一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法 (Sea wave surface three-dimensional model construction system and method based on three-dimensional mapping mode ) 是由 李治远 胡俊 豆虎林 张海泉 周明 于 2021-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法,属于海浪观测技术领域。本发明适用于科考船舶、浮标、石油钻井平台等海上载体进行海浪表面三维模型构建,获取海浪谱信息。根据海浪测量需要,在适宜的载体上固定安装支架,支架上安装立体测图系统,高频同步采集海面立体像对,经过数据处理系统将像对上海浪的同一特征提取处理后,获得特征点的三维坐标,进而构建海浪表面三维模型。本发明提供的一种高精度实时构建海浪表面三维模型的系统和方法,为获取海浪谱信息提供一种有效的途径,对于研究海浪传播演变规律具有十分重要的意义。(The invention provides a system and a method for constructing a three-dimensional model of a sea wave surface based on a three-dimensional mapping mode, and belongs to the technical field of sea wave observation. The method is suitable for sea wave surface three-dimensional model construction of scientific research ships, buoys, oil drilling platforms and other offshore carriers to obtain sea wave spectrum information. According to the requirements of sea wave measurement, a support is fixedly arranged on a proper carrier, a three-dimensional mapping system is arranged on the support, a sea surface three-dimensional image pair is synchronously acquired at high frequency, the same characteristics of sea waves on the image pair are extracted and processed through a data processing system, and then three-dimensional coordinates of characteristic points are obtained, and further a sea wave surface three-dimensional model is constructed. The system and the method for constructing the three-dimensional model of the surface of the sea wave in real time with high precision provide an effective way for obtaining the information of the sea wave spectrum, and have very important significance for researching the propagation and evolution law of the sea wave.)
技术领域
本发明涉及海浪观测技术领域，更具体地说是涉及一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法。
背景技术
海浪，因其对其他海洋动力过程的影响和作用，一直是物理海洋学界研究的焦点。在海浪数值模式发展的基础上，海浪数据同化是提高海浪模拟和预报精度的一种有效途径，而高精度的海浪同化模式依赖于准确的海浪观测数据。
目前海浪观测的一类方法是“点”测量方法，如压力式测波法、浮标式测波法等，但是由于是单点观测，这些装置和方法只能得到特定时间内局部点线上的数据，不能全面反映待测海域的真实海况；并且由于受到观测仪器的区域分布、密度和观测时间的制约，很难通过此类方法获得大面积的测量数据和比较可靠的海浪方向谱。
另一类方法是“面”测量方法，如雷达法，但是雷达观测法重复采样时间低，无法提供高时间分辨率观测数据，对于海面微尺度波的观测法的精度则较低，且通过雷达法获取的海浪方向谱信息的准确性依赖于反演参数的选取，含有经验成分，难以满足海浪理论和部分相关应用研究的需求。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、本发明提供一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统，包括：立体测图系统、安装支架和数据处理系统；
所述立体测图系统由左部和右部构成，包括CCD传感器一、CCD传感器二、AHRS传感器一、AHRS传感器二、GNSS接收机一、GNSS接收机二和信号同步触发器；
其中CCD传感器一通过法兰盘固连在AHRS传感器一上部，GNSS接收机一通过支架固连在CCD传感器一上部，此为左部；类似地，CCD传感器二通过法兰盘固连在AHRS传感器二上部，GNSS接收机二通过支架固连在CCD传感器二上部，此为右部；
所述安装支架包括横杆、框架和支撑腿；
其中横杆用来支撑立体测图系统，横杆中间有凹槽滑轨，可调节立体测图系统的左部和右部在凹槽里滑动，即调节左右部的相对位置；横杆上带有刻度标识，能够反馈和记录立体测图系统左右部的测量中心在横杆上的位移；
其中框架和支撑腿用于支撑横杆；
所述数据处理系统包括软件系统和计算机，用于实现像对的影像匹配、影像定向、目标识别和海浪三维表面模型的构建。
可选地，所述立体测图系统左部的CCD传感器一、AHRS传感器一和GNSS接收机一的测量中心处于同一竖线，立体测图系统右部的CCD传感器二、AHRS传感器二和GNSS接收机二的测量中心处于同一竖线。
可选地，所述立体测图系统中的CCD传感器一、CCD传感器二通过电缆与信号同步触发器相连。
可选地，所述立体测图系统通过旋转竖轴与安装支架的横杆连接，立体测图系统绕旋转竖轴旋转。
可选地，所述立体测图系统中的CCD传感器一、AHRS传感器一和GNSS接收机一、CCD传感器二、AHRS传感器二和GNSS接收机二通过信号线与数据处理系统连接。
可选地，所述数据处理系统用于存储和处理CCD传感器一、CCD传感器二、AHRS传感器一、AHRS传感器二、GNSS接收机一、GNSS接收机二的数据，且具备高精度时钟，能够为各传感器输入的数据打上时间戳。
2、本发明另提供一种立体测图方式的海浪表面三维模型构建的方法，包括以下步骤：
步骤一：将整套用于海浪表面三维模型构建的系统固定在海上载体，确保视野无遮挡；
步骤二：调整立体测图系统在横杆的位置和和方向，确保CCD传感器一、CCD传感器二视野对准同一片海区；
步骤三：开启立体测图系统，同时获取同一片海区的像对；
步骤四：开启数据处理系统，记录并处理CCD传感器一、CCD传感器二、AHRS传感器一、AHRS传感器二、GNSS接收机一、GNSS接收机二的数据；
步骤五：融合立体测图系统的数据，利用软件系统实现海浪表面三维模型的构建。
可选地，步骤二中，通过横杆上的刻度精确计算出左右部之间的距离，实现立体测图系统中左右部在安装支架的横杆上位置的调整。
可选地，步骤五中，立体测图系统的数据包括CCD传感器采集的图像和相机参数；AHRS传感器采集的横摇、纵摇、艏向和heave深沉信息；GNSS接收机采集的定位数据和时间信息；各传感器采集数据时的时间戳信息；以及立体像对左右部在横杆上的刻度信息。
本发明的一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明利用两台CCD传感器同步采集海面上的二维影像，并通过影像匹配、空三解算等过程测量海面三维时空模型，据此获得海浪方向谱。该方式通过空间同步测量获取海浪方向谱，能够弥补其他海浪观测手段针对方向谱观测的不足；并且对海面连续高频采样可以获取海浪方向谱的时间序列，这对于研究海浪传播演变规律具有十分重要的意义。
附图说明
为了更清楚地描述本发明一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法的工作原理，下面将附上简图作进一步说明。
附图1为本发明的基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统的结构示意图；
附图2为本发明的基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统的方法步骤图。
图中各标号表示：
1、GNSS接收机一；2、CCD传感器一；3、AHRS传感器一；4、GNSS接收机二；5、CCD传感器二；6、AHRS传感器二；7、横杆；8、框架和支撑腿；9、同步触发器；10、数据处理系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1、2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统及方法，通过对海浪表面进行立体测图方式观测和数据处理，可以实时构建海浪表面三维模型，进而获得高精度的海浪方向谱的时间序列。实施例一
如附图1所示，本发明的一种基于立体测图方式的海浪表面三维模型构建系统，包括立体测图系统、安装支架和数据处理及控制系统。
1)立体测图系统由左部和右部构成，包括CCD传感器一2、CCD传感器二5、AHRS传感器一3、AHRS传感器二6、GNSS接收机一1、GNSS接收机二4和信号同步触发器9。其中CCD传感器一2通过法兰盘固连在AHRS传感器一3上部，GNSS接收机一1通过支架固连在CCD传感器一2上部，即三者的位置是相对固定的，此称为立体测图系统的左部；类似地，CCD传感器二5通过法兰盘固连在AHRS传感器二6上部，GNSS接收机二4通过支架固连在CCD传感器二5上部，三者的相对位置也是固定的，此称为立体测图系统的右部。
2)安装支架包括横杆7、框架和支撑腿8，其中横杆7用来固定支撑立体测图系统，横杆7中间有凹槽滑轨，可调节立体测图系统的左部和右部在凹槽里滑动，即调节左右部的相对位置；横杆7上带有刻度标识，能够反馈和记录立体测图系统左右部的测量中心在横杆7上的位移，即能确定左右部的相对位置。其中框架和支撑腿8用于支撑横杆7。
3)数据处理系统10包括软件系统和计算机，软件系统能够实现像对的影像匹配、影像定向、目标识别和海浪三维表面模型的构建。
在上述结构基础上，立体测图系统的CCD传感器一2、AHRS传感器一3和GNSS接收机一1的测量中心处于同一竖线，这样便于简化计算和避免进行校准。
在上述结构基础上，立体测图系统的CCD传感器二5、AHRS传感器二6和GNSS接收机二4的测量中心处于同一竖线，这样便于简化计算和避免进行校准。
在上述结构基础上，立体测图系统中的两台CCD传感器通过电缆与信号同步触发器9相连，例如上升沿触发器或者下降沿触发器，这样可以确保两台CCD传感器能够同时抓取海面影像。
在上述结构基础上，立体测图系统通过旋转竖轴与安装支架的横杆7连接，可调节立体测图系统绕着旋转竖轴旋转，这样便于调整海浪测区或CCD传感器的视野，而旋转的角度完全可由AHRS传感器记录信息得到，无需单独设置测角度盘。
在上述结构基础上，立体测图系统中的CCD传感器、AHRS传感器和GNSS接收机通过信号线与数据处理系统10连接，数据处理系统10可实时接收各传感器的数据。
在上述结构基础上，数据处理系统10能够存储和处理CCD传感器、AHRS传感器和GNSS接收机的数据，且具备高精度时钟，能够为各传感器输入的数据打上时间戳。CCD传感器采集的数据包括图像和相机参数，AHRS传感器采集的数据包括横摇、纵摇、艏向和heave深沉信息，GNSS接收机采集的数据包括定位数据和时间信息。
实施例二
结合附图2，本发明的一种用于海上载体的海浪表面三维模型构建的方法，包括以下步骤：
步骤一：将整套用于海浪表面三维模型构建的系统固定在海上载体，确保视野无遮挡；
步骤二：调整立体测图系统在横杆7的位置和和方向，确保两个CCD传感器视野对准同一片海区；
步骤三：开启立体测图系统，同时捕获同一片海区的像对；
步骤四：开启数据处理系统10，记录并处理CCD传感器、AHRS传感器和GNSS接收机的数据；
步骤五：融合立体测图系统的数据，利用软件系统实现相对匹配和定向及海浪表面三维模型的构建。
在本方法的步骤二中，调整立体测图系统的左右部在安装支架的横杆7上的位置时，通过横杆7上的刻度可以精确计算出左右部测量中心之间的距离。
在本方法的步骤五中，融合立体测图系统的数据包括CCD传感器采集的图像和相机参数；AHRS传感器采集横摇、纵摇、艏向和heave深沉信息；GNSS接收机采集的定位数据和时间信息；各传感器采集数据时的时间戳信息；以及立体像对左右部在横杆7上的刻度信息。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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