CN102538760A - 河工动床模型地形数据采集装置及其数据采集方法 - Google Patents

Abstract

一种河工动床模型地形数据采集装置及其数据采集方法，该装置包括支架、数据获取系统、计算机和电源；支架包括两块平板和两根相互平行的轨道梁；数据获取系统包括平移装置、地形轮廓获取装置和图像采集及校正装置；平移装置包括承台、升降电机、牵引电机和配重；地形轮廓获取装置包括上稳定板、下稳定板、同步电机、电子云台和一字激光器；图像采集及校正装置包括框架、摄像头、万向杆和点激光器；本发明的有益效果是：采集的地形图像信息丰富直观，也易于保存及更新；对地形面信息进行点群式采集，测量效率大大提高；属于无接触式测量，避免破坏测量地形形态，适用于多种情况的地形测量；本发明装置结构简单、成本低、易于推广。

Description

河工动床模型地形数据采集装置及其数据采集方法

技术领域

本发明涉及河工动床模型地形数据采集领域，具体涉及一种可以观察到河床表面形态的河工动床模型地形数据采集装置及其数据采集方法。

背景技术

研究在天然情况下或者河流上修建了桥梁、大坝等工程之后，河流的水沙运动规律及河床演变过程的方法有两种：河工模型和数学模型。焦爱萍等论述了两种方法的关系（焦爱萍,张耀先,封克俭.河工物理模型和泥沙数学模型的关系[J].人民黄河,2002,24(7):17+23.）。使用数学模型来研究水沙问题具有周期短、投资少的特点，随着计算机技术的飞速发展和泥沙数学模型的不断完善，这种方法越来越受到重视。但是由于水沙运动过程很复杂，研究水沙运动主要还是使用河工模型，特别是河工动床模型。在河工动床模型中最重要的工作就是对河床地形的测量，测量仪器及方法主要有以下几种：

电阻式界面判别仪，它是利用探头两极在水中和淤积面上电阻的差异来确定河床界面。姚晓明等指出该仪器测量精度很大程度受到探头结构限制，可靠性受到电路抗干扰能力影响（姚晓明,李旺兴,肖方祥.实用性冲淤界面判别仪[J].泥沙研究,1996(2):109-112.）。电阻式界面判别仪适用于水下地形的测量，对水体透光性要求不高，属于单点接触式测量，效率不高，且对地形有一定破坏性。

光电反射式地形仪，其传感器上有光发射纤维束和光接收纤维束，当接触到淤积面时，利用淤积物的阻光作用获得淤积面信号。唐洪武等对其进行深入研究（唐洪武,李瑾,周浩祥.光电反射式地形仪的研制及应用[J].河海大学学报:自然科学版,1995,23(1):80-84.）后指出光电反射式地形仪能在有水情况下和无水情况下对地形进行测量，但是在有水情况下会受到含沙量的影响，同时也是单点接触式测量。

超声波地形仪，它是利用超声波回波反射原理，测定河床表面到超声波探头的垂直距离。该仪器是非接触式测量，不破坏地形的自然状态，测量速度快。王振先等经过在胜利油田滩海工程模拟实验室进行的现场测量（王振先,金欢阳.实验室用超声地形仪[J].海洋工程,2001,19(1):94-98.），认识到超声波测量地形时受到水体盐度、温度，含沙量、粒径及入射角度等因素的影响。

激光地形仪，它包括单点测距的全站仪和三维地形激光扫描仪。工作原理是利用发射和接收脉冲式激光的时间差来计算距离。三维地形激光扫描仪则是以大量空间点的方式再现被测物体形态。国外在激光测量地形上研究较早，例如Siefko Slob等学者（Siefko Slob,Robert Hack.3D Terrestrial Laser Scanning as a New Field Measurement and Monitoring Technique, Lecture Notes in Earth Sciences,2004,104:179-189.）的研究，黄河水利科学研究院也引进法国MENSI公司研制的GS200激光扫描仪进行地形量测工作。与其他测量方式相比，三维激光扫描仪是目前很先进的测量仪器，它可以对地形进行大范围、高精度、高效率的测量，但是由于生产海量数据，所以后处理工作量大，而且它无法实现水下地形的测量，最重要的是仪器价格昂贵，不易推广普及。

摄影测量技术，它是通过摄影测量的方法，对目标确定其外形、形态和几何位置的技术，是一种基于数字信息和数字影像技术的数据获取手段，包括近景摄影测量和构造光线法等。曲兆松发明的“水下三维地形测量系统”（曲兆松.水下三维地形测量系统[P].中国专利:CN 101000233 A,2007-07-18.）属于构造光线法，该方法适用于低流速、低含沙量的水下测量，不足是不能对采集的图像进行校正。徐向舟等发明的“一种冲刷地形的三维观测方法”（大连理工大学.一种冲刷地形的三维观测方法[P].中国专利.CN 102032902 A，2011-04-27.）也属于构造光线法，优点是测量准确度提高，不足是仪器构造复杂。总之摄影测量是非接触性量测，测量速度快、精度高，图像数据直观丰富，且易存储和更新。随着电子科技的发展应用，数字摄影测量将成为一种趋势。

发明内容

为了克服目前单点测量仪器工作效率低、接触式测量仪器破坏地形面、激光地形扫描价格昂贵且不能测量水下地形和结构复杂的测量仪器不易推广的问题，本发明提供出一种可以观察到河床表面形态的河工动床模型地形数据采集装置及其数据采集方法，该数据采集装置非接触式自动化测量，适用于可以观察到河床表面形态的测量，包括无水地形测量、水下地形测量和动态沙波监测等。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种河工动床模型地形测量装置，包括支架、数据获取系统、计算机和电源，所述支架包括两块平板和两根相互平行的轨道梁；其中，平板下面设有四个万向轮，平板上面垂直固定有两根支柱，且两根支柱的上端通过横梁固定连接；所述横梁上穿有一个U型槽轮；两根轨道梁的左端分别与一根横梁的两端固定连接，两根轨道梁的右端分别与另一根横梁的两端固定连接；

所述数据获取系统包括平移装置、地形轮廓获取装置和图像采集及校正装置；所述平移装置包括承台、升降电机、牵引电机和配重；其中，承台的中心设有一个空洞且承台两侧分别装有两个车轮，承台两侧的车轮分别置于两根轨道梁上；承台一端通过牵引钢丝与设于平板上的牵引电机的转轴连接，且该牵引钢丝绕在相邻U型槽轮槽内；承台另一端也通过牵引钢丝与配重连接，且牵引钢丝绕在另一个U型槽轮槽内；升降电机设于承台上，升降电机的转轴上连接有升降钢丝，且升降钢丝穿过承台中心的空洞；

所述地形轮廓获取装置包括上稳定板、下稳定板、同步电机、电子云台和一字激光器；其中，上稳定板与下稳定板形状相同，升降钢丝与上稳定板中心位置连接；下稳定板与上稳定板相互平行，下稳定板与上稳定板之间通过两根连杆连接，两根连杆相对于上稳定板中心对称，下稳定板中心设有一个空洞，同步电机的外壳固定在下稳定板中心的空洞中；同步电机的转轴与电子云台的基座固定连接，电子云台的外壳上固定有两根水平对称的旋转杆，旋转杆末端均安装有水准气泡器；一字激光器通过两颗L形螺丝连接在电子云台的底部，一字激光器的发射口垂直向下，且一字激光器发射出的激光线与旋转杆垂直；

所述图像采集及校正装置包括框架、摄像头、万向杆和点激光器；其中，框架由四块挡板首尾相连而成；框架左、右两侧的挡板及底部的挡板上分别装有一个点激光器，且三个点激光器发射的点激光相互平行；框架的顶部挡板与万向杆的万向节固定连接，万向杆的杆端与旋转杆末端固定连接，且万向杆与旋转杆相互垂直；摄像头设于框架内，并通过螺丝与框架顶部挡板固定；

所述升降电机、牵引电机、同步电机、电子云台和摄像头通过电缆与计算机串口连接；所述计算机、升降电机、牵引电机、同步电机、电子云台、一字激光器、摄像头和点激光器通过电线与电源连接。

河工动床模型地形数据采集装置进行数据采集的方法，该方法步骤如下：

1）接通电源，启动计算机；在计算机上安装串口控制软件、摄像头控制软件和图像校正与识别软件；

2）把支架推动到河工动床模型测量区域的上方，操作计算机控制牵引电机牵引地形轮廓获取装置至河工动床模型测量区域的中心位置的正上方；打开一字激光器，操作计算机控制升降电机调整地形轮廓获取装置距离河工动床模型的高度，从而确定图像采集及校正装置数据采集区域的范围；

3）操作计算机控制电子云台调整旋转杆水平于地面；选择一个图像采集及校正装置使用，并打开该装置上的三个点激光器，手动操作万向杆调节摄像头拍摄角度，然后测量记录三根点激光之间的距离用于图像校正；操作计算机打开摄像头并调整摄像头焦距，使激光线和校正点完整的显示在计算机的屏幕上；

4）操作计算机控制同步电机和摄像头，同步电机以一个角度增量旋转，当同步电机转动一个角度增量后，摄像头自动拍摄一张图像储存到计算机，同步电机转动360°后，完成对河工动床模型测量区域的图像采集；

5）操作计算机使用三点法对计算机储存的图像进行变形矫正，操作计算机使用图像识别技术完成对校正后图像上断面曲线的提取，完成对河工动床模型测量区域的数据采集。

本发明的有益效果是：采集的地形图像信息丰富直观，也易于保存及更新。对地形面信息进行点群式采集，与单点测量仪器相比测量效率大大提高。属于无接触式测量，避免破坏测量地形形态。适用于多种情况的地形测量，例如：无水地形测量、水下地形测量和动态沙波监测等。与昂贵的测量仪器相比，结构简单、成本低、易于推广。

附图说明

图1是本发明的河工动床模型地形数据采集装置结构示意图。

图2是本发明中的地形轮廓获取装置局部放大结构示意图。

图3是本发明中的图像采集及校正装置构造立体图。

图4是本发明中的图像采集及校正装置构造俯视图。

图5是本发明中的图像采集及校正装置构造正视图。

图6是本发明中的图像采集及校正装置构造侧视图。

图中：1.计算机，2.电源，3.平板，4.轨道梁，5.万向轮，6.支柱，7.横梁，8.U型槽轮，9.河工动床模型，10.承台，11.升降电机，12.牵引电机，13.配重，14.车轮，15.牵引钢丝，16.升降钢丝，17.上稳定板，18.下稳定板，19.同步电机，20.电子云台，21.一字激光器，22.连杆，23.旋转杆，24.L形螺丝，25.激光线，26.框架，27.摄像头，28.万向杆，29.点激光器，30.挡板，31.水准气泡器，32.螺丝，33.点激光，34.校正点。

具体实施方式

实施例1

河工动床模型地形数据采集装置，包括支架、数据获取系统、计算机1（联想IPC-610H工控机）和电源2（220V交流电）；

所述支架包括两块平板3（厚6mm，长0.5m×宽0.3m的钢板）和两根相互平行且有0.3m间距的轨道梁4（长3m，外径30mm、壁厚3mm的钢管）；其中，平板3下面焊接有四个万向轮5（BDS加强型2寸万向轮），平板3上面垂直焊接有两根支柱6（长2.5m，外径30mm、壁厚3mm的钢管），且两根支柱6的上端通过横梁7（长0.3m，直径15mm的钢筋）焊接固定；所述横梁7上穿有一个U型槽轮8（天津特种轴承厂45#槽轮）；两根轨道梁4的左端分别与一根横梁7的两端焊接固定，两根轨道梁4的右端分别与另一根横梁7的两端焊接固定；

所述数据获取系统包括平移装置、地形轮廓获取装置和图像采集及校正装置；所述平移装置包括承台10（厚5mm、0.25m×0.25m的钢板）、升降电机11（南祥机电厂DJM-400-1P/3P电机）、牵引电机12（南祥机电厂的DJM-400-1P/3P电机）和配重13（10千克重的铁块）；其中，承台10的中心有一个直径50mm的空洞、两侧分别焊上两个车轮14（炎盛3寸U型铁槽轮），承台10两侧的车轮14分别置于两根轨道梁4上；承台10一端焊接牵引钢丝15（直径5mm钢丝）一端，牵引钢丝15另一端与设于平板3上的牵引电机12的转轴焊接，且牵引钢丝15绕在相邻的U型槽轮8槽内；承台10另一端焊接另一根牵引钢丝15一端，牵引钢丝15另一端与配重13焊接，且牵引钢丝15绕在另一个U型槽轮8槽内；升降电机11设于承台10上，升降电机11的转轴上焊接有升降钢丝16（直径5mm钢丝），且升降钢丝16穿过承台10中心的空洞；

所述地形轮廓获取装置包括上稳定板17（厚5mm，长0.4m×0.20m钢质，两端打磨成半径为0.13m的圆弧）、下稳定板18（厚5mm，长0.4m×0.20m钢质，两端打磨成半径为0.13m的圆弧，中心有一个直径为0.13m的空洞）、同步电机19（松亚电机控制厂130BYG350-180电机）、电子云台20（恒奥德仪器仪表有限公司HHY-PIH-303电子云台）和一字激光器21（富喆科技有限公司FU635L5-C9红色激光器）；其中，升降钢丝16焊接在上稳定板17中心位置；下稳定板18与上稳定板17相互平行、间距0.3m，下稳定板18与上稳定板17之间通过两根连杆22（长0.3m，直径15mm的钢筋）焊接，两根连杆22相距0.3m、并相对于上稳定板17中心对称，同步电机19的外壳焊接在下稳定板18中心的空洞中；同步电机19的转轴与电子云台20的基座焊接固定，电子云台20的外壳上焊接有两根水平对称的旋转杆23（长0.6m、外径30mm的铝合金管），旋转杆23末端均安装有水准气泡器31（北方衡达水准气泡器）；一字激光器21通过两颗30mm长的L形螺丝24焊接在电子云台20的底部，且一字激光器21发射出的激光线25与旋转杆23垂直；

所述图像采集及校正装置包括框架26、摄像头27（索尼WS-QS3018Y摄像头）、万向杆28（德配机械设备有限公司的万向连接杆）和点激光器29（富喆科技有限公司FU532D50-C12绿色激光器）；其中，框架26由四块挡板30（长70mm×宽50mm的铁板）首尾焊接而成；框架26左、右两侧的挡板及底部的挡板分别焊接一个点激光器29，并且三个点激光器29发射的点激光33相互平行；框架26的顶部挡板与万向杆28的万向节焊接，万向杆28的杆端与旋转杆23末端焊接，且万向杆28与旋转杆23相互垂直；摄像头27设于框架26内，并通过螺丝32与框架26顶部挡板固定；

所述升降电机11、牵引电机12、同步电机19、电子云台20和摄像头27通过电缆与计算机1串口连接；所述计算机1、升降电机11、牵引电机12、同步电机19、电子云台20、一字激光器21、摄像头27和点激光器29通过电线与电源2连接。

河工动床模型地形数据采集装置的进行数据采集的方法，该方法步骤如下：

1）接通电源2，启动计算机1；在计算机1上安装串口控制软件（通用串口通讯软件 V2.5）、摄像头控制软件（Sony Realshot Manager 4.0）和图像校正与识别软件（MathWorks MATLAB 7.0）；

2）把支架推动到河工动床模型9测量区域的上方，河工动床模型9（长4m×宽2m×高1m）；操作计算机1通过串口控制软件控制牵引电机12牵引地形轮廓获取装置至河工动床模型9测量区域的中心位置的正上方；打开一字激光器21，操作计算机1通过串口控制软件控制升降电机11调整地形轮廓获取装置距离河工动床模型9的高度，因为改变地形轮廓获取装置距离河工动床模型9的高度可以改变一字激光器21发射的激光线25在河工动床模型9地形上投影的长度，从而确定图像采集及校正装置数据采集区域的范围；

3）操作计算机1通过串口控制软件控制电子云台20调整旋转杆23水平于地面，当水准气泡器31气泡居中时，旋转杆23水平于地面；选择一个图像采集及校正装置使用，并打开该装置上的三个点激光器29，手动操作万向杆28调节摄像头27拍摄角度，测量记录三根点激光33之间的距离用于图像校正；操作计算机1通过摄像头控制软件打开摄像头27并控制摄像头27调整摄像头27焦距，使激光线25和校正点34完整的显示在计算机1的屏幕上；

4）操作计算机1通过串口控制软件控制同步电机19、通过摄像头控制软件控制摄像头27，同步电机19以一个角度增量旋转，当同步电机19转动一个角度增量后，摄像头27自动拍摄一张图像储存到计算机1，同步电机19转动360°后，完成对河工动床模型9测量区域的图像采集；

5）操作计算机1使用图像校正与识别软件通过三点法对计算机1储存的图像进行倾斜线性矫正，原理是利用三根点激光33平行投影性质以及仿射坐标系和直角坐标系的坐标转换关系完成倾斜图像的矫正，可以参照罗月童等的《基于三点的航拍图像倾斜校正方法及其应用》（罗月童,朱晓强,刘晓平.基于三点的航拍图像倾斜校正方法及其应用[A]中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集[C],2007.）；操作计算机1使用图像校正与识别软件通过图像识别技术完成对校正后图像上断面曲线的提取，原理通过搜索曲线在图像矩阵中的位置，再与真实坐标相比较来确定比例因子，除去曲线外所有特征（如图片噪声等），进而提取出曲线在图像上的坐标，乘以比例因子就得到曲线各点的真实坐标值，可以参照付昆昆等的《基于MATLAB的图像曲线数据提取方法》（付昆昆,郑百林,李鑫.基于MATLAB的图像曲线数据提取方法[J]汕头大学学报：自然科学版,2010,25(2):51-55,63.）,完成对河工动床模型测量区域的数据采集。

Claims (2)

1.一种河工动床模型地形数据采集装置，其特征在于该装置包括支架、数据获取系统、计算机（1）和电源（2）；

所述支架包括两块平板（3）和两根相互平行的轨道梁（4）；其中，平板（3）下面设有四个万向轮（5），平板（3）上面垂直固定有两根支柱（6），且两根支柱（6）的上端通过横梁（7）固定连接；所述横梁（7）上穿有一个U型槽轮（8）；两根轨道梁（4）的左端分别与一根横梁（7）的两端固定连接，两根轨道梁（4）的右端分别与另一根横梁（7）的两端固定连接；

所述数据获取系统包括平移装置、地形轮廓获取装置和图像采集及校正装置；所述平移装置包括承台（10）、升降电机（11）、牵引电机（12）和配重（13）；其中，承台（10）的中心设有一个空洞且承台（10）两侧分别装有两个车轮（14），承台（10）两侧的车轮（14）分别置于两根轨道梁（4）上；承台（10）一端通过牵引钢丝（15）与设于平板（3）上的牵引电机（12）的转轴连接，且该牵引钢丝（15）绕在相邻U型槽轮（8）槽内；承台（10）另一端也通过牵引钢丝（15）与配重（13）连接，且牵引钢丝（15）绕在另一个U型槽轮（8）槽内；升降电机（11）设于承台（10）上，升降电机（11）的转轴上连接有升降钢丝（16），且升降钢丝（16）穿过承台（10）中心的空洞；

所述地形轮廓获取装置包括上稳定板（17）、下稳定板（18）、同步电机（19）、电子云台（20）和一字激光器（21）；其中，上稳定板（17）与下稳定板（18）形状相同，升降钢丝（16）与上稳定板（17）中心位置连接；下稳定板（18）与上稳定板（17）相互平行，下稳定板（18）与上稳定板（17）之间通过两根连杆（22）连接，两根连杆（22）相对于上稳定板（17）中心对称，下稳定板（18）中心设有一个空洞，同步电机（19）的外壳固定在下稳定板（18）中心的空洞中；同步电机（19）的转轴与电子云台（20）的基座固定连接，电子云台（20）的外壳上固定有两根水平对称的旋转杆（23），旋转杆（23）末端均安装有水准气泡器（31）；一字激光器（21）通过两颗L形螺丝（24）连接在电子云台（20）的底部，一字激光器（21）的发射口垂直向下，且一字激光器（21）发射出的激光线（25）与旋转杆（23）垂直；

所述图像采集及校正装置包括框架（26）、摄像头（27）、万向杆（28）和点激光器（29）；其中，框架（26）由四块挡板（30）首尾相连而成；框架（26）左、右两侧的挡板及底部的挡板上分别装有一个点激光器（29），且三个点激光器（29）发射的点激光（33）相互平行；框架（26）的顶部挡板与万向杆（28）的万向节固定连接，万向杆（28）的杆端与旋转杆（23）末端固定连接，且万向杆（28）与旋转杆（23）相互垂直；摄像头（27）设于框架（26）内，并通过螺丝（32）与框架（26）顶部挡板固定；

所述升降电机（11）、牵引电机（12）、同步电机（19）、电子云台（20）和摄像头（27）通过电缆与计算机（1）串口连接；所述计算机（1）、升降电机（11）、牵引电机（12）、同步电机（19）、电子云台（20）、一字激光器（21）、摄像头（27）和点激光器（29）通过电线与电源（2）连接。

2.一种使用权利要求1所述河工动床模型地形数据采集装置的进行数据采集的方法，其特征在于该方法步骤如下：

1）接通电源（2），启动计算机（1）；在计算机（1）上安装串口控制软件、摄像头控制软件和图像校正与识别软件；

2）把支架推动到河工动床模型（9）测量区域的上方，操作计算机（1）控制牵引电机（12）牵引地形的正上方；打开一字激光器（21），操作计算机（1）控制升降电机（11）调整地形轮廓获取装置距离河工动床模型（9）的高度，从而确定图像采集及校正装置数据采集区域的范围；

3）操作计算机（1）控制电子云台（20）调整旋转杆（23）水平于地面；选择一个图像采集及校正装置使用，并打开该装置上的三个点激光器（29），手动操作万向杆（28）调节摄像头（27）拍摄角度，然后测量记录三根点激光（33）之间的距离用于图像校正；操作计算机（1）打开摄像头（27）并调整摄像头（27）焦距，使激光线（25）和校正点（34）完整的显示在计算机（1）的屏幕上；

4）操作计算机（1）控制同步电机（19）和摄像头（27），同步电机（19）以一个角度增量旋转，当同步电机（19）转动一个角度增量后，摄像头（27）自动拍摄一张图像储存到计算机（1），同步电机（19）转动360°后，完成对河工动床模型（9）测量区域的图像采集；

5）操作计算机（1）使用三点法对计算机（1）储存的图像进行变形矫正，操作计算机（1）使用图像识别技术完成对校正后图像上断面曲线的提取，完成对河工动床模型（9）测量区域的数据采集。

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