本發(fā)明涉及監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺測(cè)量的大氣折光校正方法。

背景技術(shù)：

基于計(jì)算機(jī)視覺的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種先利用相機(jī)獲取目標(biāo)影像，再通過計(jì)算機(jī)與相關(guān)圖像處理算法，接著比較目標(biāo)在影像序列上的變化，最后計(jì)算出目標(biāo)真實(shí)位移的一種新興變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。由于光線在空氣中傳播時(shí)會(huì)受到大氣溫度、氣壓、密度、濕度等客觀條件的影響，傳播路徑會(huì)發(fā)生變化，在視覺變形監(jiān)測(cè)中，大氣折光誤差主要是不同大氣條件下光線發(fā)生彎曲程度不同而導(dǎo)致的誤差。由于近地面氣象條件復(fù)雜，目前還沒有一個(gè)有效的誤差改正模型。

現(xiàn)有技術(shù)中的方法有：

在三角測(cè)量中，主要通過精確測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的高程，比較高程真值與測(cè)量值的偏差，計(jì)算大氣豎直折光系數(shù)并加以改正。但這種方法具有以下缺陷：由于操作較為繁瑣，一般只進(jìn)行有限次測(cè)量；大氣折光系數(shù)隨時(shí)間的變化幅度較大，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求；必須在測(cè)區(qū)布設(shè)已知高程的基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)于視覺測(cè)量來(lái)說(shuō)，需要增加額外的測(cè)量設(shè)備(水準(zhǔn)標(biāo)尺、水準(zhǔn)儀等)，還需要額外的人工成本。

在視覺測(cè)量中，通過在監(jiān)測(cè)目標(biāo)旁設(shè)置靜止不動(dòng)的參照目標(biāo)，利用參照目標(biāo)在影像序列中的變化，對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位移進(jìn)行校正，該方法很好的利用了視覺測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，能夠做到實(shí)時(shí)校正，但在實(shí)際應(yīng)用中卻很難在相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)找到靜止不動(dòng)的參照目標(biāo)，實(shí)用性不強(qiáng)。

測(cè)量氣象參數(shù)的大氣折光改正方法利用高精度氣象儀測(cè)量測(cè)站與測(cè)點(diǎn)處的溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)，計(jì)算大氣折光系數(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，該方法需要為測(cè)量系統(tǒng)配備高精度的氣象儀，實(shí)用性較差，且存在氣象代表性誤差的影響。

綜上所述，急需一種實(shí)用性更好且能夠?qū)崟r(shí)改正大氣折光的新方法以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種實(shí)用性更好且能夠?qū)崟r(shí)改正大氣折光的新方法，具體技術(shù)方案如下：

一種基于視覺測(cè)量的大氣折光校正方法，包括以下內(nèi)容：

獲得變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志及其參數(shù)；

獲得目標(biāo)的原始位移量；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量；

通過目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量具體包括以下步驟：

步驟3.1、獲取像距v，具體是：通過表達(dá)式4)獲得像距v：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步驟3.2、獲取物距u，具體是：通過表達(dá)式5)獲得物距u：

步驟3.3、先計(jì)算出折光偏角α，再通過表達(dá)式9)計(jì)算得到大氣折光引起的目標(biāo)偏移量datmos，datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f為焦距；i為像焦距；m為相機(jī)的放大倍率，且

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志及其參數(shù)具體包括以下步驟：

步驟1.1、在同一豎直面內(nèi)設(shè)計(jì)四個(gè)圓形形狀作為變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志，四個(gè)圓形形狀的中心點(diǎn)依次連線形成對(duì)角線沿水平方向和豎直方向的菱形；

步驟1.2、先采用canny算子提取目標(biāo)邊緣，再通過計(jì)算圓形形狀因子，剔除多余邊緣，最后利用質(zhì)心法計(jì)算得出四個(gè)圓的圓心坐標(biāo)。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得目標(biāo)的原始位移量具體是：

通過表達(dá)式1)獲得目標(biāo)的水平方向的位移dx和豎直方向的位于dy，表達(dá)式1)如下：

其中：sfx和sfy為比例系數(shù)，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy，lx和ly分別為標(biāo)志水平方向和豎直方向兩個(gè)圓心的距離，單位為mm；sx和sy為標(biāo)志水平方向和豎直方向兩個(gè)圓心在圖像上的長(zhǎng)度，單位為像素；mx和my為測(cè)量的四個(gè)圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和豎直方向位移量；x為水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y為豎直方向向量，y＝[x2y2]^t；

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量具體是：

步驟3.1、通過相機(jī)放大倍率m的表達(dá)式3)得到像距v的表達(dá)式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步驟3.2、通過光學(xué)基本成像表達(dá)式2)、相機(jī)放大倍率表達(dá)式3)以及像距v的表達(dá)式4)得到物距u的通過表達(dá)式5)：

步驟3.3、根據(jù)折光偏角α、表達(dá)式3)和表達(dá)式4)三者的結(jié)合或者折光偏角α和表達(dá)式5)兩者的結(jié)合獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量datmos的表達(dá)式9)：datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f為焦距；i為像焦距。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量的獲得過程具體是：將目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量進(jìn)行疊加即可得到大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量。

應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的基于視覺測(cè)量的大氣折光校正方法，包括獲得變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志及其參數(shù)、獲得目標(biāo)的原始位移量、獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量和獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量四個(gè)模塊，通過模塊化設(shè)計(jì)，便于獲取所需參數(shù)值；本發(fā)明具體技術(shù)方案中僅需依賴于監(jiān)測(cè)目標(biāo)的成像特點(diǎn)，而無(wú)需額外的測(cè)量?jī)x器(如全站儀、水準(zhǔn)儀、氣象儀等)和額外的人工操作，成本得到大大降低；本發(fā)明方法具備實(shí)時(shí)改正大氣折光的能力，同時(shí)也不需要借助參照目標(biāo)，具有操作簡(jiǎn)便性和實(shí)時(shí)性，實(shí)用性強(qiáng)。

(2)本發(fā)明中變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志采用四個(gè)圓形形狀，合作標(biāo)志的形狀選擇和位置設(shè)置，便于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)；四個(gè)圓心坐標(biāo)的獲取通過現(xiàn)有技術(shù)中比較成熟的技術(shù)方案獲得，操作方便且精準(zhǔn)度高。

(3)本發(fā)明獲得目標(biāo)的原始位移量的步驟精簡(jiǎn)，所獲取的參數(shù)結(jié)果精準(zhǔn)度高。

(4)本發(fā)明所采用的獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量的方法，具有的特點(diǎn)是：a、步驟精簡(jiǎn)，方便操作；b、不需要借助參照目標(biāo)，且適用于任意折光偏角的情況，能實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)地獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量，為后續(xù)得到大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(5)本發(fā)明通過對(duì)目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量的疊加(根據(jù)實(shí)際情況，還可以采用其他處理方式)得到大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量，精準(zhǔn)度高。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1中變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志的位置示意圖；

圖2為實(shí)施例1中相機(jī)的成像原理示意圖；

圖3(a)是小孔成像原理示意圖；

圖3(b)是目標(biāo)受大氣折光影響后發(fā)生一般偏移情況時(shí)的示意圖；

圖3(c)是目標(biāo)受大氣折光影響后發(fā)生特殊偏移情況時(shí)的示意圖；

圖4(a)是實(shí)施例2中第一時(shí)間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對(duì)照?qǐng)D；

圖4(b)是實(shí)施例2中第二時(shí)間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對(duì)照?qǐng)D；

圖4(c)是實(shí)施例2中第一時(shí)間段大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量示意圖；

圖4(d)是實(shí)施例2中第二時(shí)間段大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。

實(shí)施例1：

一種基于視覺測(cè)量的大氣折光校正方法，應(yīng)用于邊坡、基坑和橋梁等設(shè)施的形變監(jiān)測(cè)，與近景攝影測(cè)量方法不同，所采用的視覺變形監(jiān)測(cè)技術(shù)不需要進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，而是通過圖像處理直接測(cè)得二維位移。具體包括以下步驟：

1、獲得變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志及其參數(shù)，變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志詳見圖1，包括以下步驟：

步驟1.1、在同一豎直面內(nèi)設(shè)計(jì)四個(gè)圓形形狀(a、b、c和d)作為變形監(jiān)測(cè)合作標(biāo)志，四個(gè)圓形形狀的中心點(diǎn)依次連線形成對(duì)角線沿水平方向和豎直方向的菱形，其中：bd(標(biāo)志在水平方向兩個(gè)圓心的距離)計(jì)為lx；ac(標(biāo)志在豎直方向兩個(gè)圓心的距離)計(jì)為ly；sx和sy為bd(標(biāo)志水平水平方向)和ac(標(biāo)志在豎直方向)兩個(gè)圓心在圖像上的長(zhǎng)度，單位為像素；

步驟1.2、先采用canny算子提取目標(biāo)邊緣，再通過計(jì)算圓形形狀因子，剔除多余邊緣，最后利用質(zhì)心法計(jì)算得出四個(gè)圓的圓心坐標(biāo)，其中：提取四個(gè)圓心a、b、c、d的圖像坐標(biāo)，將第一次測(cè)量的圓心坐標(biāo)作為初始坐標(biāo)(x1，y1)，將之后每次測(cè)量的四個(gè)圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差，mx和my為測(cè)量的四個(gè)圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和豎直方向位移量；x為水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y為豎直方向向量，y＝[x2y2]^t。

2、獲得目標(biāo)的原始位移量，詳情是：通過表達(dá)式1)獲得目標(biāo)的水平方向的位移dx和豎直方向的位于dy，表達(dá)式1)如下：

其中：sfx和sfy為比例系數(shù)，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量，詳情是：

在視覺變形監(jiān)測(cè)中，大氣折光誤差主要是不同大氣條件下光線發(fā)生彎曲程度不同而導(dǎo)致的誤差。針對(duì)視覺測(cè)量的特點(diǎn)，從實(shí)用性角度出發(fā)，提出削弱大氣折光影響的方法：目標(biāo)成像尺寸自檢校改正法。如圖3(a)所示，目標(biāo)在傳感器上的成像高度為h，當(dāng)相機(jī)焦距固定且目標(biāo)與相機(jī)之間的距離不變時(shí)，移動(dòng)目標(biāo)并不會(huì)使傳感器上所成的像的尺寸產(chǎn)生變化，即h不會(huì)發(fā)生變化。

假設(shè)受大氣折光的影響，如圖3(b)所示，光線對(duì)目標(biāo)圓心的傳播軌跡由直線oa、ob變?yōu)榛【€oa、ob，因?yàn)槭窃谕瑫r(shí)同地觀測(cè)得到的兩束光線，所以認(rèn)為兩束光線受到大氣折光的影響相同，即偏折角相同，都為α；目標(biāo)在相機(jī)上的成像從ab偏移至a'b'，在傳感器上的成像高度由h變?yōu)閔'，根據(jù)平面幾何原理，除特殊情況(目標(biāo)第一次成像位置和當(dāng)前成像位置呈軸對(duì)稱，圖3(c)所示，此時(shí)h＝h')以外，當(dāng)兩束光線偏折相同角度時(shí)，所成像的高度h≠h'。

因此可得出結(jié)論：當(dāng)目標(biāo)所成的像的高度h發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為此時(shí)光線受到了大氣折光的影響。

首先、求取相機(jī)的放大倍率m、相距v和物距u，具體是：

在測(cè)量時(shí)，測(cè)量目標(biāo)的尺寸和其成像在傳感器上的大小是已知的，因此，根據(jù)光學(xué)基本成像的表達(dá)式2)再結(jié)合圖2(圖2中兩個(gè)灰色三角形根據(jù)相似三角形原理)得到相機(jī)的放大倍率m的表達(dá)式3)：

其中：h0為像高，h為物高，i為像焦距，f為焦距；

通過表達(dá)式2)和表達(dá)式3)得到像距v的表達(dá)式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

同理，圖2中兩個(gè)灰色三角形根據(jù)相似三角形原理得到物距u的表達(dá)式5)：

其次、求取折光偏角α，詳細(xì)過程如下：

根據(jù)圖3(b)所示，目標(biāo)ab兩點(diǎn)處的光線受大氣折光影響，產(chǎn)生偏折角α，使目標(biāo)成像位置發(fā)生變化，在傳感器上的高度由初始位置h變?yōu)閔'，兩點(diǎn)的位置變化分別為δha和δhb，oa的距離為n，ob的距離為m，受大氣折光的影響后，變?yōu)閚'、m'，單位都為mm，由三角形余弦定理得到表達(dá)式6)：

δha＝n²+n′²-2aa′cosα，δhb＝m²+m′²-2bb′cosα6)；

又因?yàn)槟繕?biāo)的尺寸比相機(jī)視場(chǎng)范圍小很多，且折光偏角α很小(一般認(rèn)為小于30″時(shí))，則令a＝a'，b＝b'，表達(dá)式6)變?yōu)楸磉_(dá)式7)：

δha＝2n′²(1-cosα)，δhb＝2m′²(1-cosα)7)；

目標(biāo)高度在傳感器上的變化δh＝|h-h′|＝|δha-δhb|，兩邊取平方，得δh²＝(δha-δhb)²，則表達(dá)式7)可得表達(dá)式8)：

在監(jiān)測(cè)過程中，可以計(jì)算出δh、n′及m′，因此，可以利用表達(dá)式8)計(jì)算得到折光偏角的余弦值，進(jìn)而得到折光偏角α的大小；

最后，設(shè)由大氣折光引起的目標(biāo)偏移量為datmos，單位為mm，通過表達(dá)式9)計(jì)算大氣折光引起的目標(biāo)偏移量：datmos＝utanα，或datmos＝mvtanα9)；

獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量，具體是：將目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量進(jìn)行疊加，得到大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量。

實(shí)施例2：

將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選為兩棟大樓，在其中一棟大樓上建造水泥觀測(cè)墩，將相機(jī)安裝在支架上并固定在觀測(cè)墩上，同時(shí)固定鏡頭，在另一棟大樓上粘貼監(jiān)測(cè)標(biāo)志牌，兩者相距55m，進(jìn)行為期兩天靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)(標(biāo)志牌靜止不動(dòng)，理論上位移曲線應(yīng)該是與x軸重合的一條直線)，測(cè)量間隔5s，該次試驗(yàn)從早上8點(diǎn)開始，到下午5點(diǎn)結(jié)束。

具體方法同實(shí)施例1。

計(jì)算所得目標(biāo)的原始位移量、大氣折光引起的目標(biāo)偏移量以及大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量詳見圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)，詳情是：

圖4(a)為第一時(shí)間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對(duì)照?qǐng)D；圖4(b)為第二時(shí)間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對(duì)照?qǐng)D；圖4(c)為第一時(shí)間段大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量示意圖；圖4(d)為第二時(shí)間段大氣折光校正后目標(biāo)的實(shí)際位移量示意圖。

從圖4(a)和圖4(b)中可以看到兩條曲線具有明顯的負(fù)相關(guān)性；從圖4(c)和圖4(d)中可以看出，相比原始測(cè)量結(jié)果，受大氣折光影響導(dǎo)致的曲線變化趨勢(shì)得到了有效控制，精度有所提高，改正效果達(dá)到60％以上。綜合以上改正后，采用普通數(shù)碼相機(jī)，在監(jiān)測(cè)距離55m時(shí)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)精度可達(dá)1.5mm左右。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。