基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法与流程

本发明属于数字孪生，具体涉及一种基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法。

背景技术：

1、随着陆海实景三维、智慧水利的推进，国内各大城市建设单位、水利管理单位开展了流域数字化场景建设和智慧化模拟，主要通过数字孪生技术进行实现。

2、目前在国内外科研及应用市场上，采用下面几个技术：

3、声纳技术，是最传统的水下测绘技术之一，使用声波测量水下地形，声纳系统可以分为侧扫声纳和多波束声纳；侧扫声纳能够产生宽范围的水下地形图像，但在垂直分辨率方面有限；多波束声纳能够提供高分辨率的深度数据，但其数据处理相对复杂，且对水质透明度有一定要求。

4、激光扫描，水下激光扫描（lidar）是另一种常见的水下三维建模技术；激光扫描适用于浅水区域，可以生成高分辨率的地形数据。然而，激光在水中的传播受到限制，适用范围较浅。

5、遥感技术，卫星和航空摄影是水下地形和地貌研究的重要工具，特别适用于大范围的海洋和沿海环境监测；然而，遥感技术在深水区域的应用受到限制，且空间分辨率相对较低。

6、然而，上述现有技术存在以下技术困难：

7、分辨率限制，传统的声纳和激光扫描技术在水下环境中受到光线和水质条件的限制，无法达到很高的分辨率。

8、数据整合困难，不同技术获取的数据格式和质量差异较大，数据整合和融合过程复杂，导致最终模型的精确度受限。

9、成本和效率问题，传统方法往往需要昂贵的设备和长时间的数据采集，效率较低，且对操作人员的技能要求较高。

10、环境适应性，在复杂的水下环境中，如深海或浑浊水域，传统方法的适应性和准确性会受到影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法，用于解决现有技术中分辨率低、效率低下、环境适应性差的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法，具体步骤包括：

4、步骤s1：构建水陆一体化定位系统；

5、步骤s2：构建水下三维摄影测量系统；

6、步骤s3：采集水下实景三维多角度影像；

7、步骤s4：提取水下实景三维影像特征点及特征点匹配；

8、步骤s5：定位水下实景三维空间点；

9、步骤s6：生成水下实景三维点云；

10、步骤s7：重建水下实景三维网格；

11、步骤s8：得到水下实景三维模型；

12、步骤s9：对实景三维模型进行定量分析、评价；

13、步骤s10：通过水下实景三维模型输出水下实景三维数据底板。

14、优选地，水陆一体化定位系统包括母船水上平台和有缆rov（遥控水下机器人）；其中，母船水上平台携带有gnss、罗经、运动传感器和usbl收发器；有缆rov上搭载usbl水下信标。

15、优选地，水下三维摄影测量系统包括水下摄影测量仪器和强光灯，与水陆一体化定位系统协同工作，用于通过usbl水下信标得到水下实景三维的绝对坐标，并采集水下实景三维的多角度影像。

16、优选地，采集水下实景三维多角度影像方法包括：采用水下摄影测量仪器，通过多个角度对待采集的水下实景三维进行拍摄，至少五个不同角度，得到水下实景三维影像；水下实景三维影像中包含清晰的表面纹理信息。

17、优选地，提取特征点及特征点匹配方法具体步骤包括：

18、将水下实景三维影像划分成m行n列的特征区域矩阵；

19、选取固定大小l×l的像素块作为候选特征点大小；

20、取特征区域的最短边长d，以d-l为直径，在水下实景三维影像内作内接圆，将候选特征点邻接分布于内接圆上；

21、计算内接圆圆心处特征点像素值，将中心处像素值记作q，计算在内接圆正上方、正下方、正左方和正右方四处的候选特征点的像素值；

22、将四处候选特征点像素值与q进行比较，若四个候选特征点中，至多有一个像素值小于q，则将候选特征点列入选中特征点，然后按顺时针顺序，依次计算剩余候选特征点的像素值，将像素值较高的四个同样列入选中特征点；若四个候选特征点中，至少有两个像素值小于q，则从正上方开始，按顺时针顺序，依次计算候选特征点的像素值，将像素值较高的八个列入选中特征点；

23、在每个特征区域中选取特征点。

24、优选地，水下实景三维空间点定位方法具体步骤包括：

25、建立实平面与虚平面构建的几何模型；

26、将几何模型转化为代数形式的几何模型矩阵；

27、求解几何模型矩阵；

28、通过投影成像方法计算特征点所对应的实景三维空间点坐标。

29、进一步地，几何模型包括虚平面和实平面，实平面为不同角度的影像，将两个实平面用m1，m2表示；虚平面为三点确定的一个平面，将虚平面用a表示；三点分别为实景三维空间点、实景三维空间点在实平面m1上的投影点、实景三维空间点在实平面m2上的投影点，将三点分别用p、n1、n2表示；

30、虚平面与实平面m1，m2分别存在交线，使用m1，m2表示；几何模型矩阵f为几何模型的代数形式，由于投影点n1的相对点在交线m2上，投影点n1与对应交线m2的关系使用几何模型矩阵表示为：；投影点n2点在交线m2上，因此。

31、进一步地，几何模型矩阵f是具有9个参数的齐次映射矩阵，选取8个特征点进行求解，其中：

32、；

33、将几何模型矩阵f代入到公式中，推出：

34、；

35、其中，将特征点n1、n2的坐标记为和；为几何模型矩阵f的未知参数；通过选取8组特征点即可求解出几何模型矩阵f。

36、进一步地，投影成像方法包括：

37、对于空间中的点p，设点p的相对坐标为；对于影像上的像素点n，设点n的坐标为，通过几何模型矩阵f将空间坐标与影像坐标建立映射，参阅下面的映射公式：

38、，

39、其中，代表影像坐标系中的原点位置，代表微分；

40、将上述映射公式转换为矩阵形式，得到下面的公式：

41、，

42、将cmos芯片与像平面的距离设为，水下实景三维空间点相对于cmos的坐标通过下面的公式得到：

43、；

44、其中，表示光线在水中的畸变率，用于矫正光线折射空气中摄影与在水中摄影的不同，通过镜头畸变特性得到；通过水下摄影测量仪器根据镜头焦距计算得到。

45、优选地，网格重建的具体步骤包括：

46、数据预处理；

47、法线估计；

48、表面重建；

49、纹理映射和着色。

50、进一步地，数据预处理具体步骤包括：

51、清理点云，通过统计滤波算法移除点云中的噪声和离群点；

52、通过体素网格滤波对点云数据进行下采样；

53、法线估计包括：计算局部邻域中点的协方差；

54、表面重建步骤包括：

55、通过球面波重建算法，根据点云和法线信息生成网格；

56、通过网格简化技术减少顶点和三角面的数量；

57、修补网格中的空洞，确保获得闭合的网格；

58、纹理映射和着色包括：通过水下实景三维影像中保存的表面纹理信息，将纹理映射到重建的网格上；通过定义表面的反射率、透明度和粗糙度进行着色。

59、优选地，水下三维实景模型通过对水下实景三维网格进行后处理得到；后处理包括材质渲染、调整色彩平衡和光照配置；

60、优选地，定量评价具体步骤包括：

61、对水下实景三维各处的绝对坐标进行标定，记为；

62、在水下实景三维模型中提取相同位置的坐标数据，记为，其中i表示标定的点数；

63、通过点位误差来定量分析模型的偏差程度，公式为：

64、；

65、；

66、；

67、；

68、其中，表示整体误差，表示各处点位坐标的x轴上误差，表示各处点位坐标的y轴上误差，表示各处点位坐标的z轴上误差。

69、优选地，水下实景三维数据底板指包括水下实景三维模型在内的数据集合，其中包括数据模型和数据资源；数据模型指水下实景三维模型；数据资源指通过获取水下实景三维模型衍生出的成果，包括水下实景三维模型的二维图、地理空间数据和监测数据。

70、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

71、1、本发明基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法，通过利用先进的水下摄影测量技术和定位系统，精确地采集和重建水下的地形、地貌特征，对于科学研究、水下工程和考古调查等领域具有重要价值；同时，通过结合gnss定位、usbl系统等技术手段，综合生成一个高质量的数据底板，从而更全面地理解和分析水下环境。

72、2、本发明基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法通过采用从多个角度获取影像的方式，提高了影像的覆盖范围和质量，确保三维重建的完整性和详细程度；此外，通过先进的特征点提取和匹配算法，能够有效地处理水下影像光线折射、浑浊度等问题，提升模型的准确性和可靠性。

73、3、本发明基于数字孪生技术的水下实景三维数据底板获取方法通过数据预处理和复杂的表面重建步骤，有助于提高模型质量，减少噪声和不规则性，从而获得更真实和精确的三维模型；通过定量的评估，系统地检查和改进模型的质量，确保满足特定的科学和实际应用需求。