電路連接，由穩(wěn)壓直流電源提供額定電 壓；通過激光模組微調(diào)支架微調(diào)并接通電源后，同一層水平固定隔板上的一組一字線型激 光模組發(fā)射出一個全平面的激光面；多層相互平行水平固定隔板上的多組一字線型激光模 組發(fā)射出一組間距已知、相互平行的全平面激光，該組全平面激光與地形表面相交所形成 一組清晰可見的激光線條，該組激光線條反映地形表面的幾何特征信息。同一層的多個一 字線型激光模組沿圓環(huán)形的水平固定隔板切向互成一夾角并排均勻布設(shè)；為方便裝置安裝 于維護，每一層圓環(huán)形的水平固定隔板分為三個單元。在全平面激光投射機自重的作用下， 通過激光投射機頂部的萬向節(jié)自動調(diào)節(jié)全平面激光的水平角度，使全平面激光與水平面平 行。在與全平面激光垂直的鉛垂平面上，每根激光線條在該平面投影線之間的距離為 設(shè)計間距，則實現(xiàn)對地形在該方向上的一維定位，即地形高程定位；在與全平面激光平行的 水平平面上，激光線條在該平面上的投影線能夠直接反映地形水平面方向的幾何特征，則 實現(xiàn)對溝坡面在水平面上的二維定位。因此，每根激光線即為地形等高線。地形圖像標(biāo)定裝置由點斑式激模組和固定支板組成。點斑式激光模組可采用紅、 綠兩種光色型號，功率可選用5 50mW，數(shù)量由被測溝坡面范圍確定，均勻布設(shè)在固定支 板上，通電后向被測地形表面發(fā)射一組相互平行且與水平面垂直的激光線。該組激光線與地形表面相交形成明亮的激光定位點斑，激光定位點斑在水平面上的投影點的相對位置不 變，是一組已知的水平面點坐標(biāo)。根據(jù)這組點坐標(biāo)實現(xiàn)地形圖像的尺寸率定和變形校正，為 地形觀測提供真實準(zhǔn)確的地形底圖。 圖像采集裝置由數(shù)碼相機、計算機、相機重心定位盒和萬向節(jié)組成。數(shù)碼相機選 用單反相機并匹配標(biāo)準(zhǔn)定焦鏡頭，能夠清晰分辨出地形表面的激光線條和激光定位點斑， 并能配合計算機程序遙控拍攝；相機重心定位盒能夠準(zhǔn)確地確定相機的重心位置，再配合 萬向節(jié)，利用數(shù)碼相機自重作用，自動調(diào)整數(shù)碼相機的拍攝角度，使相機主光軸垂直于水平主機升降裝置由主機升降機和鋼絲繩組成，主機升降機采用一步進電機作為動力 源，控制全平面激光投射機底部高程。通過移動支架滑動底座使全平面激光投射機水平移 動至被測沖刷地形的最低高程點的正上方；通過主機升降機按一定步距逐次升高或降低全 平面激光投射機，改變激光投射機的的底部高程，分別采集不同起始高程的地形圖像。每次 升降全平面激光投射機時，利用激光本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐向舟，徐飛龍，劉亞坤，王書芳，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：91
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