岸基数字摄影海浪三维观测技术及应用研究

摘要

海浪是海洋中重要的物理现象，开展对海浪的研究具有重要的科学研究意义和重要的实际使用价值。外海观测获取第一手资料，是深入开展海浪理论研究和相关应用研究的基础。立体摄影海浪测量技术是一种利用架设在岸边或海上平台上的两台或多台摄像机同步采集海面影像，通过影像匹配和透镜成像原理直接精确测量海面起伏三维时空分布，并据此获取方向谱的海浪测量技术。本文利用两相机组成的摄影系统力争发展一项可为海浪理论及其相关应用研究服务的三维海浪测量技术。
　　立体摄影测量系统由三部分组成，分别是摄影测量系统的标定、影像匹配以及得到海面起伏。其中摄影系统的标定分两步完成，首先在室内完成相机固有参数的标定，然后根据现场采集的影像标定其相对定向参数。文中采用共面方程和控制点距离方程共同确定相机固有参数，通过特征点与其共轭点的共面方程确定相对定向参数。
　　影像匹配是立体摄影的难点也是本文研究的重点，其可靠性、精度和自动化水平是立体摄影是否实现应用化的标志。本文采用基于核线的金字塔影像匹配方法和最小二乘影像匹配方法，发展了十字叉粗差识别、剔除和补齐方法，通过迭代的方式逐步缩小视差，提高匹配可靠性，最终实现影像匹配的自动化。
　　海面起伏的三维重构分为空间前方交会、绝对定向和海面高程图的生成三部分。空间前方交会就是通过共轭像点来确定相应的物点。绝对定向是确定相机坐标系与物方坐标系之间的关系。将得到的所有物点都用物方坐标系来表示即可得到海面高程图。
　　分别通过室内实验和外海实验来对该方法进行检验。实验室实验的目的是检验立体摄影各环节的可靠性和精度，调试程序。实验以沙堆模拟海浪，介绍了从开始到表面高程图生成的整个过程的处理方法，给出了由摄影测量得到的检测点高程与直尺测量的检测点高程，两者的标准偏差为0.11cm，差值最大为0.22cm，考虑直尺测量时会带来0.1cm左右的误差，表明在测量距离为3.0m左右时，立体摄影测量高程精度在0.2cm之内。检测线段的立体摄影测量长度与直尺测量长度对比，其最大相对误差为0.7％。外海实验基于陆丰13-1石油平台进行，论文以采集的一组影像序列为例阐述了立体摄影海浪三维观测技术的各个环节的具体算法，其中64对影像序列的自动化处理表明本文实现了立体摄影海浪测量技术的自动化，测量结果与波浪骑士的结果进行了对比。通过室内实验和外海实验验证了该系统的可靠性。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 摄影测量的国内外研究概况和发展趋势

1．1．1 模拟摄影测量

1．1．2 解析摄影测量

1．1．3 数字摄影测量

1．1．4 摄影测量与遥感学的发展展望

1．2 摄影测量在海洋动力学方面的研究概况和发展趋势

1．3 研究意义

2 基本知识

2．1 坐标系及其相互转换

2．2 相机模型

2．3 特征点提取方法

2．4 影像处理中的插值方法

2．5 旋转矩阵

3 立体摄影几何模型标定

3．1 几何建模

3．2 相机固有参数的标定

3．3 相对定向参数的标定

3．4 初始值的确定

4 立体摄影中的影像匹配

4．1 基于核线的金字塔影像匹配

4．1．1 金字塔影像的形成

4．1．2 核线的确定及匹配过程

4．2 基于核线的最小二乘影像匹配

4．3 匹配测度的理论和算法

5 海面起伏的三维重构方法

5．1 空间前方交会

5．2 绝对定向

5．3 海面三维重构

5．4 摄影基线长度的确定

6 立体摄影技术的室内检验

6．1 立体摄影影像序列的采集

6．2 相机标定

6．2．1 相机标定参数近似值计算

6．2．2 相机标定参数精确计算

6．3 影像匹配

6．4 表面起伏三维重构

7 立体摄影海浪测量技术的外海检验

7．1 外海观测实验介绍

7．2 外海观测相机参数标定

7．3 影像匹配

7．3．1 影像滤波

7．3．2 基于核线的金字塔影像匹配

7．4 绝对定向

7．5 海面起伏的三维重构

7．6 海浪频谱的计算

8 结语

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文