CN102538763A - 一种河工模型试验三维地形的量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利量测技术领域，特别涉及三维地形的测量方法。在水利工程的河工模型试验中实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术实时量测河工模型试验中床面的三维形态。集成数码摄像机、激光矩形点阵示踪光斑发射装置和计算机为一体，通过设定的***安装、相机参数校正、床面上激光点阵光斑投影，经济、安全、高质量地实现河工模型床面示踪、床面图像采集、河床激光示踪点提取及匹配，结合计算公式计算出床面上激光示踪光斑的三维空间坐标。基于计算机，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标为媒介生成河工模型的地形图。

Description

一种河工模型试验三维地形的量测方法

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，特别是河工模型试验的复杂三维地形的动态量测。

背景技术

在水利工程的河工模型试验中，河床地形将随着河道的冲淤过程而变化，如河岸坍塌、边滩消长等。实时监测河道的变形是河工模型试验的关键技术。

现有的河工模型地形测量技术多为单点测量，常用的方法一般有①钢尺测量法、②测针测量法、③光电式地形仪、④电阻式地形仪、⑤超声波地形仪等，并且前4个测量方法为接触式，操作过程中会对床面造成破坏。另外，这些传统的测量方法费工费时，以常用的④或⑤为例，首先要在模型河道上布置测量横断面，在两岸安装轨道并在轨道上架设测桥、安装测车，采用安装在测车上的超声地形仪、电阻测淤仪等在测桥上自动行走，测量断面上各点的河床高度，继而通过相关软件重构河道的三维地形。北京尚水信息技术股份有限公司的产品“超声地形自动测量分析***”具有代表性。但是此类单点测量方法工作量过大、数据量过少、测量效率过低，三维重构的精度不高。

近年来，作为非接触式量测技术的激光扫描仪在河工模型地形量测领域内得到了一定的发展，如瑞士的徕卡HDS3000三维激光扫描仪和奥地利的Riegl LPM-2K三维激光扫描仪，可自动进行三维地形的单点连续扫描，并将扫描的散点数据重构生成三维地形。其性能指标：扫描距离2-150米；扫描精度2-6毫米；扫描角度270×360度；扫描速度1000点/秒。该仪器测量精度高，扫描的速度快，不需要轨道、测桥、测车等辅助设施，很适合于固定构造物的一次性精确扫描，如城市勘察、文物建筑测绘等。但在用于河工模型试验中的动态河床测量时，每次移动都需要重新标定仪器的三维坐标和水平方向角；由于一次地形的测量工作量很大，难以实现实时测量；当仪器视线与被测地形的夹角较小时，测量精度较差，甚至会因为地形起伏的遮挡而产生错误；且该仪器的价格昂贵。

近几十年来，双目立体视觉技术在工业、农业、军事、考古、交通等相关领域得到了极大的应用与发展，如机器人快速移动避障碍、植物叶片三维立体重建、月球、火星表面地形探测等。双目立体视觉是通过对同一目标的两幅图像提取、识别、匹配，重建三维环境信息的过程。主要包括：图像捕获、摄像机标定、图像预处理和特征提取、立体匹配以及所测物体表面形状三维重建。该技术在河工模型地形量测方面也得到了初步的尝试，如河海大学毛野等人运用该技术研究河道采砂对长江镇江段河床演变的影响等，但是类似的尝试在河工模型床面上特征点的示踪、匹配、提取及三维空间坐标计算等问题上并没有得到很好的解决。

发明内容

本发明提出了一种河工模型试验的三维地形动态测量方法，用以实时量测河工模型试验中床面的三维形态。本方法基于双目立体视觉原理，利用图像摄取技术、激光矩阵光源示踪技术和三维地形重构技术来实时量测河工模型试验中床面的三维形态。具有经济实用、安全可靠、质量高的优点。

本发明提出的一种河工模型试验三维地形的测量方法，其特征在于，采用两台参数相同的数码相机，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点O；

该方法，包括以下步骤：

1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角φ标定：

1-1)相机焦距f标定计算公式为：

$f=\frac{a\left(\mathrm{\ΔX}\right)}{(y_1-y_2)}$

式中，a为CCD较短一边的边长，y₂指相机初始拍摄垂向最大高度，y₁为相机沿其光轴轴向向后移动ΔX后所拍摄的垂向最大高度(y₁＞y₂)；

1-2)两焦点距离L标定为： $L=2\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\sin \mathrm{\α}}_1}\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)$

式中，L₁为OB₁的长度，O为定位点，B₁为与点B在左相机成像面上具有相同像素坐标的床面上的一点，点B为在点O垂直向上y高度处的一点；角度α₁为点O与左相机焦点F₁的连线F₁O与直线F₁B₁的夹角，角度β₁为点O与点B₁的连线B₁O与直线B₁F₁的夹角，其中α₁和β₁在标定时计算出α₁＝arctan(O₁P₁/f)，β₁＝arctan(y/L₁)，O₁P₁为床面上线段OB₁在左相机像平面上的图像长度；

1-3)相机偏角φ标定为：

φ＝180-η＝α₁+β₁

式中，α₁为直线F₁O与直线F₁B₁之间的夹角；β₁为直线B₁O与直线B₁F₁之间的夹角；

2)照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，激光示踪光斑中心点为定位点O，定位点O在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O₁和O₂；左右两相机成像面以中心点O₁和O₂为原点分别建立各自的直角坐标系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以点O为中心点建立坐标系XOY，将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应；

3)对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算，再对示踪斑点进行匹配及特征提取，获得床面上同一个示踪光斑点P分别在左右两相机像平面上的像素坐标P₁(m_1p，n_1p)和P₂(m_2p，n_2p)，再根据相机像素与CCD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑点P在左右相机像平面上的像素坐标分别转化为像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)；

4)以左相机焦点F₁(0，0，0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ：F₁F₂为X轴、从点F₁向下引垂线为Z轴，过点F₁沿河床纵向方向为Y轴，根据数码相机的标定参数f、L、φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)按转换公式换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P(X_P，Y_P，Z_P)；

激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为：

其中

式中，P₁(x_1p，y_1p)和p₂(x_2p，y_2p)分别为模型床面上激光示踪斑点P在左右两个像平面上的图像坐标；f为左右相机的焦距；L为左右相机的焦点间距；φ为相机偏角；θ₁和θ₂为虚拟角度，表示模型床面上的点P在平面I上的投影点P_T与左右两相机焦点F₁与点F₂的连线F₁P_T和F₂P_T分别与线段F₁F₂和F₂F₁的夹角，平面I为过直线F₁F₂且垂直于模型床面的平面；

 5)以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标

生成河工模型地形图(可通过计算机内设的绘图程序)。

本发明的技术特点及有益效果：

1、针对河工模型的大小，由于采用定焦相机，通过调节左右两个相机像平面中垂线与水平方向的夹角或改变两相机与模型床面垂向距离的大小来调节数码相机的拍摄范围。

2、在左右两相机中间处设置连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，该装置将激光示踪光斑呈矩形状排列均匀投射到河床表面。设定激光示踪光斑中心点为定位点O，通过左右两个相机对床面上的激光示踪点进行同步拍照，利用经典的特征点匹配及提取技术(如Zhang提出的核线约束等立体匹配方法)，可以得到同一个激光示踪光斑在左右两张照片中的图像坐标。根据图像坐标与空间坐标的换算公式，计算出相应激光示踪点的三维空间坐标。

3、基于计算机，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标为媒介生成河工模型地形图。

4、本方法具有经济实用、安全可靠、质量高的优点。

附图说明

图1为本发明的测量***布置示意图；

图2为本发明的测量***左右两相机焦点距离L和偏角φ标定示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种河工模型试验三维地形的测量方法，其特征在于，采用两台参数相同的数码相机，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点O；

该方法，包括以下步骤：

1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角φ标定：

1-1)相机焦距f标定计算公式为：

$f=\frac{a\left(\mathrm{\ΔX}\right)}{(y_1-y_2)}$

式中，a为CCD较短一边的边长，y₂指相机初始拍摄垂向最大高度，y₁为相机沿其光轴轴向向后移动ΔX后所拍摄的垂向最大高度(y₁＞y₂)；

1-2)两焦点距离L标定为： $L=2\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\sin \mathrm{\α}}_1}\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)$

式中，L₁为OB₁的长度，O为定位点，B₁为与点B在左相机成像面上具有相同像素坐标的床面上的一点，点B为在点O垂直向上y高度处的一点；角度α₁为点O与左相机焦点F₁的连线F₁O与直线F₁B₁的夹角，角度β₁为点O与点B₁的连线B₁O与直线B₁F₁的夹角，其中α₁和β₁在标定时计算出α₁＝arctan(O₁P₁/f)，β₁＝arctan(y/L₁)，O₁P₁为床面上线段OB₁在左相机像平面上的图像长度；

1-3)相机偏角φ标定为：

φ＝180-η＝α₁+β₁

式中，α₁为直线F₁O与直线F₁B₁之间的夹角；β₁为直线B₁O与直线B₁F₁之间的夹角；

2)照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，激光示踪光斑中心点为定位点O，定位点O在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O₁和O₂；左右两相机成像面以中心点O₁和O₂为原点分别建立各自的直角坐标系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以点O为中心点建立坐标系XOY，将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应；

3)对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算，再对示踪斑点进行匹配及特征提取，获得床面上同一个示踪光斑点P分别在左右两相机像平面上的像素坐标P₁(m_1p，n_1p)和P₂(m_2p，n_2p)，再根据相机像素与CCD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑点P在左右相机像平面上的像素坐标分别转化为像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)；

4)以左相机焦点F₁(0，0，0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ：F₁F₂为X轴、从点F₁向下引垂线为Z轴，过点F₁沿河床纵向方向为Y轴，根据数码相机的标定参数f、L、φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)按转换公式换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P(X_P，Y_P，Z_P)；

激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为：

其中

式中，P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)分别为模型床面上激光示踪斑点P在左右两个像平面上的图像坐标；f为左右相机的焦距；L为左右相机的焦点间距；φ为相机偏角；θ₁和θ₂为虚拟角度，表示模型床面上的点P在平面I上的投影点P_T与左右两相机焦点F₁与点F₂的连线F₁P_T和F₂P_T分别与线段F₁F₂和F₂F₁的夹角，平面I为过直线F₁F₂且垂直于模型床面的平面；

5)，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标

生成河工模型地形图(可通过计算机内设的绘图程序)。

以下将结合附图及实施例对本发明的一种河工模型试验三维地形的量测方法进行详细说明。

本发明提出的河工模型试验三维地形的测量方法，采用两台参数相同的数码相机1、2，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置3和计算机，如图1所示；所述数码相机为高分辨率定焦的两台同参数佳能照相机、所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由2W的连续激光器和微调光栅所组成；所述计算机为计算河工模型床面上激光示踪点的三维空间坐标以及实现河工模型地形可视化的平台。

上述装置的各部件的具体实施例说明如下：

两台高分辨率定焦相机参数为：

相机机身采用佳能(canon)EOS 500D：传感器类型：CMOS；传感器尺寸：22.3×14.9mm；有效像素：1510万(最高分辨率4752×3168)；影像处理器：DIGIC 4；快门速度：1/60-1/4000秒，采用全自动模式；镜头采用135mm全画幅广角镜头；最大光圈F2.8；最小光圈F22；最近对焦距离0.25m；焦距范围20mm；放大倍率0.14倍；视角范围94度。

连续激光器和微调光栅参数如下：

激光器型号为LW-GL-532nm，功率为2W，工作方式为CW，TTL，Analogue，功率稳定性＜5％，发散角＜1，束腰直径＜3mm。

微调光栅为常用的正交衍射光栅，由通过母板用激光刻蚀到超白浮法玻璃上投射出矩形点阵光斑的两个光学镜片构成，每个镜片厚度1.5mm，尺寸10×10mm，投射点阵100×100(投射光斑数量)。当连续激光经过两光学镜片时，微调两镜片之间的距离可以在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点O，其亮度最高，容易识别。

计算机配置参数如下：

CPU性能不低于Intel奔腾4处理器、内存不低于512M、主板配备标准串口卡、操作***版本不低于Windows XP。

本发明方法，包括以下步骤：

1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角φ的标定：如图1所示，在数码相机安装时，根据河工模型的大小，调整左右两数码相机之间的距离、相机与床面的垂直高度H及其偏角φ(左右两数码相机像平面N₁、N₂的中垂线与水平线F₁F₂的夹角)，最终实现两台数码相机的拍照范围基本重叠，可采用多套***覆盖整个河工模型；

其中：

1-1)相机焦距f标定方法：

将数码相机固定在大型车床移动平台上，在数码相机正前方垂直安装一个精密网格板；移动车床的平台，拍摄网格板的图像，记录移动的距离Δx；根据几何条件解算出焦距f，焦距f的计算公式为：

$f=\frac{a\left(\mathrm{\Δx}\right)}{(y_1-y_2)}---\left(1\right)$

式中，a为CCD较短一边的边长，y₂指相机初始拍摄垂向最大高度，y₁为相机沿其光轴轴向向后移动ΔX后所拍摄的垂向最大高度(y₁＞y₂)；

1-2)两焦点距离L标定： $L=2\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\sin \mathrm{\α}}_1}\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)$

具体方法如图2所示，对于选定的数码相机和定焦镜头，确立焦距f和CCD的物理尺寸与像素的关系(总像素除以CCD尺寸得到每一像素的实际的物理长度)；即在现场安装时，两个相机对称相向安装，两摄像机的像平面中垂线F₁O、F₂O共面且该面垂直于地面，其中定位点O在两相机像平面的成像均为两相机像平面的中心点；

过点O作一条直线l，该直线在两相机像平面的成像分别为两相机的像平面N₁和N₂的中心线l₁和l₂，设两相机焦点F₁和F₂在直线l上的垂直投影为点T₁和T₂。在数码相机景深允许的范围内，从点O垂直向上y高度处设置一点B，记录点B在左相机像平面上的像素坐标(X，Y)，根据该像素坐标确定出在直线l上的点B₁(点B₁和点B在左相机像平面的像素坐标相同，均为点P₁的像素坐标)。测量O、B₁的距离为L₁，计算角度β₁(∠F₁B₁O)：

${\mathrm{\β}}_1=\arctan \left(\frac{y}{L_1}\right)---\left(2\right)$

点O和点B₁左相机像平面的成像分别为O₁和P₁，根据CCD尺寸及像素坐标的换算公式计算出O₁P₁的长度，进而计算出α₁(∠P₁F₁O₁)的大小(arctan(O₁O₁/f))。已知α₁、β₁和L₁，则：

η＝180-α₁-β₁    (3)

$L_2=\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{\sin {\mathrm{\α}}_1}---\left(4\right)$

其中，η为∠F₁OB₁，L₂为OF₁的长度。由此可以计算出OT₁的长度L₃：

L₃＝L₂cos(180-η)    (5)

由于相机对称安装，可得两相机焦点之间的距离L为：

$L=2L_3=2\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\sin \mathrm{\α}}_1}\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)---\left(6\right)$

1-3)相机偏角φ的标定：φ＝α₁+β₁

由于直线F₁F₂与直线B₁B₂平行，可得相机偏角：

φ＝180-η＝α₁+β₁    (7)

2)照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，根据拍照范围微调光栅，在床面上形成大小适宜，分布均匀、清晰识别的矩形点阵激光示踪光斑，激光示踪光斑中心点为定位点O，定位点O在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O₁和O₂；左右两相机成像面以中心点O₁和O₂为原点分别建立各自的直角坐标系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以点O为中心点建立坐标系XOY，将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应；

3)上述所有设备稳定布置后，对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算(可采用如质心法、最小二乘法、椭圆中心修正法)，再对激光示踪斑点进行匹配及特征提取(采用经典的特征点匹配及提取技术)，获得床面上同一个示踪光斑(如点P)在左右两相机像平面上的像素坐标P₁(m_1p，n_1p)和P₂(m_2p，n_2p)，再根据相机像素与CCD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑在左右相机像平面上的像素坐标转化为对应的照片的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)；

4)以左相机焦点F₁(0，0，0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ：F₁F₂为X轴、从点F₁向下引垂线为Z轴，过点F₁沿河床纵向方向为Y轴，如附图1所示；根据数码相机的标定参数f、L、φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)按转换公式(8)换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P(X_P，Y_P，Z_P)；

激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为：

其中

式中，P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)分别为模型床面上激光示踪斑点P在左右两个像平面上的图像坐标；f为左右相机的焦距；L为左右相机的焦点间距；φ为相机偏角；θ₁和θ₂为虚拟角度，表示模型床面上的点P在平面I上的投影点P_T与左右两相机焦点F₁与点F₂的连线F₁P_T和F₂P_T分别与线段F₁F₂和F₂F₁的夹角，平面I为过直线F₁F₂且垂直于模型床面的平面；

以第四象限为例推求激光示踪斑点图像坐标与空间坐标的转换公式(8)如下：

根据两个相数码机和连连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置的安装，左右两相机焦点F₁(0，0，0)和F₂(L，0，0)与激光示踪斑定位点O三点所在的平面与模型床面垂直，记F₁、F₂、O三点确定的平面为平面I。选择河工模型床面上第四象限某一个激光示踪光斑点P，点P在左右两相机像平面中的成像分别为点P₁和点P₂，点P₁和点P₂投影到I平面分别为点K₁(在线l₁上)和点K₂(在线l₂上)，床面上的点P在平面I上的投影为点P_T，P₁相对于左相机像平面中心点O₁的偏角∠O₁F₁K₁记为ψ₁，同样记∠P₁F₁K₁为

记∠K₁F₁F₂为θ₁。同样地，仿照上述分析，可以定义ψ₂、

θ₂。由安装时标定的φ角和计算出的角ψ₁和角Ψ₂，可以求出θ₁＝φ-ψ₁(∠K₁F₁F₂)以及θ₂＝φ+ψ₂(∠K₂F₂F₁)。根据空间解析几何分析(利用三角形正弦定理、三角函数公式)可得：

$F_1{P}_T=\frac{L{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(9\right)$

由此计算出河工模型床面上激光示踪光斑点P在以F₁(0，0，0)为原点空间坐标系的三维空间坐标；

$X_P=F_1{P}_T\cos {\mathrm{\θ}}_1=\frac{L{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}\cos {\mathrm{\θ}}_1---\left(10\right)$

$Z_P=F_1{P}_T\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{L{\sin \mathrm{\θ}}_2}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}\sin {\mathrm{\θ}}_1---\left(12\right)$

式中， ${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\φ}-{\mathrm{\ψ}}_1=\mathrm{\φ}-\arctan \left(\frac{x_{1p}}{f}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\φ}+{\mathrm{\ψ}}_2=\mathrm{\φ}+\arctan \left(\frac{x_{2p}}{f}\right),$

5)通过计算机内设的绘图程序(选用常用的软件，如Auto CAD、Matlab、EXCEL等)，以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标

生成河工模型地形图。

在实际应用中，如果测量的河工模型范围较大，可以布设多套本发明的***，各***之间有一定的重复范围，通过各***之间坐标的旋转与平移来对各***的数据进行集成、最后重构河工模型完整的三维地形图。

Claims (1)

1.一种河工模型试验三维地形的测量方法，其特征在于，采用两台参数相同的数码相机，一台连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，以及分别与两台数码相机相连的一台计算机；所述连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置由连续激光器和微调光栅所组成；该微调光栅在河工模型床面上投射出不同间距及大小的矩形点阵示踪光斑，其中矩形点阵示踪光斑中心点为定位点O；

该方法，包括以下步骤：

1)首先进行相机焦距f、两相机两焦点距离L以及相机偏角φ标定：

1-1)相机焦距f标定计算公式为：

$f=\frac{a\left(\mathrm{\ΔX}\right)}{(y_1-y_2)}$

式中，a为CCD较短一边的边长，y₂指相机初始拍摄垂向最大高度，y₁为相机沿其光轴轴向向后移动ΔX后所拍摄的垂向最大高度(y₁＞y₂)；

1-2)两焦点距离L标定为： $L=2\frac{L_1\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\sin \mathrm{\α}}_1}\cos ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)$

式中，L₁为OB₁的长度，O为定位点，B₁为与点B在左相机成像面上具有相同像素坐标的床面上的一点，点B为在点O垂直向上y高度处的一点；角度α₁为点O与左相机焦点F₁的连线F₁O与直线F₁B₁的夹角，角度β₁为点O与点B₁的连线B₁O与直线B₁F₁的夹角，其中α₁和β₁在标定时计算出α₁＝arctan(O₁P₁/f)，β₁＝arctan(y/L₁)，O₁P₁为床面上线段OB₁在左相机像平面上的图像长度；

1-3)相机偏角φ标定为：

φ＝α₁+β₁

式中，αX₁为直线F₁O与直线F₁B₁之间的夹角；β₁为直线B₁O与直线B₁F₁之间的夹角；

2)照相机标定完成后，在两相机焦点中间位置垂直向下安装连续激光矩形点阵示踪光斑发射装置，激光示踪光斑中心点为定位点O，定位点O在左右两相机像平面的成像分别为两相机像平面的中心点O₁和O₂；左右两相机成像面以中心点O₁和O₂为原点分别建立各自的直角坐标系x₁O₁y₁和x₂O₂y₂，床面上也以点O为中心点建立坐标系XOY，将两相机像平面及床面均分成四个象限，且每个象限所包含或所成像的激光示踪斑点一一对应；

3)对床面进行拍照，分别得到左右两相机所拍摄的系列照片；对所述系列照片进行噪声处理、畸变处理、像素二值化及对示踪光斑边缘检测的常规预处理，以及进行示踪光斑中心坐标的计算，再对示踪光斑进行匹配及特征提取，获得床面上同一个示踪光斑点P分别在左右两相机像平面上的像素坐标P₁(m_1p，n_1p)和P₂(m_2p，n_2p)，再根据相机像素与CCD物理尺寸的转换关系，将示踪光斑点P在左右相机像平面上的像素坐标分别转化为像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)；

4)以左相机焦点F₁(0，0，0)为原点建立三维空间坐标系O-XYZ：F₁F₂为X轴、从点F₁向下引垂线为Z轴，过点F₁沿河床纵向方向为Y轴，根据数码相机的标定参数f、L、φ，将床面上每个示踪光斑点P在左右两相机像平面上的图像坐标P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)按转换公式换算为空间坐标系O-XYZ中的三维空间坐标P(X_P，Y_P，Z_P)；

激光示踪光斑图像坐标与三维空间坐标的转换公式为：

其中

式中，P₁(x_1p，y_1p)和P₂(x_2p，y_2p)分别为模型床面上激光示踪斑点P在左右两个像平面上的图像坐标；f为左右相机的焦距；L为左右相机的焦点间距；φ为相机偏角；θ₁和θ₂为虚拟角度，表示模型床面上的点P在平面I上的投影点P_T与左右两相机焦点F₁与点F₂的连线F₁P_T和F₂P_T分别与线段F₁F₂和F₂F₁的夹角，平面I为过直线F₁F₂且垂直于模型床面的平面；

5)以床面上所有激光示踪光斑的三维空间坐标生成河工模型地形图。

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