CN105823418A - 一种浅水遗产摄影测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浅水遗产摄影测量装置及其测量方法，包括高背鳍鱼形体，上半部分为进水舱，进水舱顶部内置一个弹性气囊。鱼形体下半部分为设备舱，设备舱底板两斜面各安装一相机，两个相机拍摄方向与设备舱底部两斜面正交，分别向左右两侧倾斜，通过密封但透明的拍摄窗口来达到倾斜摄影、获得三维物体侧面数据的目的。鱼形体尾部为水平尾鳍和竖直尾鳍，用于在前进拍摄过程中保持鱼形体的方向安定性。鱼形体前部有高、低两个牵引钩，用于拴牵引绳，并以相同间隔拴在总缆绳上。通过总缆绳两端向前慢速拖带整套系统，并直线通过被测区域，实现水下目标拍摄。并以直角方向再次通过相同的被测区域，来拍摄目标的各个侧面，实现全景拍摄。

Description

一种浅水遗产摄影测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于水下摄影测量探测领域。

背景技术

浅水蕴含大量的人文与自然遗产，包括水下人类建筑遗址、遗迹，以及珊瑚礁、泻湖、淡水湖等自然遗产地或环境保护区，需要进行经常性的监测与保护。

水底测绘有多种方法，包括声呐、激光、水下摄影测量等。其中声呐作用距离远但精度较低，比较适合测量大面积深水区；水下摄影测量精度高、作业成本低，对光照强度有较高要求，因此适用于浅水区测量。一般来说浅水区例如泻湖，通常最大水深不超过10米，在水体清澈的情况下自然光照强度满足摄影测量要求。

摄影测量要求相机按照规则的航线前进并以稳定的自身姿态、角度拍摄，由于大型船只无法进入浅水区，目前浅水摄影测量的实施方法包括：

1.游泳的人或潜水员手持相机游泳过程中拍摄。

2.无人船或水下机器人靠动力推进并装载一个或多个相机拍摄。

3.水面船只底部装相机，拖带拍摄。

目前这三种水下摄影测量方式的问题在于：人的游泳动作影响相机连续拍摄过程中的姿态稳定。水下机器人的姿态稳定性更好，但仍存在水下航线不容易保持规整以及单次拍摄覆盖面积有限的问题，因此适合于单航线、小面积拍摄测绘；在执行大面积遗产测绘时，需要执行往返U型航线，航线之间不容易保持精确且恒定的间距，无法满足摄影测量对重叠率的严格要求。此外，由于水下机器人慢速前进拍摄，大面积拍摄耗时长，摄影测量数据的明暗变化大，数据等时性差。总之，目前绝大多数的水下机器人产品并非为摄影测量专门设计，一般仅能执行小面积特定目标的测量任务。船只安装水下相机进行摄影测量的问题主要是小船自身的安定性亦差，很容易抖晃，而稍大点的船阴影面积太大，对摄影测量的彩色数据成果外观产生严重的影响。

此外，水下自然或人文遗产地对测量精度要求高于一般的浅水地形测量。对于建筑遗址要能够看到砖石构件、装饰细节，对于珊瑚等自然物要能够看到细微的生长变化，因此摄影测量的精细度要接近厘米级。除了拍摄分辨率高以外，水下遗产测绘方法尤其应具备大起伏表面的完整测量能力，墙体立面、岩石或珊瑚的侧面也要完整获取。

发明内容

本发明的目的主要目的是：制定一套水下摄影测量方案，可以快速、高效、完整地对水深为1-10米的清澈浅水区域进行大面积三维测绘，单航线覆盖宽度可达10米以上，外业速度快而且不会出现人工拍摄或水下机器人常见的航线偏移、缺漏的问题，航线之间平行、规整、相机姿态稳定、测区无遗漏，尤其对于水下自然与人文遗产三维目标的侧表面也能无盲区拍摄。

因该种类型的设备经常需要在各地的环礁湖、泻湖等目标区域间运输，因此设备应体积小、重量轻、便于海洋、航空各种方式运输。为此，本发明提供了一种浅水遗产摄影测量装置，同时还提出了使用该装置对浅水遗产摄影测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种浅水遗产摄影测量装置，外形为带有高背鳍的鱼形体形状，包括进水舱，设置在鱼形体的上半部分；包括进水舱顶部内置的弹性气囊，以及在进水舱顶部表面设有的带盖通气管，该带盖通气管与弹性气囊相连接；包括设备舱，设置在鱼形体的下半部分；包括两台相机，分别安装在设备舱底部两侧；包括鱼形体尾部的水平尾鳍和竖直尾鳍，用于在前进拍摄过程中保持鱼形体的方向安定性；包括鱼形体前部设有的高牵引钩和低牵引钩，用于拴牵引绳。

进一步的，所述的两台相机拍摄方向与设备舱底部两斜面正交，分别向左右两侧倾斜。

进一步的，所述的设备舱底部两侧底板分别设有密封并且透明的拍摄窗口。

进一步的，所述的高牵引钩的高度位于高背鳍的一般水位线位置，低牵引钩的高度与水平尾鳍相同。

进一步的，所述的进水舱设有贯通的进水口。

进一步的，所述的设备舱内设有配重。

进一步的，所述的鱼形体外壳为透明材料。

进一步的，所述的牵引绳以相同间隔拴在总缆绳上。

一种浅水遗产摄影测量方法，步骤如下：1)将多个鱼形体通过拴在高牵引钩上的牵引绳依次固定在总缆绳上构成一行形成整套测量系统，并保持整套系统中各个鱼形体的左右间距相等，并通过调节牵引绳的长短，使得中间的鱼形体牵引绳最短，两端的牵引绳最长，使各个鱼形体在前后方向上对齐于同一水平面；

2)拖动总缆绳两端向前慢速拖带整套系统，并直线通过被测区域，相机一直处于连续拍摄状态形成第一次拍摄；

3)在单一方向通过被测区域后，以第一次拍摄成直角方向再次通过相同的被测区域，保证倾斜的相机拍摄到目标的各个侧面。

本发明的优点和有益结果是：

(a)无盲区拍摄。鱼形体底部两个斜面的设计，使相机向两侧倾斜摄影，结合东-西、南-北双向航线的设计，可获得目标各个侧立面三维数据，实现无盲区的珊瑚浅水生态区、水下遗址区等起伏表面三维测绘。

(b)相机姿态稳定。鱼形体下大上小的体型设计以及极低的重心设计，使其自身姿态安定性非常好，避免泻湖中轻微波浪或其他因素对相机姿态的干扰。此外高背鳍鱼形体使得拍摄过程中不仅人员仍可目视监控，而且相机远离水面及其可能的水藻、浮木等漂浮物，不容易受到遮挡。

(c)拍摄速度快、覆盖面积大、航带重叠率稳定，对拖带方法和拖带精度无特别要求。由于多个鱼形体(即多个相机组)在宽达数米、数十米的宽度上同步拍摄，因此该方案的外业效率很高，一次性可以覆盖大面积区域；此外各个鱼形体等距拴在总缆绳上，所以航带重叠均匀。拖带过程中鱼形体本身具有很好的方向安定性，因此对拖带动力源的要求不高，广泛适用、便于实施。本方案和以往的人员拍摄或单独水下机器人作业相比，提高航线精度的同时，效率提高数十倍。

(d)设备做到最简化，价格低、重量轻、体积小、便于运输。本方案构造极简，无附加控制电路，无需昂贵的导航与控制系统，因此购置成本低。鱼形体出水后主要重量就是相机及配重，进水舱的水都流走了，因此重量轻，运输方便。

(e)船体对测绘无影响。以往用单个船拖带水下摄影测量设备的方式会产生很多影响，例如船行驶在后部产生的水波纹会倒映在水底，而船体本身的阴影更是对成像有显著的影响。本方案将拖拽船至于测区之外，相机离开船只行驶波浪的影响范围，提高摄影测量质量。此外，鱼形体外壳透明，使得其投影面积很小，尽可能的减少自身阴影干扰。露出睡眠的背鳍流线型且细小，也不会产生明显的水波干扰。

附图说明

图1为本发明测量装置鱼形体的俯视图；

图2为本发明测量装置鱼形体的仰视图；

图3为本发明测量装置鱼形体的剖视图；

图4为本发明测量装置鱼形体的侧视图；

图5为本发明测量测量时拖带方法示意图；

图中：1.带盖通气管，2.气囊，3.高牵引钩，4.进水舱，5.进水口，6.拍摄窗口，7.设备舱，8.低牵引钩，9.相机，10.配重，11.水平尾鳍，12.竖直尾鳍，13.牵引绳，14.总缆绳，15.一般水位线。

具体实施方式

参见附图1、附图2和附图4，本发明外形为高背鳍鱼形体形状。鱼形体外壳为现有技术中任何透明材料，但应保证其整体强度。上半部分为进水舱4，进水舱4顶部内置一个弹性气囊2，在进水舱4顶部表面装有带盖的气囊通气管1，用于在正式拍摄前通过人工吹/放气调整气囊内空气量(即鱼形体的进水量和总比重)，调整鱼形体及其内部的相机9沉入水中的深度。鱼形体下半部分为可拆卸并装好后能防水密封的设备舱7，设备舱7底板两斜面各安装一相机9，两个相机9拍摄方向与设备舱7底部两斜面正交，分别向左右两侧倾斜，参见附图3本体底部示意。通过密封并且透明的拍摄窗口6来达到倾斜摄影、获得三维物体侧面数据的目的。鱼形体底部设备舱7还用于放入配重10，用于显著降低鱼形体的重心位置，获得姿态安定性。鱼形体尾部为水平尾鳍11和竖直尾鳍12，用于在前进拍摄过程中保持鱼形体的方向安定性。此外，鱼形体前部有高、低两个牵引钩，用于拴牵引绳13，牵引绳13长短不一，但以相同间隔拴在总缆绳14上。高牵引钩3的高度大致位于背鳍的一般水位线15位置，低牵引钩8的高度与水平尾鳍11相同。

使用本发明可以进行水下全景拍摄测量，其方法是：

首先根据所在水体的浮力大小，通过吹气调整进水舱4气囊2的空气量多寡，使得鱼形体处在适宜的浸水深度，一般来说符合图4中给出的一般水位线15位置，保持少量背鳍露出水面有助于在前进拍摄过程中人员目视监看鱼形体位置和姿态。向气囊2内吹气时，随着气囊2的膨胀，进水舱4内水从进水舱4上设有的进水口5向外排出，使鱼形体浮力增大。当将气囊2内的空气抽出时，随着气囊2的缩小，水从进水口5进入进水舱4内，使鱼形体浮力减小，以此来控制鱼形体深入水中的位置。

之后根据水深、镜头视野大小、拍摄重叠率要求，将多个鱼形体通过拴在高牵引钩3上的牵引绳13依次固定在总缆绳14上构成一行，并保持各个鱼形体的左右间距基本相等，并通过调节牵引绳13的长短，使得中间的鱼形体牵引绳最短，两端的牵引绳最长，各个鱼形体在前后方向上基本对齐于同一起跑线，不至于前后位置差别太大。

全部安装完毕之后，打开相机的连续拍摄功能。本发明打开方式不限，大部分可水下拍摄的相机自带遥控器，不需重新打开设备舱7即可隔着鱼形体外壳遥控相机9操作。

使用两个船只从总缆绳14两端向前慢速拖带整套系统，并直线通过被测区域，由于鱼形体水平尾鳍11和竖直尾鳍12的方向稳定作用，鱼形体会始终与前进方向保持一致。相机一直处于连续拍摄状态，因此可以在此过程中拍下目标区域。本发明拖带动力类型不限，各种船只均可。

在单一方向通过被测区域后，还应该以直角方向再次通过相同的被测区域(例如第一次是南北向通过，第二次东西向通过)，这样保证倾斜的相机9拍摄到了目标的各个侧面。

对于较大的水深，可能需要相机在更深的位置拍摄以提高成像质量。此时可以进一步减少气囊的充气量，使得鱼形体的总比重与所在水体相同，并将总缆绳系于船身更低的位置，牵引绳从高牵引钩换为系在低牵引钩上，这样鱼形体就在水下持续前进拍摄，过程中水平尾鳍产生的安定力可以保持其与拖带高度基本保持一致。

Claims (9)

1.一种浅水遗产摄影测量装置，外形为带有高背鳍的鱼形体形状，其特征是：包括进水舱(4)，设置在鱼形体的上半部分；

包括进水舱(4)顶部内置的弹性气囊(2)，以及在进水舱(4)顶部表面设有的带盖通气管(1)，该带盖通气管(1)与弹性气囊(2)相连接；

包括设备舱(7)，设置在鱼形体的下半部分；

包括两台相机(9)，分别安装在设备舱(7)底部两侧；

包括鱼形体尾部的水平尾鳍(11)和竖直尾鳍(12)，用于在前进拍摄过程中保持鱼形体的方向安定性；

包括鱼形体前部设有的高牵引钩(3)和低牵引钩(8)，用于拴牵引绳(13)。

2.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的两台相机(9)拍摄方向与设备舱(7)底部两斜面正交，分别向左右两侧倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的设备舱7底部两侧底板分别设有密封并且透明的拍摄窗口(6)。

4.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的高牵引钩(3)的高度位于高背鳍的一般水位线(15)位置，低牵引钩(8)的高度与水平尾鳍(11)相同。

5.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的进水舱(4)设有贯通的进水口(5)。

6.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的设备舱(7)内设有配重(10)。

7.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的鱼形体外壳为透明材料。

8.根据权利要求1所述的浅水遗产摄影测量装置，其特征是：所述的牵引绳(13)以相同间隔拴在总缆绳(14)上。

9.一种浅水遗产摄影测量方法，包括权利要求1所述的鱼形体测量装置，其特征是：

1)将多个鱼形体通过拴在高牵引钩(3)的牵引绳(13)依次固定在总缆绳(14)上构成一行形成整套测量系统，并保持整套系统中各个鱼形体的左右间距相等，并通过调节牵引绳(13)的长短，使得中间的鱼形体牵引绳最短，两端的牵引绳最长，使各个鱼形体在前后方向上对齐于同一水平面；

2)拖动总缆绳(14)两端向前慢速拖带整套系统，并直线通过被测区域，相机一直处于连续拍摄状态形成第一次拍摄；

3)在单一方向通过被测区域后，以第一次拍摄成直角方向再次通过相同的被测区域，保证倾斜的相机(9)拍摄到目标的各个侧面。