CN116952943B

CN116952943B - 一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统

Info

Publication number: CN116952943B
Application number: CN202311207034.3A
Authority: CN
Inventors: 王梓默; 林士杰; 何怀江; 张大伟; 朱红波; 杨帆; 包广道; 张忠辉; 杨雨春; 罗也; 刘婷; 李岩; 于忠亮; 韩姣; 包颖
Original assignee: Jilin Academy Of Forestry Sciences Jilin Forestry Biological Control Center Station
Current assignee: Jilin Academy Of Forestry Sciences Jilin Forestry Biological Control Center Station
Priority date: 2023-09-19
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2043-09-19
Also published as: CN116952943A

Abstract

本发明属于测量领域，公开了一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，包括移动装置、拍摄装置、控制装置、通信装置、建模装置和测量装置；移动装置包括能够带动拍摄装置在水平方向进行移动的二维移动平台；控制装置用于计算拍摄装置的拍摄坐标的集合，并基于拍摄坐标的集合对二维移动平台进行控制，使得二维移动平台将拍摄装置移动至拍摄坐标；拍摄装置用于在拍摄坐标获取林地的坡面的坡面图像；通信装置用于将坡面图像发送至建模装置；建模装置用于基于通信装置发送过来的坡面图像对林地的坡面进行三维建模，获得三维模型；测量装置用于基于三维模型计算林地的坡面的侵蚀沟的体积。本发明能够对存在树林的坡面的土壤侵蚀情况进行测量。

Description

一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统。

背景技术

倾斜摄影通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的被测量物体的顶部细节及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成被测量物体真实的三维模型。

现有技术中，通过倾斜摄影技术对坡面进行建模以测量土壤侵蚀程度时，通常都是利用无人机技术来获取用于建模的图像，但是，这种技术用于对存在树林的坡面进行测量时，会由于树叶的遮挡导致无法获得侵蚀沟的图像，从而导致无法通过实现存在树林的坡面的土壤的侵蚀程度的测量。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，解决如何对存在树林的坡面进行土壤侵蚀程度的测量的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，包括移动装置、拍摄装置、控制装置、通信装置、建模装置和测量装置；

移动装置包括二维移动平台；二维移动平台能够带动拍摄装置在水平方向进行移动；

控制装置用于计算拍摄装置的拍摄坐标的集合，并基于拍摄坐标的集合对二维移动平台进行控制，使得二维移动平台将拍摄装置移动至拍摄坐标；

拍摄装置用于在拍摄坐标获取林地的坡面的坡面图像；

通信装置用于将拍摄装置在所有的拍摄坐标中拍摄得到的坡面图像发送至建模装置；

建模装置用于基于通信装置发送过来的坡面图像对林地的坡面进行三维建模，获得三维模型；

测量装置用于基于三维模型计算林地的坡面的侵蚀沟的体积。

可选的，移动装置还包括支撑组件；

支撑组件用于将二维移动平台水平固定在林地的坡面。

可选的，支撑组件包括四根竖杆；

四根竖杆的顶部的海拔高度相同，竖杆的顶部与二维移动平台的底部连接。

可选的，二维移动平台包括x轴方向移动设备和y轴方向移动设备；

x轴方向移动设备用于带动拍摄装置在x轴方向进行移动；y轴方向移动设备用于带动拍摄装置在y轴方向进行移动。

可选的，坡面图像包括前视图像、后视图像、下视图像、左视图像和右视图像；

拍摄装置包括前视摄像头、后视摄像头、下视摄像头、左视摄像头和右视摄像头；

前视摄像头、后视摄像头、下视摄像头、左视摄像头、右视摄像头分别用于拍摄前视图像、后视图像、下视图像、左视图像和右视图像。

可选的，控制装置包括降雨量传感器和计算模块；

降雨量传感器用于获取林地的坡面的降雨量；

计算模块用于基于降雨量计算拍摄装置的拍摄坐标的集合。

可选的，获取林地的坡面的降雨量，包括：

采用预设的测量间隔获取林地的坡面的降雨量。

可选的，基于降雨量计算拍摄装置的拍摄坐标的集合，包括：

采用自适应的计算周期计算拍摄坐标的集合；

每次计算拍摄坐标的集合的过程包括：

用表示开始计算拍摄坐标的时刻；

将获取时刻在时间区间范围内的降雨量保存到集合/>，/>表示设定的时长；

计算中的降雨量的总和/>；

基于计算x轴方向的坐标间隔/>和y轴方向的坐标间隔/>；

基于和/>将二维移动平台的底部所对应的平面分为多个面积为的矩形；

将每个矩形的中心的坐标作为拍摄坐标，将所有拍摄坐标保存到拍摄坐标的集合。

可选的，计算中的降雨量的总和/>，包括：

使用如下函数计算：

；/>表示/>中的降雨量i的值。

可选的，基于三维模型计算林地的坡面的侵蚀沟的体积，包括：

对三维模型进行识别，获取三维模型中的侵蚀沟的三维坐标；

基于侵蚀沟的三维坐标计算侵蚀沟的体积。

与现有技术相比，本发明通过在靠近林地的坡面设置拍摄装置来获取坡面图像，然后基于坡面图像建立三维模型，最后基于三维模型来计算侵蚀沟的体积，从而获得林地坡面的侵蚀程度。由于并不是在空中对坡面进行拍摄，因此，能够有效地对存在树林的坡面的土壤侵蚀情况进行测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统的一种示意图。

图2为支撑组件与二维移动平台之间的连接关系的一种示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，包括移动装置100、拍摄装置200、控制装置、通信装置、建模装置和测量装置；

移动装置100包括二维移动平台；二维移动平台能够带动拍摄装置200在水平方向进行移动；

控制装置用于计算拍摄装置200的拍摄坐标的集合，并基于拍摄坐标的集合对二维移动平台进行控制，使得二维移动平台将拍摄装置200移动至拍摄坐标；

拍摄装置200用于在拍摄坐标获取林地400的坡面的坡面图像；

通信装置用于将拍摄装置200在所有的拍摄坐标中拍摄得到的坡面图像发送至建模装置；

建模装置用于基于通信装置发送过来的坡面图像对林地400的坡面进行三维建模，获得三维模型；

测量装置用于基于三维模型计算林地400的坡面的侵蚀沟的体积。

本发明通过在靠近林地400的坡面设置拍摄装置200来获取坡面图像，然后基于坡面图像建立三维模型，最后基于三维模型来计算侵蚀沟的体积，从而获得林地400坡面的侵蚀程度。由于并不是在空中对坡面进行拍摄，因此，能够有效地对存在树林的坡面的土壤侵蚀情况进行测量。

具体的，水平方向包括x轴方向和y轴方向，二维移动平台（又叫xy轴移动平台）能够提供x轴方向和y轴方向上的移动。

可选的，通信装置可以通过移动通信网络、卫星通信网络等无线通信网络将坡面图像发送至建模装置。

可选的，还包括蓄电池，蓄电池用于为移动装置100、拍摄装置200、控制装置、通信装置进行供电。

可选的，移动装置100还包括支撑组件；

支撑组件用于将二维移动平台水平固定在林地400的坡面。

具体的，二维移动平台为矩形的平台，支撑组件与二维移动平台的底部边缘连接，从而将二维移动平台水平固定在林地400的坡面上。

可选的，如图2所示，支撑组件包括四根竖杆300；

四根竖杆300的顶部的海拔高度相同，竖杆300的顶部与二维移动平台的底部连接。

图2中是从林地400的侧面方向观察所得到的图像，有两根竖杆300被遮挡。

具体的，四根竖杆300的顶部分别与二维移动平台的底部的四个顶点连接。

竖杆300的长度应当满足至少有五份之四的长度被埋入地下，从而能够确保二维移动平台的稳定。

具体的，安装支撑组件的安装位置应当选择已经出现了较小的侵蚀沟的位置。

x轴方向移动设备用于带动拍摄装置200在x轴方向进行移动；y轴方向移动设备用于带动拍摄装置200在y轴方向进行移动。

在一种实施方式中，x轴方向移动设备与二维移动平台的边缘连接，从而能够与二维移动平台的边缘在x轴方向发生相对位移，

y轴方向移动设备与x轴方向移动设备滑动连接，从而能够实现y轴方向的移动。

在另一种实施方式中，y轴方向移动设备与二维移动平台的边缘连接，从而能够与二维移动平台的边缘在y轴方向发生相对位移，

x轴方向移动设备与y轴方向移动设备滑动连接，从而能够实现x轴方向的移动。

例如，在图1中，连接拍摄装置200与移动装置100之间的横杆可以是x轴方向移动设备或y轴方向移动设备的组成部分。

具体的，x轴方向移动设备或y轴方向移动设备通过齿轮与二维移动平台的边缘连接。

x轴方向移动设备和y轴方向移动设备之间进行连接时，也可以通过齿轮进行连接。

例如，x轴方向移动设备包括了一根沿着y轴方向设置的横杆，y轴方向移动设备通过齿轮与横杆滑动连接，从而能够在横杆上进行移动，从而实现y轴方向上的移动。

具体的，x轴的具体方向可以自由进行设置，例如，可以将正北方向作为x轴的正方向，此时，y轴的正方向则是正东方向。

拍摄装置200包括前视摄像头、后视摄像头、下视摄像头、左视摄像头和右视摄像头；

具体的，前视摄像头和后视摄像头位于同一条直线上，左视摄像头与右视摄像头位于同一条直线上，两条直线的交点就是下视摄像头的位置。

可选的，控制装置包括降雨量传感器和计算模块；

降雨量传感器用于获取林地400的坡面的降雨量；

计算模块用于基于降雨量计算拍摄装置200的拍摄坐标的集合。

具体的，降雨量传感器可以是采用红外测量的方式进行雨量测量的传感器。

可选的，获取林地400的坡面的降雨量，包括：

采用预设的测量间隔获取林地400的坡面的降雨量。

预设的测量间隔可以是1小时，一天等。

可选的，每次测量降雨量时，将1分钟内的降雨量的和作为最终得到的降雨量。

可选的，基于降雨量计算拍摄装置200的拍摄坐标的集合，包括：

采用自适应的计算周期计算拍摄坐标的集合；

每次计算拍摄坐标的集合的过程包括：

用表示开始计算拍摄坐标的时刻；

计算中的降雨量的总和/>；

基于计算x轴方向的坐标间隔/>和y轴方向的坐标间隔/>；

具体的，本发明的拍摄坐标的集合并不是采用相同的时间间隔来进行计算的，而是采用了自适应的计算周期，这样，能够在及时实现对侵蚀量的监测的同时，避免移动装置100和拍摄装置200过于频繁地进行工作，从而能够提高移动装置100、控制装置、拍摄装置200、通信装置的工作寿命。因为这4个装置是设置在林地400的坡面上的，而林地400上一般比较难直接进行供电，都需要采用蓄电池来进行供电，因此，本发明能够节约对林地400的坡面进行侵蚀程度测量过程中的电量消耗速度。

具体的，的取值可以是一天，1周，一个月等。本发明中的时刻可以是以秒为单位。

相邻的两个计算周期是连续的，例如，第1个计算周期的结束时刻也是第2个计算周期的开始时刻，第2个计算周期的结束时刻也是第3个计算周期的开始时刻。每个计算周期结束后，便开始计算下一个计算周期，因此，为前一个计算周期的结束时刻。

可选的，自适应的计算周期的确定过程包括：

第一个计算周期和第二个计算周期为设定的数值；

从第3个计算周期开始，第z个计算周期的计算公式如下，z大于等于3：

表示第z-1个计算周期，/>表示符号系数，

，

表示获取时刻在第z-1个计算周期所对应的时间区间内的降雨量的总和，/>表示获取时刻在第z-2个计算周期所对应的时间区间内的降雨量的总和，/>和/>分别表示设定的计算周期的最大值和最小值，/>表示范围判断系数，

表示设定的基本变化周期，/>表示设定的降雨量。

具体的，自适应的计算周期通过对比前两个计算周期内的降雨量的总和之间的关系得到，当符号系数为1时，表示降雨量呈现增加的趋势，此时，本发明会在的基础上减少/>的取值，而减少的程度与两个计算周期内的降雨量之间相差的程度相关，相差的程度越大，则减少的程度越大，相差的程度越小，则减少的程度越小；而当符号系数为-1时，表示降雨量呈现减少的趋势，此时，本发明会在/>的基础上增大/>的取值，而增大的程度与两个计算周期内的降雨量之间相差的程度相关，相差的程度越大，则增大的程度越大，相差的程度越小，则增大的程度越小，从而实现了计算周期的自适应跟随变化。这种变化的好处是，能够及时且有效地测量到林地400的坡面的变化情况，而且能够降低相应的装置获取坡面图像没有使用价值的概率，另外，还能够在降雨量比较少时，延长相邻两次获取坡面图像之间的时间差，从而减少移动装置100、控制装置、拍摄装置200、通信装置的损耗，实现提高移动装置100、控制装置、拍摄装置200、通信装置的安装后的工作寿命。另外，降低为这些装置进行供电的蓄电池的更换频率。从而降低本发明的维护难度。

可选的，基本变化周期可以通过如下方式确定：

表示第一个计算周期。

具体的，第一个计算周期可以被设置为1周。T的取值小于。

可选的，的数值可以通过如下方式确定：

获取林地400所处位置的历史最大降雨量，

表示预设的测量间隔。

可选的，基于计算x轴方向的坐标间隔/>和y轴方向的坐标间隔/>，包括：

采用如下公式计算：

表示降雨量权重，/>表示时间权重，降雨量权重与时间权重之间的和大于0且小于1，/>表示设定的降雨量，/>表示前一次更换蓄电池的时刻，/>表示使得x轴方向上的相邻的两张坡面图像之间的重叠度达到70%时，x轴方向的坐标间隔；

采用如下公式计算：

表示使得y轴方向上的相邻的两张坡面图像之间的重叠度达到60%时，y轴方向的坐标间隔。

具体的，本发明在计算x轴方向和y轴方向的坐标间隔过程中，不仅考虑了的大小，而且，还考虑了前一次更换蓄电池的时刻与开始计算拍摄坐标的时刻时间的差值，当越大，/>和/>之间的差异越大时，坐标间隔便会越小，从而使得相邻的坡面图像之间的重叠度更高，从而实现了坡面图像的重叠度的自适应变化，既能够避免设置过大的重叠度，导致需要拍摄的坡面图像的数量过多，移动装置100、拍摄装置200和控制装置的耗电量过大，又能够确保在累计降雨量过大的时候，采用更小的坐标间隔，获得足够多的坡面的数据，提高后续建模结果的准确率。

随着时间的增长以及降雨量的增长，坡面中的侵蚀沟的深度也会随之增长，若采用固定的坐标间隔，则会在刚开始测量的阶段，出现坐标间隔过小，获得的坡面图像的数量过多的问题。因为刚开始测量时，坡面中的侵蚀沟的深度也比较小，坡面的地形中的深度差异也比较小，采用较大的坐标间隔也能够得到足够准确的建模结果，而随着累计降雨量的增加以及时间的增加，坡面中的地形的深度差异逐渐增大，若还是采用固定的坐标间隔，则在相邻的两张坡面图像所对应地形之间的深度差异较大时，该两张坡面图像之间的连接处较为模糊，即出现较大的断层，影响了建模结果的准确程度。

可选的，计算中的降雨量的总和/>，包括：

使用如下函数计算：

；/>表示/>中的降雨量i的值。

可选的，基于和/>将二维移动平台的底部所对应的平面分为多个面积为/>的矩形，包括：

计算x轴方向的矩形的数量：

表示二维移动平台的底部在x轴方向的长度，

计算y轴方向的矩形的数量：

表示二维移动平台的底部在y轴方向的长度；

则矩形的总数为。

当不是整数时，则将平台的底部在x轴方向长度范围为的区域丢弃，因为该区域不能构成符合长度要求的矩形，另外，当不是整数时，则将平台的底部在y轴方向长度范围为/>的区域丢弃，因为该区域不能构成符合长度要求的矩形。

可选的，基于拍摄坐标的集合对二维移动平台进行控制，使得二维移动平台将拍摄装置200移动至拍摄坐标，包括：

按照x轴坐标对拍摄坐标的集合中的元素进行分类，将x轴坐标相同的拍摄坐标保存到同一个集合，得到多个x轴坐标相同的坐标集合；

按照x轴坐标从小到大的顺序依次将每个x轴坐标集合作为控制坐标集合；

对控制集合中的坐标按照y轴坐标从小到大的顺序进行排序，得到有序集合；

控制二维移动平台按照设定的移动周期（例如10S），依次将拍摄装置200移动至有序集合中的每个坐标。

具体的，拍摄装置200移动的方向为x轴，当一个坐标集合中的坐标都已经到过之后，则换到下一个坐标集合所对应的坐标中，从而实现在矩形区域内对林地400的坡面进行测量。

可选的，建模装置包括预处理模块和建模模块；

预处理模块用于对通信装置发送过来的坡面图像进行预处理，得到预处理图像；

建模模块用于基于预处理图像对林地400的坡面进行三维建模，获得三维模型。

具体的，预处理的过程包括畸变校正，除雾等。

具体的，建模模块可以包括Mirauge3D、DP-Smart、Wit3D、GET3D等能够对倾斜摄影所得到的图像进行建模的软件。将预处理图像输入到这些软件中，便能够自动计算得到坡面的三维模型。

可选的，基于三维模型计算林地400的坡面的侵蚀沟的体积，包括：

基于侵蚀沟的三维坐标计算侵蚀沟的体积。

具体的，侵蚀沟的体积计算过程为现有技术，可以采用文献《确定冲沟侵蚀量的计算方法》中的技术进行测量得到，也可以采用其它技术测量得到。

具体的，侵蚀沟的体积越大，则表示土壤侵蚀程度越严重。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，包括移动装置、拍摄装置、控制装置、通信装置、建模装置和测量装置；

拍摄装置用于在拍摄坐标获取林地的坡面的坡面图像；

测量装置用于基于三维模型计算林地的坡面的侵蚀沟的体积；

控制装置包括降雨量传感器和计算模块；

降雨量传感器用于获取林地的坡面的降雨量；

计算模块用于基于降雨量计算拍摄装置的拍摄坐标的集合；

获取林地的坡面的降雨量，包括：

采用预设的测量间隔获取林地的坡面的降雨量；

基于降雨量计算拍摄装置的拍摄坐标的集合，包括：

采用自适应的计算周期计算拍摄坐标的集合；

每次计算拍摄坐标的集合的过程包括：

用t_s表示开始计算拍摄坐标的时刻；

将获取时刻在时间区间[t_s-T,t_s]范围内的降雨量保存到集合rf，T表示设定的时长；

计算rf中的降雨量的总和smrf；

基于smrf计算x轴方向的坐标间隔coritrx和y轴方向的坐标间隔coritry；

基于coritrx和coritry将二维移动平台的底部所对应的平面分为多个面积为coritrx×coritry的矩形；

将每个矩形的中心的坐标作为拍摄坐标，将所有拍摄坐标保存到拍摄坐标的集合；

计算rf中的降雨量的总和smrf，包括：

使用如下函数计算smrf：

raifal_i表示rf中的降雨量i的值；

基于smrf计算x轴方向的坐标间隔coritrx和y轴方向的坐标间隔coritry，包括：

采用如下公式计算coritrx：

w₁表示降雨量权重，w₂表示时间权重，降雨量权重与时间权重之间的和大于0且小于1，masrin表示设定的降雨量，t_r表示前一次更换蓄电池的时刻，bscoritrx表示使得x轴方向上的相邻的两张坡面图像之间的重叠度达到70％时，x轴方向的坐标间隔；

采用如下公式计算coritry：

bscoritry表示使得y轴方向上的相邻的两张坡面图像之间的重叠度达到60％时，y轴方向的坐标间隔。

2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，移动装置还包括支撑组件；

支撑组件用于将二维移动平台水平固定在林地的坡面。

3.根据权利要求2所述的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，支撑组件包括四根竖杆；

4.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，二维移动平台包括x轴方向移动设备和y轴方向移动设备；

5.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，坡面图像包括前视图像、后视图像、下视图像、左视图像和右视图像；

6.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的林地坡面土壤侵蚀测量系统，其特征在于，基于三维模型计算林地的坡面的侵蚀沟的体积，包括：

基于侵蚀沟的三维坐标计算侵蚀沟的体积。