基于线结构光法的实验地貌观测技术研究

论文摘要

地形参数测量是实体模型试验研究中的重要内容,高性能的观测技术对提高模拟结果的准确性有重要意义。本文首先回顾了前人在地形测量技术方面的研究成果,结合光学技术、激光技术及计算机图像技术,提出了基于线结构光法的实验地貌观测技术,并设计了基于该测量技术原理的测量系统。然后,通过率定实验分析了测量系统的误差,讨论了图像数据处理、地形等值线和地形三维数据的建立方法及其过程。最后,将本测量技术应用于实体河工模型地形的测量中,通过与传统测量方法的观测结果对比,综合分析了基于线结构光法的地形测量技术性能。研究的主要成果如下：(1)设计并优化了基于线结构光法的应用于实验地貌观测的W型和G型地貌仪。W型地貌仪适合于实体河工模型的表面精确测量和精细建模,适用于静态目标地形参数的测量。G型地貌仪适合于沟坡地形的实时观测,特别适用于沟坡重力侵蚀的定量观测。这两种地貌仪都可快速地采集模型地形参数,形成地形等值线数据或等高线数据,建立地形三维模型,实现三维分析计算。(2)多线结构光法是一种观测精度和效率较高、非接触式的测量方法,在三维地形测量中具有一定的实用性,同时在地形精细测量、精确建模方面有更大应用潜力。在三维实体河工模型地形应用测量中,从断面测点的平面及高程测量值、地形等高线数据、三维建模以及图像数据处理效率几个方面,与传统的测针法进行对比分析发现,多线结构光法在实验地貌的测量中具有较好的测量效果。(3)多线结构光测量系统能满足实验地貌的高差测量精度要求,地形图像畸变经合理布置密度的网格校准点矫正后,畸变误差得到有效控制。以W型地貌仪为例,对激光源在平面测量量程范围内的高差测量误差进行分析发现,激光平面间距的满量程相对误差小于5‰,绝对误差小于1mm。对比经网格校准点矫正前后的图像畸变误差,结果表明,图像畸变矫正效果显著,矫正后的图像测点误差明显下降,有效地提高了地形的测量精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 数字近景摄影测量技术
• 1.2.2 超声波测量技术
• 1.2.3 结构光视觉测量法
• 1.3 研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 2 线结构光测量系统设计
• 2.1 W型地貌仪
• 2.1.1 W型地貌仪基本原理
• 2.1.2 测量系统结构设计
• 2.2 G型地貌仪
• 2.2.1 G型地貌仪基本原理
• 2.2.2 测量系统结构设计
• 2.3 W型和G型地貌仪的性能对比
• 2.4 小结
• 3 测量系统率定试验
• 3.1 激光源多光平面间距率定
• 3.1.1 试验设计
• 3.1.2 试验结果及分析
• 3.2 图像传感器成像畸变率定
• 3.2.1 CCD摄像机畸变
• 3.2.2 试验设计
• 3.2.3 校准图块测点提取
• 3.2.4 试验结果及分析
• 3.3 小结
• 4 图像数据处理及三维建模
• 4.1 图像处理
• 4.1.1 图像预处理
• 4.1.2 图像分割
• 4.2 图像尺寸率定及变形矫正
• 4.3 图像光条纹矢量化
• 4.4 地形等值线的建立
• 4.4.1 等值线数据叠加
• 4.4.2 等值线数据拼接融合
• 4.5 地形三维建模
• 4.6 小结
• 5 地形测量应用及分析
• 5.1 模型地形概况
• 5.2 测针法测量
• 5.3 多线结构光法测量
• 5.4 观测结果对比分析
• 5.4.1 断面测点高程误差分析
• 5.4.2 断面测点平面误差分析
• 5.4.3 地形等值线图分析
• 5.4.4 地形三维模型分析
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢