一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法

摘要

本发明关于一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法，采用无人机搭载高分辨率相机至涌潮上方每隔一段时间对涌潮潮头拍照，获得整个测量河段的涌潮潮头图像；对涌潮潮头图像进行修正，转化到统一坐标系形成逐时刻完整的涌潮潮头线正射影像；根据涌潮潮头线位置明显的边界特征，识别出正射影像中涌潮潮头线的位置，并逐时刻解析出潮头线平面位置；根据前后时刻潮头线位置可得到潮头推进速度。可以广覆盖、高效率、一次性的获取涌潮潮头线整体平面形态及涌潮潮头推进速度，利于滩地、主槽涌潮推进速度分析，为公众安全观潮提供技术支持，还可分析涌潮对所经河段的冲击作用，对于涌潮河段的建设、防护具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于涌潮现场测量方法技术领域，具体是关于一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法。

背景技术

涌潮潮头在江道向前推进过程中，形成十字形、一线潮、回头潮等多种平面线形，涌潮潮头线的平面几何形态、潮头线沿线各点推进速度与涌潮高度、潮前水深、水下地形等密切相关，涌潮形态和潮头线的推进速度是涌潮研究的重要研究内容。由于观测技术及观测条件制约，目前主要以近岸定点观测及岸边拍照为主，只能观测岸边涌潮潮头线平均推进速度，缺少整个潮头线沿线瞬时推进速度,也不能定量解析潮头线整体平面几何形态。本专利采用的方法可定量解析出涌潮潮头线的平面几何形态，获取整个潮头线沿线各点推进速度Ci，为涌潮研究提供现场涌潮观测成果，用于涌潮动力、形态发展变化过程研究。通过对潮头平面形态、推进速度及推进方向的现场测量，可以用以分析涌潮所经河段对堤防、丁坝、桥梁、码头等构筑物的冲击作用，作为一种涌潮监测技术，还可用于观潮期间涌潮运动观测及预警，为公众观潮安全提供技术支持。

前述背景技术知识的记载旨在帮助本领域普通技术人员理解与本发明较为接近的现有技术，同时便于对本发明发明构思及技术方案的理解，应当明确的是，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请技术方案的新创性。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法，可以广覆盖、高效率、一次性的获取涌潮潮头线整体平面形态及不同空间位置、不同时刻的涌潮潮头推进速度，利于滩地、主槽涌潮推进速度分析，为公众观潮安全提供技术支持，还可分析涌潮所经河段对堤防、丁坝、桥梁、码头等构筑物的冲击作用，对于涌潮河段的建设、防护具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法，包括以下步骤：

步骤1：采用无人机搭载高分辨率相机及GPS定位仪、测距仪至涌潮上方，每隔一段时间Δt对涌潮潮头拍照，获得整个测量河段的涌潮潮头图像；

步骤2：对所述涌潮潮头图像进行修正，并根据相机参数将处理后的影像转化到统一坐标系形成逐时刻完整的涌潮潮头线正射影像；

步骤3：根据涌潮潮头线位置明显的边界特征，通过边界识别技术识别出正射影像中涌潮潮头线的位置，并逐时刻解析出潮头线平面位置；

步骤4：根据前后时刻潮头线位置可得到潮头推进速度。

进一步的，步骤1中，所述无人机至少有一架。

进一步的，步骤1中，所述整个测量河段的涌潮潮头图像可通过多架无人机协同拍照的方式分段拍照获取后拼接得到。

进一步的，步骤1中，无人机在定点位置悬停并使相机主光轴与地面（水面)保持垂直，启动相机进行拍照，拍照的同时通过GPS进行空间定位，并采用测距仪测量与水面之间距离，并根据相机与GPS、测距仪的安装相对关系获取相机拍摄参数。

进一步的，步骤1中，拍照测量前先对摄像头进行标定，确定畸变修正计算参数，图像修正即可用该参数进行修正。

进一步的，步骤2中，对所述涌潮潮头图像进行修正包括图像径向畸变修正和图像切向畸变修正。

更进一步的，所述图像径向畸变修正公式如下：

x

y

公式中，(x

更进一步的，所述图像切向畸变修正公式如下：

x

y

公式中，(x

相机在成像过程中由于透视原因造成的图像失真变形，现有相机技术能使透视变形降到较低的程度，但也不能完全消除畸变，特别是镜头边缘产生的不同程度的变形和失真，而且由于透镜本身与相机传感器平面(成像平面)或图像平面不平行可能产生切向畸变，径向畸变修正和切向畸变修正可较大程度的修正图片的失真变形，有助于在后续的配准及识别时提高精度。

进一步的，步骤2中，相机参数包括相机空间坐标、物距、相距。

进一步的，步骤2中，将处理后的影像转化到统一坐标系具体是结合图像绝对配准与相对配准，将所拍摄图像统一到同一个坐标系中。

绝对配准是指先定义一个坐标系统，所有的图像相对于这个坐标网格来进行配准，也就是分别完成各分量图像的几何校正来实现坐标系的统一，可通过计算机和辅助人工的方法进行。

相对配准是指选择多图像中的一张图像作为参考图像，将其它的相关图像与之配准，一般可通过相关算法自动匹配，其坐标系统是任意的，但当参考图像坐标已知的情况下，自动匹配完成后的图像也自然有与参考图像相同的坐标系。

更进一步的，将处理后的影像转化到统一坐标系具体包括：对第一幅图进行绝对配准，后续拍摄的图片都以第一幅图为参照进行相对配准，经该流程配准后的图，均有与第一幅图相同的坐标系，同样实现绝对配准。

更进一步的，相对配准时需选择固定物体进行，拍摄过程中发生位置变化或变形的物体不能用于相对配准。

进一步的，步骤3中，通过边界识别技术识别出正射影像中涌潮潮头线的位置的具体步骤是：

先将图片读入潮头线识别模块，原彩色图片转换为灰度图片，转换公式是：

Gray＝0.299R+0.887G+0.114B

Gray表示灰度图像，RGB则表示彩色图像的红(red)、绿(green)、蓝(blue)三通道灰度值；

采用Canny算子对边缘进行检测识别，Canny算子采用高斯滤波，形式如下：

通过高斯滤波计算图像梯度、非极大值抑制、双阈值筛选后并进行边缘连接处理后得到物体边缘，即得到涌潮潮头线。

更进一步的，高斯滤波器为：

进一步的，步骤4中，潮头推进速度包括潮头线上每一点的潮头推进速度、整个潮头线的推进速度以及每个时刻潮头线的推进速度。

进一步的，步骤4中，根据前后时刻潮头线位置可得到潮头推进速度的具体步骤是：所有图像都转换到实际坐标系下，各个时刻的涌潮潮头线识别完成后，即可对潮头线上任意一点P处的涌潮潮头推进速度计算，将t

通过潮头线各点行进速度，结合已知的涌潮未达到的河段情况，即可计算出涌潮达到河段中各点的时间、涌潮速度，方便观潮期间对涌潮运动的观测和预警，为公众观潮安全提供技术支持，还可据此分析涌潮所经河段对堤防、丁坝、桥梁、码头等构筑物的冲击作用，对于涌潮河段的堤坝、水底等的建设、防护具有重要的意义。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

本发明的有益效果为：

采用无人机搭载高清相机进行涌潮平面几何形态及潮头线推进速度测量，(1)覆盖范围广，测量效率高，一次获取涌潮潮头线整体平面形态；(2)同时获取潮头线各处的潮头推进速度；(3)获取不同空间位置的涌潮潮头推进速度，有利于滩地、主槽涌潮推进速度分析；(4)可跟踪拍摄，涌潮运动到哪里跟踪到哪里进行拍摄测量；(5)实测方便，实施灵活机动，无人机测量不受位置限制，可灵活进行测量，既可在固定河段实施观测，也可在临时所需测量河段实施观测；(6)计算出涌潮达到河段中各点的时间、涌潮速度，方便观潮期间对涌潮运动的观测和预警，为公众观潮安全提供技术支持；(7)还可分析涌潮所经河段对堤防、丁坝、桥梁、码头等构筑物的冲击作用，对于涌潮河段的堤坝、水底等的建设、防护具有重要的意义。

本发明为实现上述目的而采用了上述技术方案，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。

附图说明

为让本发明的上述和/或其他目的、特征、优点与实例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是多架拍摄涌潮示意图；

图2是涌潮图；

图3是绝对配准坐标转化示意图；

图4是涌潮潮头识别过程示意图；

图5是潮头线示意图；

图6是潮头线推进速度计算示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语，具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本发明使用本文中所描述的方法和工具；但本领域中已知的其他合适的方法和工具也可以被使用。本文中所描述的工具、方法和实例仅是说明性的，并不是用来作为限制。所有出版物、专利申请案、专利案、临时申请案、数据库条目及本文中提及的其它参考文献等，其整体被并入本文中作为参考。若有冲突，以本说明书包括定义为准。

除非具体说明，本文所描述的工具、方法和实例仅是示例性的，而非限制性的。尽管与本文所述的那些方法和工具类似或等同的方法和工具可用于本发明的实施或测试，但本文仍描述了合适的方法和工具。

以下详细描述本发明。

实施例1：

提供一种涌潮潮头线形态及潮头推进速度现场测量方法，采用无人机搭载高分辨率相机及GPS定位仪、测距仪至涌潮上方，每隔一段时间Δt对涌潮潮头拍照，获得整个测量河段的涌潮潮头图像，具体包括：

如图1和2所示，采用无人机搭载高分辨率相机拍照及GPS定位、测距仪测距的方法，拍照测量前先对相机进行标定，确定畸变修正计算参数，当涌潮来临时，无人机D1飞至涌潮上方，在定点位置悬停并使相机主光轴与地面(水面)保持垂直，启动相机按固定时间间隔Δt进行拍照，拍照的同时通过GPS进行空间定位，并采用测距仪测量与水面之间距离，并根据相机与GPS、测距仪的安装相对关系获取相机拍摄参数。

当涌潮潮头线即将运动至拍照范围外时，可提前将同样配置的无人机D2飞至下一观测点位进行相同观测，对D2所拍照片与D1重合区域进行相对配准，完成配准后，D2后期所拍照片与已配准照片配准，减少拼接错位，且照片具有相同的坐标系统。若将D1、D2、……均采用绝对坐标进行拍摄，那么因绝对坐标之间难免存在误差，因此所拍照片会出现偏离情况，因此将照片配准采用绝对配准+相对配准可大大减少拼接错位，提高测量精度。

同样，当潮头线即将运动出D2相机拍摄范围，可采用接力方式由第三架无人机升空拍摄，并以此类推第四架、第五架......，直至无人机拍照范围能同时覆盖整个涌潮潮头线，多架无人机拍摄时保持拍照时间间隔相同、拍照时刻同步。

实施例2：

因相机在成像过程中由于透视原因造成的图像失真，照片在配准及识别前先进行畸变修正，在前述实施例的基础上对所述涌潮潮头图像进行修正，并根据相机参数(包括相机空间坐标、物距、相距)将处理后的影像转化到统一坐标系形成逐时刻完整的涌潮潮头线正射影像，具体包括：

（1)图像径向畸变修正：

现有相机技术能使透视变形降到较低的程度，但也不能完全消除畸变，特别是是镜头边缘产生的不同程度的变形和失真。本实施例应用的畸变修正公式如下：

x

y

公式中，(x

(2)图像切向畸变修正：

切向畸变是由于透镜本身与相机传感器平面（成像平面)或图像平面不平行而产生的，修正公式如下：

x

y

公式中，(x

实施例3：

在前述实施例的基础上，将处理后的影像转化到统一坐标系具体是结合图像绝对配准与相对配准，将所拍摄图像统一到同一个坐标系中，具体包括：

（1)对第一幅图片进行绝对配准：

如图3所示，对于二维平面上的变换需要x、y方向上两个平移参数dx、dy，以及一个绕着垂直于平面的旋转参数θ，此外，还存在一个缩放尺度因子m，具体转换关系如下：

式中

以像素坐标系为原坐标系，以实际坐标系为目标坐标系进行坐标系的转化。已知控制点P1、P2在XOY坐标系(目标坐标系)下的坐标分别为(x

首先就原坐标系原点平移到P1，平移后的坐标系为X″O″Y″，P1、P2在新坐标X″O″Y″下的坐标为(0，0)、(x′

平移参数：

旋转参数：

尺度比例参数：

求解出以上四个参数就能够实现从原坐标系转到目标坐标。

(2)对其余图片进行相对配准：

完成第一幅图像的绝对配准后，对后续拍摄的其余图像相对第一幅图像进行相对配准，经该流程配准后的图，均有与第一幅图相同的坐标系，同样实现绝对配准。需要注意的是，相对配准时需选择固定物体(如堤岸)进行，拍摄过程中发生位置变化或变形的物体(如浮子、船舶、水面浪花)不能用于相对配准。

图像相对配准是对两幅图像进行特征提取，并通过进行相似性度量找到匹配的同名点(特征点对)，然后通过匹配的同名点得到图像空间坐标变换参数，最后由坐标变换参数进行图像配准。相对配准通常通过一个适当的多项式来拟合两图像之间的平移、旋转和仿射变换。采用基于特征法确定配准控制点(RCP)，得到图像配准函数映射关系并确定转会多项式中的系数，对于图像匹配算法已有较多文献，此处不在详述。

实施例4：

在前述实施例的基础上，根据涌潮潮头线位置明显的边界特征，通过边界识别技术识别出正射影像中涌潮潮头线的位置，并逐时刻解析出潮头线平面位置，如图4和图5所示，具体包括：

先将图片读入潮头线识别模块，原彩色图片转换为灰度图片，转换公式是：

Gray＝0.299R+0.887G+0.114B

Gray表示灰度图像，RGB则表示彩色图像的红(red)、绿(green)、蓝(blue)三通道灰度值；

采用Canny算子对边缘进行检测识别，Canny算子采用高斯滤波，形式如下：

通过高斯滤波计算图像梯度、非极大值抑制、双阈值筛选后并进行边缘连接处理后得到物体边缘，即得到涌潮潮头线。

更进一步的，高斯滤波器为：

实施例5：

在前述实施例的基础上，根据前后时刻潮头线位置可得到潮头推进速度的具体步骤是：如图6所示，所有图像都转换到实际坐标系下，各个时刻的涌潮潮头线识别完成后，即可对潮头线上任意一点P处的涌潮潮头推进速度计算，将t

通过潮头线各点行进速度，结合已知的涌潮未达到的河段情况，即可计算出涌潮达到河段中各点的时间、涌潮速度，方便观潮期间对涌潮运动的观测和预警，为公众观潮安全提供技术支持，还可据此分析涌潮所经河段对堤防、丁坝、桥梁、码头等构筑物的冲击作用，对于涌潮河段的堤坝、水底等的建设、防护具有重要的意义。

上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

虽然上述具体实施方式已经显示、描述并指出应用于各种实施方案的新颖特征，但应理解，在不脱离本公开内容的精神的前提下，可对所说明的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。另外，上述各种特征和方法可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落在本公开内容的范围内。上述许多实施方案包括类似的组分，并且因此，这些类似的组分在不同的实施方案中可互换。虽然已经在某些实施方案和实施例的上下文中公开了本发明，但本领域技术人员应理解，本发明可超出具体公开的实施方案延伸至其它的替代实施方案和/或应用以及其明显的修改和等同物。因此，本发明不旨在受本文优选实施方案的具体公开内容限制。

本发明未尽事宜均为公知技术。