卵石床面水下图像的采集装置

本公开属于环境与水利工程、河流地貌、水生态、山地灾害测量领域，尤其涉及一种卵石床面水下图像的采集装置。

背景技术：

1、卵石河流在自然界广泛分布，坡度在坡度较陡的基岩河流与坡度较缓的沙质河流之间，一些发源于卵石河流古河道的湖泊也具有卵石床面，我国青藏高原腹地及其边缘分布有大量卵石河流及卵石床面的湖泊。卵石床面的地貌、水力、生态等特征是这些区域的基础设施工程建设、城镇化发展、地质灾害防范、人居环境改善、水污染治理、生态多样性修复和保护等方面工作的基础信息。

2、图像是常见的基于可见光的信息采集方法，其包含的丰富信息可以有效支持卵石床面地形、粒径、生态等信息的提取。特别是随着近些年机器视觉技术的快速进步，图像采集成为众多测量技术的基础。比如，双目及多目视觉的摄影测量方法就是基于已知空间位置的彼此重叠的图像进行地形的三维重构，已经应用于干燥卵石床面的地形测量，并且具有应用于水下卵石床面三维地形直接测量的潜力；基于已知像素比尺的图像可以对卵石床面的石块进行边缘检测和自动识别，从而获取床面级配曲线；基于卵石床面的水下图像，在水体清晰前提下还可以获取水体中鱼类等生物的时空分布信息。由此可见，卵石床面的水下图像采集是众多测量工作的基础。

3、然而，现有卵石床面的水下图像采集不论是在野外还是实验室多通过手持相机完成拍摄。手持拍摄的问题在于标准化程度较低，获取单张图像尚可，但地形及生态测量中往往需要多张图像，对图像的重叠度、空间分辨率等均有严格要求，手持拍摄难以满足，且耗时较长。虽然部分场景下也由安装摄像头和云台的无人机替代，但是在植被茂密的山区小河以及实验室条件则受到诸多限制，难以满足很多基于图像的测量技术要求。针对前述卵石床面水下图像采集存在的问题，需要开发专门的卵石床面水下图像采集装置。

技术实现思路

1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本公开实施例提供的自动化和集成度高、操作方便且易满足拍摄空间分辨率要求的卵石床面水下图像的采集装置，包括：

3、相机，用于拍摄卵石床面的水下图像序列；

4、纵向模组，包括沿顺水流方向或目标区域水面长度方向水平放置在目标区域水面两侧的纵向滑轨和设置于所述纵向滑轨上且可其移动的纵向滑块，规定沿所述纵向滑轨的轴向为x轴方向，所述纵向模组用于改变所述相机沿x轴的位置；

5、横向模组，包括沿垂直水流方向或沿目标区域水面宽度方向水平放置的横向滑轨和设置于所述横向滑轨上且可沿其移动的横向滑块，所述横向滑轨的端部与所述纵向滑块连接，通过所述纵向模组改变所述横向滑轨沿x轴方向的位置，规定沿所述横向滑轨的轴向为y轴方向，所述横向模组用于改变所述相机沿y轴的位置；

6、垂向模组，包括与所述横向滑块并随其运动的垂向滑轨、设置于所述垂向滑轨上且可沿其移动的垂向滑块和与所述垂向滑块连接并随其运动的支架，所述支架的末端安装有用于固定所述相机的云台，所述垂向滑轨的轴向垂直于xy平面，且规定沿所述垂向滑轨的轴向为z轴方向，所述垂向模组用于改变所述相机沿z轴的位置，即相机的高度；

7、控制点，布设在目标区域水面的两侧，包括上表面绘有规则几何图案且坡度保持水平的平板，所述几何图案具有明确的中心点位置，将该中心点位置定义为控制点的坐标，要求每张卵石床面的水下图像中最少能拍到2个所述控制点；和

8、控制模块，用于控制所述纵向模组、所述横向模组和所述垂向模组的运动方式以及运动速度和目标位置，并控制所述相机的拍摄参数和接收所述相机拍摄的水下图像序列。

9、在一些实施例中，所述相机的高度应同时满足以下要求：①满足图像采集的空间分辨率要求，②每个控制点的中心点清晰可见，③目标区域的水面宽度在单张卵石床面的水下图像中不应超过设定阈值。

10、在一些实施例中，利用rtk gps、全站仪或激光扫描仪测量所述控制点的坐标。

11、在一些实施例中，所述控制模块控制横向模组和纵向模组以逐横断面扫描的方式拍摄水下图像序列。

12、在一些实施例中，所述控制模块控制横向模组的横向滑块以等间隔的方式运动，且x轴方向相邻两张水下图像的重叠度满足重叠度要求。

13、在一些实施例中，所述控制模块控制纵向模组的纵向滑块以等间隔的方式运动，且y轴方向相邻两张水下图像的重叠度满足重叠度要求。

14、在一些实施例中，所述纵向模组、所述横向模组和所述垂向模组中分别设有用于确定各自滑块位置的定位器，各定位器分别采用固定在各自滑轨一端的点激光测距仪实现滑块测距和定位。

15、本公开的有益效果为：

16、1、装置自动化、集成化程度高，操作方便；

17、2、通过调节相机高度和图像分辨率可实现拍摄空间分辨率的精细控制；

18、3、拍摄过程不会对水体造成干扰，也不需要停水；

19、4、成本较低、布置简单，不需要防水设备。

技术特征：

1.一种卵石床面水下图像的采集装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述相机的高度应同时满足以下要求：①满足图像采集的空间分辨率要求，②每个控制点的中心点清晰可见，③目标区域的水面宽度在单张卵石床面的水下图像中不应超过设定阈值。

3.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，利用rtkgps、全站仪或激光扫描仪测量所述控制点的坐标。

4.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述控制模块控制横向模组和纵向模组以逐横断面扫描的方式拍摄水下图像序列。

5.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述控制模块控制横向模组的横向滑块以等间隔的方式运动，且x轴方向相邻两张水下图像的重叠度满足重叠度要求。

6.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述控制模块控制纵向模组的纵向滑块以等间隔的方式运动，且y轴方向相邻两张水下图像的重叠度满足重叠度要求。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的采集装置，其特征在于，所述纵向模组、所述横向模组和所述垂向模组中分别设有用于确定各自滑块位置的定位器，各定位器分别采用固定在各自滑轨一端的点激光测距仪实现滑块测距和定位。

技术总结
本公开提供的卵石床面水下图像的采集装置，包括：相机；纵向模组、横向模组和垂向模组，用于调节相机X、Y、Z方向的坐标；控制点，控制点的上表面绘有规则的几何图案，且有明确的中心点位置，将该中心点位置定义为控制点的坐标，要求每张卵石床面的水下图像中能拍到多个控制点；和控制模块，用于控制纵向模组、横向模组和垂向模组的运动方式以及运动速度和目标位置，并控制相机的拍摄参数和接收相机拍摄的水下图像序列。本公开的自动化和集成度高，操作方便，易满足拍摄空间分辨率要求，且成本较低、布置简单，也不会对观测对象产生干扰。

技术研发人员：张晨笛,孙傲然,张国涛,任海涛
受保护的技术使用者：中国科学院地理科学与资源研究所
技术研发日：20230511
技术公布日：2024/1/15