CN211147588U - 船舶高度测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种船舶高度测量装置，其包括分别用于扫描船体和水面以获得三维数据的第一和第二激光三维扫描装置，其中第一激光三维扫描装置相对于第二激光三维扫描装置具有已知的位姿关系。本申请的船舶高度测量装置结合使用分别用于探测船体高度和水面位置的激光三维扫描装置，使得能够方便地测量船体相对于水面的位置，而且适用于不同的环境，使用灵活。

Description

船舶高度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种三维测量技术，具体而言，涉及一种基于激光三维扫描技术的船舶测量装置。

背景技术

船舶在通过船闸或桥梁时，为了避免因船身或载有的货柜过高而发生碰撞事故，需要对船舶的高度进行远距离遥感测量。现有船舶高度测量大多采用图像处理技术，利用摄像头对船舶进行拍摄，然后通过对拍摄得到的图像进行处理得到船舶高度。然而，摄像头的拍摄受环境影响大，而且基于图像处理获取三维信息需要***具有较大的数据计算能力，由此造成一定的限制。

为此，人们探索和开发了基于激光雷达的船舶高度测量技术。例如中国专利CN109178234A公开了一种船舶干舷高度测量***，该***利用水位计以及安装在桥梁下方的激光雷达来对船高进行测量，以避免碰撞。然而，这样的技术也并非没有缺陷。

例如，上述专利所披露的技术方案依赖于特定的安装环境(桥梁下方)，因此无法满足例如通过船闸时的船高测量需求，通用性差。此外，尽管激光雷达的单点测量精度高，但是如果对整个目标场景进行扫描，则存在相对数据稀疏的问题。单纯基于激光雷达测量船舶高度，仍旧存在测不准的问题。

而且，通过激光雷达和水位计分别测量船体高度和水面位置，由于激光雷达与水位计分开安装且相隔较远，所以激光雷达相对于水位计的高度本身就难以精确确定；当变换测量地点时，水位计需要重新安装或者激光雷达需要相对于水位计重新定位，带来使用上的不便。

总之，现有的船舶高度测量技术还存在亟待改进之处。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种船舶高度测量装置，其至少部分地克服了现有船舶高度测量技术中的不足。

根据本发明实施例，提供了一种船舶高度测量装置，其包括：第一激光三维扫描装置，其扫描船体并获得船体的三维数据；和第二激光三维扫描装置，其扫描水面并获得水面的三维数据，其中，所述第一激光三维扫描装置相对于所述第二激光三维扫描装置具有已知的位姿关系。

优选地，所述第一激光三维扫描装置与所述第二激光三维扫描装置相邻设置，且两者相对于水平面具有不同的俯仰角度。

在一些实施例中，所述船舶高度测量装置还可以包括相机，该相机相对于所述第一激光三维扫描装置具有已知的位姿关系，其用于获取船体的二维图像。在这样的实施例中，优选，第一激光三维扫描装置、第二激光三维扫描装置以及相机彼此邻近并布置在同一平面内。所述第一激光三维扫描装置可以包括相对于所述相机对称分布的至少两台激光雷达。更优选地，所述第一激光三维扫描装置包括以所述相机为中心对称布置的四台激光雷达，所述相机布置在九宫格阵列的中心，所述四台激光雷达布置在所述九宫格中位于相机上、下、左、右的四个正对的位置，所述第二激光三维扫描装置布置在所述九宫格中的顶角位置。

在一些实施例中，所述第一激光三维扫描装置、所述第二激光三维扫描装置以及所述相机安装在一托架上，所述托架具有用于高度调节机构和俯仰角度调节机构。

在一些实施例中，所述船舶高度测量装置还可以包括计算单元，该计算单元与所述第一激光三维扫描装置和所述第二激光三维扫描装置连接，其接收所述水面的三维数据和所述船体的三维数据，并计算船体高度。

在另一些实施例中，所述船舶高度测量装置还可以包括计算单元，该计算单元与所述第一激光三维扫描装置、第二激光三维扫描装置以及相机连接，其接收所述船体的三维数据以计算船体高度，接收所述水面的三维数据以计算船体相对于水面的高度，以及接收所述船体的二维图像并基于该二维图像对所述船体高度进行修正。

根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置，结合使用分别用于探测船体高度和水面位置的激光三维扫描装置，使得能够方便地测量船体相对于水面的位置，而且适用于不同的环境，使用灵活。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置的工作示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置的示意性框图；

图3为根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置的一个示例的工作示意图；

图4为图3所示船舶高度测量装置的示例的结构示意图；

图5为根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法的示意性流程图；

图6示出了选取要被映射到二维图像中的部分三维数据的一种优选方式的示意图；

图7示出了图5所示船舶高度测量方法中修正船体高度的处理的一个优选示例；

图8和图9分别示出可用于图7所示处理中的、基于平面拟合函数拟合得到的平面的立体视图和侧视图；

图10示出了根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法的另一个示例，其中结合了测量船舶相对于水面高度的处理；以及

图11示出了根据本实用新型一个变型例的船舶高度测量方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

图1为根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置的工作示意图。如图1所示，船舶高度测量装置1安装在例如岸边，船舶2通行经过该船舶高度测量装置1附近时，船舶高度测量装置1工作以对船体区域A进行三维测量，并同时可以对水面区域B进行三维测量。图1中所示z方向为高度方向。但本实用新型并不仅限于此，船舶调试测量装置也可以被安装在巡逻船上，动态追踪过往船舶进行船舶高度测量。

参见图2，根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置1包括第一激光三维扫描装置10，用于扫描船体并获得船体的三维数据。第一激光三维扫描装置10可以包括一台或多台激光雷达10a(见图4)或者任何其它可以实现激光三维扫描的设备。所述设备的数量可以根据目标视场的范围以及单个设备的视场大小(扫描范围)而决定，本实用新型在此方面不受限制。基于第一激光三维扫描装置10所获取的三维数据可以找到船体的探测最高点(可能不是实际最高点)，即三维探测最高点。该三维探测最高点的高度值可以作为船体高度初值。

船舶高度测量装置1可以包括与第一激光三维扫描装置10具有已知的位姿(即位置和姿态)关系的第二激光三维扫描装置20，用于扫描水面并获得水面的三维数据。与第一激光三维扫描装置10类似，第二激光三维扫描装置20可以包括一台或多台激光雷达20a或者任何其它可以实现激光三维扫描的设备。基于第二激光三维扫描装置20所获取的三维数据，可以拟合出水面位置。第一激光三维扫描装置10与第二激光三维扫描装置20的结合使用，使得能够实现一种新的船舶相对于水面的高度的测量方法或处理(参见图10)。

如图2所示，船舶高度测量装置1可以包括相机30，第一激光三维扫描装置10与相机30具有已知的相对位姿关系，相机30用于获取船体的二维图像。第一激光三维扫描装置10与相机30的组合使用，使得能够实现根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法，该方法将在下文中参照图5至图10详细介绍。

根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置1还可以集成有计算单元40。计算单元40可以与第一激光三维扫描装置10、第二激光三维扫描装置20以及相机30连接，其接收船体的三维数据以计算船体高度，接收水面的三维数据以计算船体相对于水面的高度，以及接收船体的二维图像并基于该二维图像对船体高度进行修正。优选地，计算单元40构造成用于实现图5至图10所示的方法/处理。

应该理解的是，计算单元也可以独立于根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置1而提供，例如来自船舶高度测量装置1的三维数据和二维图像等可以通过有线或无线的方式被传送到例如一船高监控服务器，由该服务器完成对数据和/或图像的处理。

接下来将参照图3和图4介绍根据本实用新型实施例的船舶高度测量装置的一个示例，即船舶高度测量装置1A。其中，图3示出了船舶高度测量装置1A的工作示意图，图4示出了其结构示意图。

如图3所示，船舶高度测量装置1A包括第一激光三维扫描装置10以及与第一激光三维扫描装置10均具有已知的位姿关系的第二激光三维扫描装置20和相机30；其工作时，如图3所示，第一激光三维扫描装置10和相机30分别获取船体2的三维数据和二维图像，并且第二激光三维扫描装置20扫描水面并获得水面的三维数据。

如图3和图4中示意性地示出的，船舶高度测量装置1A中的第一激光三维扫描装置10、第二激光三维扫描装置20和相机30彼此邻近地布置在同一平面内。这里“邻近”并不限于特定的距离间隔D₁、D₂，而是表示这些装置之间并非分布式设置的，而是在技术所允许实现的范围内合理地靠近，并且优选尽可能地彼此靠近。

第一激光三维扫描装置10与第二激光三维扫描装置20优选相对于水平面具有不同的俯仰角度。

在图示的优选示例中，第一激光三维扫描装置10包括以相机30为中心对称布置的四台激光雷达10a，相机30布置在九宫格阵列的中心，四台激光雷达10a布置在九宫格中位于相机30上、下、左、右的四个正对的位置；第二激光三维扫描装置20包括一台激光雷达20a，并且布置在九宫格中的顶角位置。九宫格中的其它位置a可以作为预留位置，可以用于调整例如激光雷达10a、20a的位置或者增设新的激光雷达。

尽管图示示例中，第一激光三维扫描装置10被示出为包括四台激光雷达，但是应该理解，本实用新型并不限于此。第一激光三维扫描装置10可以包括更多或者更少或者以其他方式布置的激光雷达等设备。考虑到覆盖目标视场，以及考虑到与相机的配合使用，优选第一激光三维扫描装置包括相对于相机对称分布的至少两台激光雷达。

类似地，第二激光三维扫描装置20可以包括更多或者更少或者以其他方式布置的激光雷达等设备。优选，第二激光三维扫描装置20中的激光雷达20a与第一激光三维扫描装置10中的激光雷达10a中的至少一个布置在相同高度位置。

此外，如图3所示，第一激光三维扫描装置10、第二激光三维扫描装置20以及相机30安装在一托架40上。尽管未示出，但是优选托架40具有用于高度调节机构和俯仰角度调节机构。

以下结合图5至图10介绍根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法。

图5为根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法的示意性流程图。如图5所示，根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法100包括：

S10：利用具有已知的相对位姿关系的第一激光三维扫描装置和相机分别获取船体的三维数据和二维图像；

S20：基于所述三维数据找到船体的探测最高点，即三维探测最高点，并以该三维探测最高点的高度值作为船体高度初值；

S30：将部分所述三维数据映射到所述二维图像中，得到所述部分三维数据对应的二维坐标和高度值；以及

S40：基于所述二维图像以及所述部分三维数据对应的二维坐标和高度值，修正所述船体高度初值，得到修正后的船体高度。

这里，“位姿”指的是空间位置和姿态。其中，“姿态”对于激光三维扫描装置和相机而言，可以表达为例如激光三维扫描的基准方向和相机拍摄的光轴的朝向。

处理S10和处理S20，本领域技术人员容易理解和掌握，在此不再赘述。

处理S30中要选取部分三维数据以映射到二维图像中。图6示意性地示出了选取要被映射到二维图像中的部分三维数据的一种优选方式，其中，所述部分三维数据包括船体的三维探测最高点P₀以及与该三维探测最高点P₀相对于第一激光三维扫描装置具有大致相同距离的若干三维数据点P₁。如图6所示，假设所述三维探测最高点P₀距离第一激光三维扫描装置10的距离为d，则所述若干三维数据点为三维数据中与第一激光三维扫描装置10的距离d₁在d±ξ范围内的点，其中优选ξ≤0.5m，更优选ξ≤0.1m。而对于与第一激光三维扫描装置10的距离d₂(|d-d₂|≥ξ)的三维数据点P2，则可以被舍弃。

作为示例，为了实现上述三维数据点的选取，可以在已经获取的例如激光雷达三维数据点(X,Y,Z)点云的基础上，以激光雷达为球心，以雷达到三维探测最高点P₀的距离d为半径，构建一个球面，找到距离球面±ξ范围以内的三维数据点点集，作为要被映射到二维图像上的点集。

这样确保这些点相对于激光雷达位于基本上相同的深度上，从而相对于相机30位于基本上相同的深度上，从而排除深度对于点的高度的影响，使得点的高度值仅与这些点映射在二维图像中的坐标相关。

由于第一激光三维扫描装置10与相机30具有已知的位姿关系，所以三维数据点与二维图像中的点能够通过旋转矩阵R和平移矩阵T建立映射关系。旋转矩阵R和平移矩阵T可以表达如下：

T＝[X_cw，Y_cw，Z_cw]^T (1)

选取的若干由三维数据点(X,Y,Z)与二维图像中的对应的点(U，V)构成的点组，通过解算映射方程，可以得到三维数据点与二维图像中的点的上述旋转矩阵R和平移矩阵T。

以上选取点组和解算得到旋转矩阵R和平移矩阵T的过程可以称为二维图像与三维图像之间的标定过程。这是本领域技术人员所已知的，在此不再赘述。

被选取的部分三维数据(X,Y,Z)通过例如上述旋转矩阵R和平移矩阵T被映射到二维图像中，得到相应的点在二维图像中的坐标(U,V)，其对应的高度值为H，这时三维数据点在二维图像中例如可以表达为(U,V,H)。

接下来，在处理S40中，基于相机30获取的二维图像以及所述部分三维数据(X,Y,Z)对应的二维坐标和高度值，修正船体高度初值，得到修正后的船体高度。

图7示出了处理S40的一个优选示例，处理400。如图7所示，处理400包括：

S41：建立拟合函数，以拟合所述部分三维数据对应的二维坐标与对应的高度值之间的关系；

S42：基于二维图像找到船体的另一探测最高点，即二维探测最高点；

S43：利用所述拟合函数，基于所述三维探测最高点对应的二维坐标与所述二维探测最高点的二维坐标的差值，计算所述三维探测最高点的高度值的补偿值；以及

S44：利用所述补偿值修正所述船体高度初值，得到修正后的船体高度。

处理S41中可以根据具体的应用场景建立不同的拟合函数以拟合三维数据对应的二维坐标与对应的高度值之间的关系。与以上参照图6介绍的选取部分三维数据的优选方式对应地，在一优选示例中，如图8和图9中示意性地示出的，拟合函数可以为平面函数。图8和图9中示出了二维图像的坐标(U,V)以及对应的高度值H构成的三维空间UVH，其中附图标记“×”表示从第一激光三维扫描装置10获取的三维数据中选取并映射到相机30所获取的二维图像中的点(U,V,H)。设定目标平面函数aU+bV+c＝H，其中a、b、c为常数参数；利用上述被映射的点的二维坐标(U,V)和对应的高度H的关系，用例如最小二乘法解算出三个参数a、b、c的数值，从而得到拟合平面函数。图8示出所拟合得到的平面(灰色部分)的立体视图，图9示出该平面的侧视图。但是，应该理解，图8、图9示出的仅仅是一个示例，本实用新型并不限于特定的拟合函数。

在处理S42中，可以利用基于图像处理来获取三维信息的技术，基于相机30获取的二维图像，找到船体的二维探测最高点。优选地，通过光流法基于二维图像找到船体的二维探测最高点。然后进入处理S43和处理S44。举例来说，可以通过光流法得到二维图像中船舶的二维探测最高点(u1,v1)；三维探测最高点P₀映射到二维图像上的点坐标为(u0,v0)，两点在二维图像上的坐标差值为U’＝u0-u1，V’＝v0-v1；代入平面拟合方程aU+bV+c＝H中，获得Δh＝aU’+bV’+c的值，作为船体的三维探测最高点的高度值的补偿值；如果三维探测最高点的高度值记为h，则利用所述补偿值Δh进行修正，得到修正之后的船体高度H_船＝h+Δh。

图7所示示例中，应该注意的是，尽管处理S42示出为在处理S41之后进行，但是本领域技术人员可以理解，该处理S42也可以在处理S41之前进行，甚至处理S42可以在相机30获取了二维图像(如图5所示处理S10)之后就进行；本实用新型在此方面不受限制。

接下来将参照图10介绍根据本实用新型实施例的船舶高度测量方法的另一个示例，其中结合了测量船舶相对于水面高度的处理500。如图10所示的船舶高度测量方法包括：

处理100’：至少部分基于第一激光三维扫描装置测量船体的高度；以及

处理500：测量船舶相对于水面的高度。

这里，处理100’可以为例如图5所示基于第一激光三维扫描装置与相机的结合使用测量船体高度的处理/方法，也可以是其它可替代的、基于了第一激光三维扫描装置的船体高度测量处理/方法，例如，可以是单独使用第一激光三维扫描装置测量船舶高度的处理/方法。

如图10所示，处理500可以包括：

S51：利用与第一激光三维扫描装置具有已知的位姿关系的第二激光三维扫描装置，扫描水面并获得水面的三维数据；

S52：基于水面的三维数据，拟合出水面位置；以及

S53：基于第一激光三维扫描装置与第二激光三维扫描装置的已知的位姿关系以及基于所述拟合出的水面位置，计算船舶相对于水面的高度。

处理S52中，找到第二激光三维扫描装置扫描到的水平的点，基于这些点利用例如RANSAC(随机抽样一致算法)拟合出一平面，作为水面位置。

处理S53中，由于第一激光三维扫描装置与第二激光三维扫描装置具有已知的位姿关系，所以通过第一激光三维扫描装置测得的船体高度可以与通过第二激光三维扫描装置测得的水面位置(水面高度)相比较，从而得到船体相对于水面的高度。例如，如果通过第一激光三维扫描装置测得的船体相对于一固定高度基准的高度为H_船，通过第二激光三维扫描装置测得水面相对于该固定高度基准的高度为H_水，则船体相对于水面的高度H_船-水＝H_船-H_水。例如，该固定高度基准可以为第二激光三维扫描装置的高度位置。

尽管图10中，处理500被示出为在处理100’之后进行，但是本实用新型并不限于此。图11示出了根据本实用新型一个变型例的船舶高度测量方法的示意性流程图。如图11所示，船舶高度测量方法100”包括：

S10’：利用已知位姿关系的第一激光三维扫描装置、第二激光三维扫描装置和相机分别获取船体的三维数据、水面的三维数据和船体的二维图像；

S20’：基于船体和水面的三维数据找到船体相对于水面的探测最高点，即三维探测最高点，并以该三维探测最高点的高度值作为船体高度初值；

S30：将船体的三维数据中的部分数据映射到所述二维图像中，得到所述部分三维数据对应的二维坐标和高度值；以及

S40：基于所述二维图像以及所述部分三维数据对应的二维坐标和高度值，修正所述船体高度初值，得到修正后的船体高度。

可以看到方法100”中，处理S10’中结合了图10所示处理500中的处理S51，处理S20’结合了处理500中的处理S52和S53；处理S30和处理S40则可以与图5所示方法100中的相同。

根据本实用新型实施例，结合使用分别扫描船体和水面的激光三维扫描装置，可以方便地确定船体相对于水面的高度。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种船舶高度测量装置，其特征在于，包括：

第一激光三维扫描装置，其扫描船体并获得船体的三维数据；和

第二激光三维扫描装置，其扫描水面并获得水面的三维数据，

其中，所述第一激光三维扫描装置相对于所述第二激光三维扫描装置具有已知的位姿关系。

2.如权利要求1所述的船舶高度测量装置，其特征在于，所述第一激光三维扫描装置与所述第二激光三维扫描装置相邻设置，且两者相对于水平面具有不同的俯仰角度。

3.如权利要求2所述的船舶高度测量装置，其特征在于，还包括相机，该相机相对于所述第一激光三维扫描装置具有已知的位姿关系，其用于获取船体的二维图像。

4.如权利要求3所述的船舶高度测量装置，其特征在于，所述第一激光三维扫描装置、所述第二激光三维扫描装置以及所述相机彼此邻近并布置在同一平面内。

5.如权利要求4所述的船舶高度测量装置，其特征在于，所述第一激光三维扫描装置包括相对于所述相机对称分布的至少两台激光雷达。

6.如权利要求5所述的船舶高度测量装置，其特征在于，所述第一激光三维扫描装置包括以所述相机为中心对称布置的四台激光雷达，所述相机布置在九宫格阵列的中心，所述四台激光雷达布置在所述九宫格中位于相机上、下、左、右的四个正对的位置，所述第二激光三维扫描装置布置在所述九宫格中的顶角位置。

7.如权利要求4所述的船舶高度测量装置，其特征在于，所述第一激光三维扫描装置、所述第二激光三维扫描装置以及所述相机安装在一托架上，所述托架具有用于高度调节机构和俯仰角度调节机构。

8.如权利要求1所述船舶高度测量装置，其特征在于，还包括计算单元，该计算单元与所述第一激光三维扫描装置和所述第二激光三维扫描装置连接，其接收所述水面的三维数据和所述船体的三维数据，并计算船体高度。

9.如权利要求3所述的船舶高度测量装置，其特征在于，还包括计算单元，该计算单元与所述第一激光三维扫描装置、第二激光三维扫描装置以及相机连接，其接收所述船体的三维数据以计算船体高度，接收所述水面的三维数据以计算船体相对于水面的高度，以及接收所述船体的二维图像并基于该二维图像对所述船体高度进行修正。

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