CN109709574A - 一种海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法，所述系统包括坐底平台、移动平台、摄像机、激光器、电机舱、驱动舱、控制舱和上位机交互系统；上位机交互系统通过传输机构与电机舱、驱动舱和控制舱连接，用于输送电能、发送控制指令、获取摄像机拍摄的图像以及根据图像绘制海底三维地形图。本发明通过在海底设置用于拍摄海底激光条纹图像的摄像机以及带动和承载摄像机、激光器运动的坐底平台、移动平台等，实现了对海底一定范围内的激光图像扫描，同时根据拍摄的图像能够还原出海底三维地形，实现对海底的探测。

Description

一种海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法

技术领域

本发明涉及海底测绘技术领域，特别是涉及一种海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法。

背景技术

海底精细化微地形测量在海底资源勘探开发、海底目标探测、海底工程勘察与监测、海底科学研究等领域具有重要应用。比如，开采海底富钴结壳时，必须详细掌握海底钴结壳矿藏的赋存特性，以便确定最佳开采参数，准确获取海底微地形表面高程数据是建立最佳切削深度的主要参数之一；海底粗糙度是海底声散射模型研究的重要基础输入参数，海底微地形测量可以获得海底微地形表面三维高程数据，进而求取海底粗糙度特性参数。另外，海底精细微地形测量技术可以用于海底沉船、海底废弃武器等海底目标物的探测；海底输油管道因受冲刷而产生悬空断裂的现象以及发生海洋石油泄漏的危害，海底精细微地形测量技术可以用于海底悬空管道的监测，为悬空管道防护提供技术支撑。目前，海底地形测量主要采用单波束、多波束和侧扫声呐等声学测量技术，测量分辨率一般为米级或亚米级，深水多波束的分辨率一般为几十米，难以达到上述应用所要求的测量分辨率。水下激光扫描测量技术具有毫米级的分辨率，能够更好地满足海底探测和研究对精细化海底微地形测量的要求。目前，本领域尚未开发出用于海底微地形激光三维扫描成像的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法，以实现海底微地形和表面粗糙度的精细化三维扫描测量，以及海底三维地形的重建。

为实现上述目的，本发明提供了一种海底微地形激光扫描成像系统，所述系统包括：

坐底平台，用于承载移动平台、电机舱、驱动舱、控制舱，并根据所述坐底平台的尺寸设定水下的待扫描区域；

移动平台，通过传动机构可移动的设置于所述坐底平台上，所述移动平台上设有摄像机和激光器，所述激光器用于向海底发射激光，所述摄像机用于按照设定频率对所述激光照射在海底的激光条纹拍摄图像；

电机舱，设于所述坐底平台上，与所述传动机构连接，用于带动所述传动机构在所述坐底平台上运动；

驱动舱，设于所述坐底平台上，与所述电机舱连接，用于对所述电机舱进行伺服控制；

控制舱，设于所述坐底平台上，分别与所述驱动舱、所述激光器和所述摄像机连接，用于控制所述驱动舱对所述电机舱进行伺服控制，控制所述激光器和所述摄像机的工作过程，以及获取与传输数据；以及

上位机交互系统，设于水上的科考船内，通过传输机构与所述电机舱、所述驱动舱和所述控制舱连接，用于输送电能、发送控制指令、获取所述摄像机拍摄的图像以及根据所述图像绘制海底三维地形图。

可选的，所述传动机构包括设于所述坐底平台一端的同步带轮、设于所述同步带轮与所述电机舱之间的同步带、设于所述坐底平台两端之间的两条导向滑轨以及滑动设于所述导向滑轨上的导向滚轮，所述导向滚轮设于所述移动平台底部，带动所述移动平台沿所述导向滑轨移动。

可选的，所述移动平台设有与所述同步带固定连接的连接件，所述同步带通过所述连接件控制所述移动平台的运动速度。

可选的，所述坐底平台包括一矩形的顶框和分别设于所述顶框的四角下表面的支脚。

可选的，所述控制舱、所述驱动舱和所述电机舱安装于所述坐底平台的同一侧的侧面。

可选的，所述摄像机与所述激光器可调节角度地设置于所述移动平台上，以调节所述摄像机的摄像方向与所述激光器的发射方向的夹角。

本发明还提供了一种海底三维地形重建方法，所述方法包括

获取激光照射在海底的激光条纹图像；

利用激光条纹提取算法提取所述激光条纹图像中的中心激光线；

提取所述中心激光线上的激光点；

利用三角测距算法计算所述激光点在地球坐标系内的三维坐标；

根据所述三维坐标绘制海底三维地形图。

可选的，所述激光条纹图像由上述的海底微地形激光扫描成像系统中的摄像机拍摄获得，所述方法在所述的海底微地形激光扫描成像系统中的上位机交互系统中执行。

可选的，所述利用激光条纹提取算法提取所述激光条纹图像中的中心激光线，具体包括：

根据预设RGB通道阈值对所述激光条纹图像进行二值化处理，得到二值化图像；

利用形态学降噪法去除所述二值化图像的噪声，得到去噪图像；

利用质心法提取所述去噪图像中选定区域内的中心激光线。

可选的，所述利用三角测距算法计算所述激光点在地球坐标系内的三维坐标，具体包括：

建立摄像机三维坐标系，所述摄像机坐标系为以所述摄像机的位置为坐标原点，所述摄像机的物理成像平面位于所述摄像机的摄像中心后，激光器照射在三维物体上构成的激光平面位于所述摄像中心前，所述物理成像平面和所述激光平面在所述摄像机三维坐标系内，所述摄像机拍摄的激光条纹图像为所述物理成像平面；

利用最小二乘法计算所述激光平面的平面方程；

根据所述激光点与归一化平面内的归一坐标点确定有所述激光点与待计算三维坐标点构成的直线方程，所述在地球坐标系内的三维坐标为位于所述摄像中心前距离所述摄像中心一个单位焦距的平面，所述归一化平面的归一坐标点已知，所述激光点的坐标已知；

根据所述激光平面的平面方程、所述直线方程和所述激光点的坐标计算待计算三维坐标点在所述摄像机三维坐标系内的坐标；

根据所述摄像机三维坐标系与所述地球坐标系的转换关系，确定所述激光点在地球坐标系内的三维坐标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的海底微地形激光扫描成像系统及三维地形重建方法通过在海底设置用于拍摄海底激光条纹图像的摄像机以及带动和承载摄像机、激光器运动的坐底平台、移动平台等，实现了对海底一定范围内的激光图像扫描，同时根据拍摄的图像能够还原出精细的海底三维地形图，实现对海底的探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的海底微地形激光扫描成像系统的总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的海底微地形激光扫描成像系统中水下部分的立体图；

图3为本发明实施例提供的海底微地形激光扫描成像系统中水下部分的主视图；

图4为本发明实施例提供的海底微地形激光扫描成像系统中移动平台结构放大图；

图5为本发明实施例提供的海底三维地形重建方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本实施例提供的海底微地形激光扫描成像系统包括：

坐底平台1，用于承载移动平台、电机舱、驱动舱、控制舱，并根据坐底平台的尺寸设定水下的待扫描区域。如图2所示，本实施例提供的坐底平台1包括一矩形的顶框1-1和分别设于所述顶框1-1的四角下表面的支脚1-2。坐底平台1主要用于承载摄像机7和激光器8，并能够通过其他设备实现摄像机7和激光器8移动，实现一定区域内的激光条纹图像的采集。实际应用中，坐底平台1的尺寸越大，扫描成像系统可扫描测量的范围越大，但是受到海上布放回收能力以及坐底平台1整体刚度的限制，其尺寸必须控制在一定的范围内，因此该系统设计的扫描范围为长3.0m，宽1.0m的区域，即四个支脚1-2所围成的矩形区域的长为3.0m，宽为1.0m，或略大于该尺寸也能实现上述扫面范围。当然还可以是其他尺寸的坐底平台1以实现其他扫描范围的海底扫描探测。

移动平台6，通过传动机构5可移动的设置于所述坐底平台1上，所述移动平台6上设有摄像机7和激光器8，所述激光器8用于向海底发射激光，所述摄像机7用于按照设定频率对所述激光照射在海底的激光条纹拍摄图像。

其中，如图2和4所示，所述传动机构5包括设于所述坐底平台1一端的同步带轮5-1、设于所述同步带轮5-1与所述电机舱4之间的同步带5-2、设于所述坐底平台1两端之间的两条导向滑轨5-3以及滑动设于所述导向滑轨5-3上的导向滚轮5-4，所述导向滚轮5-4设于所述移动平台6底部，带动所述移动平台6沿所述导向滑轨5-3移动。作为一种可选的实施方式，所述移动平台6设于有与所述同步带5-2固定连接的连接件，所述同步带5-2通过所述连接件控制所述移动平台6的运动速度。

所述摄像机7与所述激光器8可调节角度的设置于所述移动平台6上，以调节所述摄像机7的摄像方向与所述激光器8的发射方向的夹角。摄像机7、激光器8均安装在移动平台6上，两者之间的距离为700mm，摄像机7的摄像方向为垂直向下，激光器8的发射方向与摄像机7的摄像方向的夹角可以根据需要调节，该角度通常为45度。摄像机7采用水下用的高速摄像机，其像素不小于2560×1600，帧率为每秒10帧，可以满足扫描精度对摄像像素和速度的要求。摄像机7按每秒不小于10次的速度拍摄激光照射在海底表面的激光条纹图像。

电机舱4，设于所述坐底平台1上，与所述传动机构5连接，用于带动所述传动机构5在所述坐底平台1上运动。

驱动舱3，设于所述坐底平台1上，与所述电机舱4连接，用于对所述电机舱4进行伺服控制。

控制舱2，设于所述坐底平台1上，分别与所述驱动舱3、所述激光器7和所述摄像机8连接，用于控制所述驱动舱3对所述电机舱4进行伺服控制，控制所述激光器7和所述摄像机8的工作过程，以及获取与传输数据。

在本实施例中，如图2所示，所述控制舱2、所述驱动舱3和所述电机舱4安装于所述坐底平台1的同一侧的侧面，以保证移动平台6上的摄像机7和激光器8具有较大的运动范围，从而增加测量区域面积。所述控制舱2和所述驱动舱3为电机舱4提供伺服控制指令，通过控制传动激机构5的运动实现移动平台6的运动速度的精确控制，本实施例中将移动平台6的运动速度控制为0.5-1.5m/min，高精度的运动控制保证了水下高速摄像机获取激光条纹的均匀性，从而可以获得高精度的海底微地形和表面粗糙度图像以及其三维坐标数据。

上位机交互系统9，设于水上的科考船内，通过传输机构10与所述电机舱4、所述驱动舱3和所述控制舱2连接，用于输送电能、发送控制指令、获取所述摄像机7拍摄的图像以及根据所述图像绘制海底三维地形图。坐底平台1由科考船的电缆绞车布放到海底；上位机交互系统9对移动平台6、摄像机7、激光器8进行控制并监控其工作状态以及摄像机7获得的高速图像数据。其中通信机构可以是光电复合缆，以实现电源供给、实时控制和图像传输。

本实施例还提供了一种海底三维地形重建方法，该方法应用于上述的海底微地形激光扫描成像系统，所述方法在所述的海底微地形激光扫描成像系统中的上位机交互系统中执行，如图5所示，所述方法包括

步骤501：获取激光照射在海底的激光条纹图像；所述激光条纹图像由上述的海底微地形激光扫描成像系统中的摄像机拍摄获得。

步骤502：利用激光条纹提取算法提取所述激光条纹图像中的中心激光线。

该步骤502具体包括：

根据预设RGB通道阈值对所述激光条纹图像进行二值化处理，得到二值化图像；

利用形态学降噪法去除所述二值化图像的噪声，得到去噪图像；

利用质心法提取所述去噪图像中选定区域内的中心激光线。

步骤503：提取所述中心激光线上的激光点。

步骤504：利用三角测距算法计算所述激光点在地球坐标系内的三维坐标。

该步骤504具体包括：

建立摄像机三维坐标系，所述摄像机坐标系为以所述摄像机的位置为坐标原点，所述摄像机的物理成像平面位于所述摄像机的摄像中心后，激光器照射在三维物体上构成的激光平面位于所述摄像中心前，所述物理成像平面和所述激光平面在所述摄像机三维坐标系内，所述摄像机拍摄的激光条纹图像为所述物理成像平面；

利用最小二乘法计算所述激光平面的平面方程；

根据所述激光点与归一化平面内的归一坐标点确定有所述激光点与待计算三维坐标点构成的直线方程，所述在地球坐标系内的三维坐标为位于所述摄像中心前距离所述摄像中心一个单位焦距的平面，所述归一化平面的归一坐标点已知，所述激光点的坐标已知；

根据所述激光平面的平面方程、所述直线方程和所述激光点的坐标计算待计算三维坐标点在所述摄像机三维坐标系内的坐标；

根据所述摄像机三维坐标系与所述地球坐标系的转换关系，确定所述激光点在地球坐标系内的三维坐标。

步骤505：根据所述三维坐标绘制海底三维地形图。

本海底微地形激光扫描成像系统应用在海底微地形和海底表面粗糙度的精细化三维扫描测量领域，由科考船将其运载到计划测量海域，利用现有深海科考航次调查数据资料，分析试验海区地形、水文等环境调查资料，获取试验海区区域地形地貌图，海区温度、盐度和深度关系数据，近海底的水流速度，为扫描成像系统作业提供所需的环境参数，并确定最终的作业地点。

本海底微地形激光扫描成像系统在工作时，其上位机交互系统9放置于科考船上，坐底平台1由科考船的电缆绞车布放到海底；上位机交互系统9通过传输机构10与坐底平台1上的控制舱2、驱动舱3连接，并对移动平台6、摄像机7、激光器8进行控制并监控其工作状态以及摄像机7获得的高速图像数据。

本海底微地形激光扫描成像系统在入水工作之前，需要进行参数标定，主要包括摄像机内部参数和激光平面方程的标定、摄像机水下折射模型参数的标定。

其中，摄像机内部参数和激光平面方程的标定具体为：

在空气中，将棋盘格标定板置于摄像机视野内，并使激光线照射在棋盘格标定板上，控制摄像机拍摄图像；

通过移动和旋转改变棋盘格标定板的位置，重复该步骤不低于二十次；

使用张正友标定法计算摄像机的内部参数以及每幅图像中棋盘格标定板的外部参数，外部参数包括摄像机和棋盘格标定板的相对平移和旋转数值；

使用激光条纹提取算法提取图像中的中心激光线；

结合摄像机内部参数和棋盘格标定板的外部参数，计算中心激光线各点在摄像机坐标系下的坐标，该坐标为具有位置和高度信息的坐标，后续用于计算海底三维地形；

针对所有图像中得到的中心激光线的点，使用最小二乘法计算激光平面在摄像机坐标系下的平面方程。

摄像机水下折射模型参数的标定具体为：

将棋盘格标定板固定在摄像机视野内的下方，在空气中和水中各拍摄一幅图像；

自动提取的棋盘格角点，根据两幅图像中对应角点位置的改变，计算相机中心到摄像机的密封舱玻璃外侧的距离，该距离作为折射模型的参数，对激光三角测距算法进行折射矫正，获得更为精确的重建结果。

下面介绍本海底微地形激光扫描成像系统的工作过程：

(1)对本扫描成像系统进行甲板调试，确定其通讯、电力、传动系统5、摄像机7、激光器8运行正常；

(2)对本扫描成像系统进行标定，以校正其测量误差；

(3)由科考船的电缆绞车将坐底平台1布放到待测海底；

(4)对扫描成像系统进行水下调试，确定其通讯、电力、传动系统5、摄像机7、激光器8运行正常；

(5)运行传动系统5，保证移动平台6处于坐底平台1的起点位置；

(6)启动自动扫描测量程序，此时移动平台6向坐底平台1尾端做匀速直线运动，同时激光器8向海底发射激光，摄像机7以设定频率对激光条纹进行拍照；

(7)拍照数据通过传输机构10存储到上位机交互系统9中；

(8)移动平台6运动到坐底平台1尾端时，完成一个扫描周期；

(9)由科考船的电缆绞车将坐底平台1移动到下一个测量区域；

(10)重复(5)-(8)的操作步骤；

(11)水下扫描测量结束后，由科考船的电缆绞车将坐底平台1回收到甲板；

(12)在上位机交互系统9中，由上位机交互系统9处理所得数据，计算扫描区域的三维坐标，并绘制其点云图。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述系统包括：

坐底平台，用于承载移动平台、电机舱、驱动舱和控制舱，并根据坐底平台的尺寸设定水下的待扫描区域；

移动平台，通过传动机构可移动的设置于所述坐底平台上，所述移动平台上设有摄像机和激光器，所述激光器用于向海底发射激光，所述摄像机用于按照设定频率对所述激光照射在海底的激光条纹拍摄图像；

电机舱，设于所述坐底平台上，与所述传动机构连接，用于带动所述传动机构在所述坐底平台上运动；

驱动舱，设于所述坐底平台上，与所述电机舱连接，用于对所述电机舱进行伺服控制；

控制舱，设于所述坐底平台上，分别与所述驱动舱、所述激光器和所述摄像机连接，用于控制所述驱动舱对所述电机舱进行伺服控制，控制所述激光器和所述摄像机的工作过程，以及获取与传输数据；以及

上位机交互系统，设于水上的科考船内，通过传输机构与所述电机舱、所述驱动舱和所述控制舱连接，用于输送电能、发送控制指令、获取所述摄像机拍摄的图像以及根据所述图像绘制海底三维地形图。

2.根据权利要求1所述的海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述传动机构包括设于所述坐底平台一端的同步带轮、设于所述同步带轮与所述电机舱之间的同步带、设于所述坐底平台两端之间的两条导向滑轨以及滑动设于所述导向滑轨上的导向滚轮，所述导向滚轮设于所述移动平台底部，带动所述移动平台沿所述导向滑轨移动。

3.根据权利要求2所述的海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述移动平台设有与所述同步带固定连接的连接件，所述同步带通过所述连接件控制所述移动平台的运动速度。

4.根据权利要求1所述的海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述坐底平台包括一矩形的顶框和分别设于所述顶框的四角下表面的支脚。

5.根据权利要求1所述的海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述控制舱、所述驱动舱和所述电机舱安装于所述坐底平台的同一侧的侧面。

6.根据权利要求1所述的海底微地形激光扫描成像系统，其特征在于，所述摄像机与所述激光器可调节角度地设置于所述移动平台上，以调节所述摄像机的摄像方向与所述激光器的发射方向的夹角。

7.一种海底三维地形重建方法，其特征在于，所述方法包括

获取激光照射在海底的激光条纹图像；

利用激光条纹提取算法提取所述激光条纹图像中的中心激光线；

提取所述中心激光线上的激光点；

利用三角测距算法计算所述激光点在地球坐标系内的三维坐标；

根据所述三维坐标绘制海底三维地形图。

8.根据权利要求7所述的海底三维地形重建方法，其特征在于，所述激光条纹图像由权利要求1-6任一项所述的海底微地形激光扫描成像系统中的摄像机拍摄获得，所述方法在所述的海底微地形激光扫描成像系统中的上位机交互系统中执行。

9.根据权利要求7所述的海底三维地形重建方法，其特征在于，所述利用激光条纹提取算法提取所述激光条纹图像中的中心激光线，具体包括：

根据预设RGB通道阈值对所述激光条纹图像进行二值化处理，得到二值化图像；

利用形态学降噪法去除所述二值化图像的噪声，得到去噪图像；

利用质心法提取所述去噪图像中选定区域内的中心激光线。

10.根据权利要求7所述的海底三维地形重建方法，其特征在于，所述利用三角测距算法计算所述激光点在地球坐标系内的三维坐标，具体包括：

建立摄像机三维坐标系，所述摄像机坐标系为以所述摄像机的位置为坐标原点，所述摄像机的物理成像平面位于所述摄像机的摄像中心后，激光器照射在三维物体上构成的激光平面位于所述摄像中心前，所述物理成像平面和所述激光平面在所述摄像机三维坐标系内，所述摄像机拍摄的激光条纹图像为所述物理成像平面；

利用最小二乘法计算所述激光平面的平面方程；

根据所述激光点与归一化平面内的归一坐标点确定有所述激光点与待计算三维坐标点构成的直线方程，所述在地球坐标系内的三维坐标为位于所述摄像中心前距离所述摄像中心一个单位焦距的平面，所述归一化平面的归一坐标点已知，所述激光点的坐标已知；

根据所述激光平面的平面方程、所述直线方程和所述激光点的坐标计算待计算三维坐标点在所述摄像机三维坐标系内的坐标；

根据所述摄像机三维坐标系与所述地球坐标系的转换关系，确定所述激光点在地球坐标系内的三维坐标。