專利名稱：河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置及其數(shù)據(jù)采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，具體涉及一種可以觀察到河床表面形態(tài)的河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置及其數(shù)據(jù)采集方法。
背景技術(shù)：
研究在天然情況下或者河流上修建了橋梁、大壩等工程之后，河流的水沙運(yùn)動規(guī)律及河床演變過程的方法有兩種河工模型和數(shù)學(xué)模型。焦愛萍等論述了兩種方法的關(guān)系(焦愛萍，張耀先，封克儉.河工物理模型和泥沙數(shù)學(xué)模型的關(guān)系[J].人民黃河，2002, 24(7) : 17+23.)。使用數(shù)學(xué)模型來研究水沙問題具有周期短、投資少的特點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和泥沙數(shù)學(xué)模型的不斷完善，這種方法越來越受到重視。但是由于水沙運(yùn)動過程很復(fù)雜，研究水沙運(yùn)動主要還是使用河工模型，特別是河工動床模型。在河工動床模型中最重要的工作就是對河床地形的測量，測量儀器及方法主要有以下幾種電阻式界面判別儀，它是利用探頭兩極在水中和淤積面上電阻的差異來確定河床界面。姚曉明等指出該儀器測量精度很大程度受到探頭結(jié)構(gòu)限制，可靠性受到電路抗干擾能力影響(姚曉明，李旺興，肖方祥.實(shí)用性沖淤界面判別儀[J].泥沙研究，1996(2) :109-112.)。電阻式界面判別儀適用于水下地形的測量，對水體透光性要求不高，屬于單點(diǎn)接觸式測量，效率不高，且對地形有一定破壞性。
光電反射式地形儀，其傳感器上有光發(fā)射纖維束和光接收纖維束，當(dāng)接觸到淤積面時(shí)，利用淤積物的阻光作用獲得淤積面信號。唐洪武等對其進(jìn)行深入研究(唐洪武，李瑾，周浩祥.光電反射式地形儀的研制及應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，1995，23(1) :80-84.)后指出光電反射式地形儀能在有水情況下和無水情況下對地形進(jìn)行測量，但是在有水情況下會受到含沙量的影響，同時(shí)也是單點(diǎn)接觸式測量。
超聲波地形儀，它是利用超聲波回波反射原理，測定河床表面到超聲波探頭的垂直距離。該儀器是非接觸式測量，不破壞地形的自然狀態(tài)，測量速度快。王振先等經(jīng)過在勝利油田灘海工程模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的現(xiàn)場測量(王振先，金歡陽.實(shí)驗(yàn)室用超聲地形儀[J]. 海洋工程，2001，19(1) :94-98.)，認(rèn)識到超聲波測量地形時(shí)受到水體鹽度、溫度，含沙量、粒徑及入射角度等因素的影響。
激光地形儀，它包括單點(diǎn)測距的全站儀和三維地形激光掃描儀。工作原理是利用發(fā)射和接收脈沖式激光的時(shí)間差來計(jì)算距離。三維地形激光掃描儀則是以大量空間點(diǎn)的方式再現(xiàn)被測物體形態(tài)。國外在激光測量地形上研究較早，例如Siefko Slob等學(xué)者(Siefko Slob, Robert Hack. 3D Terrestrial Laser Scanning as a New Field Measurement and Monitoring Technique, Lecture Notes in Earth Sciences,2004，104:179-189.)的石開究，黃河水利科學(xué)研究院也引進(jìn)法國MENSI公司研制的GS200激光掃描儀進(jìn)行地形量測工作。與其他測量方式相比，三維激光掃描儀是目前很先進(jìn)的測量儀器，它可以對地形進(jìn)行大范圍、高精度、高效率的測量，但是由于生產(chǎn)海量數(shù)據(jù)，所以后處理工作量大，而且它無法實(shí)現(xiàn)水下地形的測量，最重要的是儀器價(jià)格昂貴，不易推廣普及。
攝影測量技術(shù)，它是通過攝影測量的方法，對目標(biāo)確定其外形、形態(tài)和幾何位置的技術(shù)，是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段，包括近景攝影測量和構(gòu)造光線法等。曲兆松發(fā)明的“水下三維地形測量系統(tǒng)”(曲兆松.水下三維地形測量系統(tǒng)[P]. 中國專利CN 101000233 A，2007-07-18.)屬于構(gòu)造光線法，該方法適用于低流速、低含沙量的水下測量，不足是不能對采集的圖像進(jìn)行校正。徐向舟等發(fā)明的“一種沖刷地形的三維觀測方法”(大連理工大學(xué).一種沖刷地形的三維觀測方法[P].中國專利.CN 102032902 A, 2011-04-27.)也屬于構(gòu)造光線法，優(yōu)點(diǎn)是測量準(zhǔn)確度提高，不足是儀器構(gòu)造復(fù)雜。總之?dāng)z影測量是非接觸性量測，測量速度快、精度高，圖像數(shù)據(jù)直觀豐富，且易存儲和更新。隨著電子科技的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)字?jǐn)z影測量將成為一種趨勢。發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前單點(diǎn)測量儀器工作效率低、接觸式測量儀器破壞地形面、激光地形掃描價(jià)格昂貴且不能測量水下地形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測量儀器不易推廣的問題，本發(fā)明提供出一種可以觀察到河床表面形態(tài)的河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置及其數(shù)據(jù)采集方法，該數(shù)據(jù)采集裝置非接觸式自動化測量，適用于可以觀察到河床表面形態(tài)的測量，包括無水地形測量、水下地形測量和動態(tài)沙波監(jiān)測等。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種河工動床模型地形測量裝置，包括支架、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和電源，所述支架包括兩塊平板和兩根相互平行的軌道梁；其中，平板下面設(shè)有四個(gè)萬向輪，平板上面垂直固定有兩根支柱，且兩根支柱的上端通過橫梁固定連接；所述橫梁上穿有一個(gè)U型槽輪；兩根軌道梁的左端分別與一根橫梁的兩端固定連接，兩根軌道梁的右端分別與另一根橫梁的兩端固定連接；所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括平移裝置、地形輪廓獲取裝置和圖像采集及校正裝置；所述平移裝置包括承臺、升降電機(jī)、牽引電機(jī)和配重；其中，承臺的中心設(shè)有一個(gè)空洞且承臺兩側(cè)分別裝有兩個(gè)車輪，承臺兩側(cè)的車輪分別置于兩根軌道梁上；承臺一端通過牽引鋼絲與設(shè)于平板上的牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，且該牽引鋼絲繞在相鄰U型槽輪槽內(nèi)；承臺另一端也通過牽引鋼絲與配重連接，且牽引鋼絲繞在另一個(gè)U型槽輪槽內(nèi)；升降電機(jī)設(shè)于承臺上，升降電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有升降鋼絲，且升降鋼絲穿過承臺中心的空洞；所述地形輪廓獲取裝置包括上穩(wěn)定板、下穩(wěn)定板、同步電機(jī)、電子云臺和一字激光器； 其中，上穩(wěn)定板與下穩(wěn)定板形狀相同，升降鋼絲與上穩(wěn)定板中心位置連接；下穩(wěn)定板與上穩(wěn)定板相互平行，下穩(wěn)定板與上穩(wěn)定板之間通過兩根連桿連接，兩根連桿相對于上穩(wěn)定板中心對稱,下穩(wěn)定板中心設(shè)有一個(gè)空洞，同步電機(jī)的外殼固定在下穩(wěn)定板中心的空洞中；同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與電子云臺的基座固定連接，電子云臺的外殼上固定有兩根水平對稱的旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿末端均安裝有水準(zhǔn)氣泡器；一字激光器通過兩顆L形螺絲連接在電子云臺的底部，一字激光器的發(fā)射口垂直向下，且一字激光器發(fā)射出的激光線與旋轉(zhuǎn)桿垂直；所述圖像采集及校正裝置包括框架、攝像頭、萬向桿和點(diǎn)激光器；其中，框架由四塊擋板首尾相連而成；框架左、右兩側(cè)的擋板及底部的擋板上分別裝有一個(gè)點(diǎn)激光器，且三個(gè)點(diǎn)激光器發(fā)射的點(diǎn)激光相互平行；框架的頂部擋板與萬向桿的萬向節(jié)固定連接，萬向桿的桿端與旋轉(zhuǎn)桿末端固定連接，且萬向桿與旋轉(zhuǎn)桿相互垂直；攝像頭設(shè)于框架內(nèi)，并通過螺絲與框架頂部擋板固定；所述升降電機(jī)、牽引電機(jī)、同步電機(jī)、電子云臺和攝像頭通過電纜與計(jì)算機(jī)串口連接； 所述計(jì)算機(jī)、升降電機(jī)、牽引電機(jī)、同步電機(jī)、電子云臺、一字激光器、攝像頭和點(diǎn)激光器通過電線與電源連接。
河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，該方法步驟如下1)接通電源，啟動計(jì)算機(jī)；在計(jì)算機(jī)上安裝串口控制軟件、攝像頭控制軟件和圖像校正與識別軟件；2)把支架推動到河工動床模型測量區(qū)域的上方，操作計(jì)算機(jī)控制牽引電機(jī)牽引地形輪廓獲取裝置至河工動床模型測量區(qū)域的中心位置的正上方；打開一字激光器，操作計(jì)算機(jī)控制升降電機(jī)調(diào)整地形輪廓獲取裝置距離河工動床模型的高度，從而確定圖像采集及校正裝置數(shù)據(jù)采集區(qū)域的范圍；3)操作計(jì)算機(jī)控制電子云臺調(diào)整旋轉(zhuǎn)桿水平于地面；選擇一個(gè)圖像采集及校正裝置使用，并打開該裝置上的三個(gè)點(diǎn)激光器，手動操作萬向桿調(diào)節(jié)攝像頭拍攝角度，然后測量記錄三根點(diǎn)激光之間的距離用于圖像校正；操作計(jì)算機(jī)打開攝像頭并調(diào)整攝像頭焦距，使激光線和校正點(diǎn)完整的顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上；4)操作計(jì)算機(jī)控制同步電機(jī)和攝像頭，同步電機(jī)以一個(gè)角度增量旋轉(zhuǎn)，當(dāng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)動一個(gè)角度增量后，攝像頭自動拍攝一張圖像儲存到計(jì)算機(jī)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)動360°后，完成對河工動床模型測量區(qū)域的圖像采集；5)操作計(jì)算機(jī)使用三點(diǎn)法對計(jì)算機(jī)儲存的圖像進(jìn)行變形矯正，操作計(jì)算機(jī)使用圖像識別技術(shù)完成對校正后圖像上斷面曲線的提取，完成對河工動床模型測量區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。
本發(fā)明的有益效果是采集的地形圖像信息豐富直觀，也易于保存及更新。對地形面信息進(jìn)行點(diǎn)群式采集，與單點(diǎn)測量儀器相比測量效率大大提高。屬于無接觸式測量，避免破壞測量地形形態(tài)。適用于多種情況的地形測量，例如無水地形測量、水下地形測量和動態(tài)沙波監(jiān)測等。與昂貴的測量儀器相比，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于推廣。


圖I是本發(fā)明的河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中的地形輪廓獲取裝置局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中的圖像采集及校正裝置構(gòu)造立體圖。
圖4是本發(fā)明中的圖像采集及校正裝置構(gòu)造俯視圖。
圖5是本發(fā)明中的圖像采集及校正裝置構(gòu)造正視圖。
圖6是本發(fā)明中的圖像采集及校正裝置構(gòu)造側(cè)視圖。
圖中1.計(jì)算機(jī)，2.電源，3.平板，4.軌道梁，5.萬向輪，6.支柱，7.橫梁，8. U型槽輪，9.河工動床模型，10.承臺，11.升降電機(jī)，12.牽引電機(jī)，13.配重，14.車輪，15.牽引鋼絲，16.升降鋼絲，17.上穩(wěn)定板，18.下穩(wěn)定板，19.同步電機(jī),20.電子云臺，21. —字激光器，22.連桿，23.旋轉(zhuǎn)桿，24. L形螺絲，25.激光線，26.框架，27.攝像頭，28.萬向桿， 29.點(diǎn)激光器，30.擋板，31.水準(zhǔn)氣泡器，32.螺絲，33.點(diǎn)激光，34.校正點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置，包括支架、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)I (聯(lián)想IPC-610H 工控機(jī))和電源2 (220V交流電)；所述支架包括兩塊平板3(厚6mm，長0. 5mX寬0. 3m的鋼板)和兩根相互平行且有0. 3m 間距的軌道梁4 (長3m，外徑30mm、壁厚3mm的鋼管)；其中，平板3下面焊接有四個(gè)萬向輪 5 (BDS加強(qiáng)型2寸萬向輪)，平板3上面垂直焊接有兩根支柱6 (長2. 5m，外徑30mm、壁厚 3mm的鋼管)，且兩根支柱6的上端通過橫梁7 (長0. 3m，直徑15mm的鋼筋)焊接固定；所述橫梁7上穿有一個(gè)U型槽輪8 (天津特種軸承廠45#槽輪)；兩根軌道梁4的左端分別與一根橫梁7的兩端焊接固定，兩根軌道梁4的右端分別與另一根橫梁7的兩端焊接固定； 所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括平移裝置、地形輪廓獲取裝置和圖像采集及校正裝置；所述平移裝置包括承臺10 (厚5mm、0. 25mX0. 25m的鋼板)、升降電機(jī)11 (南祥機(jī)電廠 DJM-400-1P/3P電機(jī))、牽引電機(jī)12 (南祥機(jī)電廠的DJM-400-1P/3P電機(jī))和配重13 (10千克重的鐵塊);其中，承臺10的中心有一個(gè)直徑50mm的空洞、兩側(cè)分別焊上兩個(gè)車輪14 (炎盛3寸U型鐵槽輪)，承臺10兩側(cè)的車輪14分別置于兩根軌道梁4上；承臺10 —端焊接牽引鋼絲15 (直徑5mm鋼絲)一端，牽引鋼絲15另一端與設(shè)于平板3上的牽引電機(jī)12的轉(zhuǎn)軸焊接，且牽引鋼絲15繞在相鄰的U型槽輪8槽內(nèi)；承臺10另一端焊接另一根牽引鋼絲15 一端，牽引鋼絲15另一端與配重13焊接，且牽引鋼絲15繞在另一個(gè)U型槽輪8槽內(nèi)；升降電機(jī)11設(shè)于承臺10上，升降電機(jī)11的轉(zhuǎn)軸上焊接有升降鋼絲16 (直徑5mm鋼絲)，且升降鋼絲16穿過承臺10中心的空洞；所述地形輪廓獲取裝置包括上穩(wěn)定板17 (厚5mm,長0. 4mX0. 20m鋼質(zhì),兩端打磨成半徑為0. 13m的圓弧)、下穩(wěn)定板18 (厚5mm,長0. 4mX0. 20m鋼質(zhì),兩端打磨成半徑為0. 13m 的圓弧，中心有一個(gè)直徑為0. 13m的空洞)、同步電機(jī)19(松亞電機(jī)控制廠130BYG350-180電機(jī))、電子云臺20 (恒奧德儀器儀表有限公司HHY-PIH-303電子云臺)和一字激光器21 (富喆科技有限公司FU635L5-C9紅色激光器)；其中，升降鋼絲16焊接在上穩(wěn)定板17中心位置；下穩(wěn)定板18與上穩(wěn)定板17相互平行、間距0. 3m，下穩(wěn)定板18與上穩(wěn)定板17之間通過兩根連桿22 (長0. 3m，直徑15mm的鋼筋)焊接，兩根連桿22相距0. 3m、并相對于上穩(wěn)定板 17中心對稱，同步電機(jī)19的外殼焊接在下穩(wěn)定板18中心的空洞中；同步電機(jī)19的轉(zhuǎn)軸與電子云臺20的基座焊接固定，電子云臺20的外殼上焊接有兩根水平對稱的旋轉(zhuǎn)桿23 (長0.6m、外徑30mm的鋁合金管)，旋轉(zhuǎn)桿23末端均安裝有水準(zhǔn)氣泡器31 (北方衡達(dá)水準(zhǔn)氣泡器)；一字激光器21通過兩顆30mm長的L形螺絲24焊接在電子云臺20的底部，且一字激光器21發(fā)射出的激光線25與旋轉(zhuǎn)桿23垂直；所述圖像采集及校正裝置包括框架26、攝像頭27(索尼WS-QS3018Y攝像頭)、萬向桿28 (德配機(jī)械設(shè)備有限公司的萬向連接桿)和點(diǎn)激光器29 (富喆科技有限公司FU532D50-C12 綠色激光器)；其中，框架26由四塊擋板30 (長70mmX寬50mm的鐵板)首尾焊接而成；框架26左、右兩側(cè)的擋板及底部的擋板分別焊接一個(gè)點(diǎn)激光器29，并且三個(gè)點(diǎn)激光器29發(fā)射的點(diǎn)激光33相互平行；框架26的頂部擋板與萬向桿28的萬向節(jié)焊接，萬向桿28的桿端與旋轉(zhuǎn)桿23末端焊接，且萬向桿28與旋轉(zhuǎn)桿23相互垂直；攝像頭27設(shè)于框架26內(nèi)，并通過螺絲32與框架26頂部擋板固定；所述升降電機(jī)11、牽引電機(jī)12、同步電機(jī)19、電子云臺20和攝像頭27通過電纜與計(jì)算7機(jī)I串口連接；所述計(jì)算機(jī)I、升降電機(jī)11、牽引電機(jī)12、同步電機(jī)19、電子云臺20、一字激光器21、攝像頭27和點(diǎn)激光器29通過電線與電源2連接。
河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，該方法步驟如下1)接通電源2，啟動計(jì)算機(jī)I;在計(jì)算機(jī)I上安裝串口控制軟件(通用串口通訊軟件 V2. 5)、攝像頭控制軟件(Sony Realshot Manager 4. 0)和圖像校正與識別軟件(MathWorks MATLAB 7. 0)；2)把支架推動到河工動床模型9測量區(qū)域的上方，河工動床模型9(長4mX寬2mX高 Im);操作計(jì)算機(jī)I通過串口控制軟件控制牽引電機(jī)12牽引地形輪廓獲取裝置至河工動床模型9測量區(qū)域的中心位置的正上方；打開一字激光器21，操作計(jì)算機(jī)I通過串口控制軟件控制升降電機(jī)11調(diào)整地形輪廓獲取裝置距離河工動床模型9的高度，因?yàn)楦淖兊匦屋喞@取裝置距離河工動床模型9的高度可以改變一字激光器21發(fā)射的激光線25在河工動床模型9地形上投影的長度，從而確定圖像采集及校正裝置數(shù)據(jù)采集區(qū)域的范圍；3)操作計(jì)算機(jī)I通過串口控制軟件控制電子云臺20調(diào)整旋轉(zhuǎn)桿23水平于地面，當(dāng)水準(zhǔn)氣泡器31氣泡居中時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿23水平于地面；選擇一個(gè)圖像采集及校正裝置使用，并打開該裝置上的三個(gè)點(diǎn)激光器29，手動操作萬向桿28調(diào)節(jié)攝像頭27拍攝角度，測量記錄三根點(diǎn)激光33之間的距離用于圖像校正；操作計(jì)算機(jī)I通過攝像頭控制軟件打開攝像頭27并控制攝像頭27調(diào)整攝像頭27焦距，使激光線25和校正點(diǎn)34完整的顯示在計(jì)算機(jī)I的屏眷上;4)操作計(jì)算機(jī)I通過串口控制軟件控制同步電機(jī)19、通過攝像頭控制軟件控制攝像頭 27，同步電機(jī)19以一個(gè)角度增量旋轉(zhuǎn)，當(dāng)同步電機(jī)19轉(zhuǎn)動一個(gè)角度增量后，攝像頭27自動拍攝一張圖像儲存到計(jì)算機(jī)1，同步電機(jī)19轉(zhuǎn)動360°后，完成對河工動床模型9測量區(qū)域的圖像采集；5)操作計(jì)算機(jī)I使用圖像校正與識別軟件通過三點(diǎn)法對計(jì)算機(jī)I儲存的圖像進(jìn)行傾斜線性矯正，原理是利用三根點(diǎn)激光33平行投影性質(zhì)以及仿射坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系完成傾斜圖像的矯正，可以參照羅月童等的《基于三點(diǎn)的航拍圖像傾斜校正方法及其應(yīng)用》(羅月童，朱曉強(qiáng)，劉曉平.基于三點(diǎn)的航拍圖像傾斜校正方法及其應(yīng)用[A]中國儀器儀表學(xué)會第九屆青年學(xué)術(shù)會議論文集[C]，2007.);操作計(jì)算機(jī)I使用圖像校正與識別軟件通過圖像識別技術(shù)完成對校正后圖像上斷面曲線的提取，原理通過搜索曲線在圖像矩陣中的位置，再與真實(shí)坐標(biāo)相比較來確定比例因子，除去曲線外所有特征(如圖片噪聲等)，進(jìn)而提取出曲線在圖像上的坐標(biāo)，乘以比例因子就得到曲線各點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)值，可以參照付昆昆等的《基于MATLAB的圖像曲線數(shù)據(jù)提取方法》(付昆昆，鄭百林，李鑫.基于MATLAB的圖像曲線數(shù)據(jù)提取方法[J]汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2010，25(2) :51-55, 63.)，完成對河工動床模型測量區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。
權(quán)利要求
1.一種河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于該裝置包括支架、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)(I)和電源(2)；所述支架包括兩塊平板(3)和兩根相互平行的軌道梁(4);其中，平板(3)下面設(shè)有四個(gè)萬向輪(5 )，平板(3 )上面垂直固定有兩根支柱(6 )，且兩根支柱(6 )的上端通過橫梁(7 ) 固定連接；所述橫梁(7)上穿有一個(gè)U型槽輪(8);兩根軌道梁(4)的左端分別與一根橫梁(7)的兩端固定連接，兩根軌道梁(4)的右端分別與另一根橫梁(7)的兩端固定連接；所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括平移裝置、地形輪廓獲取裝置和圖像采集及校正裝置；所述平移裝置包括承臺(10)、升降電機(jī)(11)、牽引電機(jī)(12)和配重(13);其中，承臺(10)的中心設(shè)有一個(gè)空洞且承臺(10)兩側(cè)分別裝有兩個(gè)車輪(14)，承臺(10)兩側(cè)的車輪(14)分別置于兩根軌道梁(4)上；承臺(10) —端通過牽引鋼絲(15)與設(shè)于平板(3)上的牽引電機(jī)(12) 的轉(zhuǎn)軸連接，且該牽引鋼絲(15)繞在相鄰U型槽輪(8)槽內(nèi)；承臺(10)另一端也通過牽引鋼絲(15)與配重(13)連接，且牽引鋼絲(15)繞在另一個(gè)U型槽輪(8)槽內(nèi)；升降電機(jī)(11) 設(shè)于承臺(10)上，升降電機(jī)(11)的轉(zhuǎn)軸上連接有升降鋼絲(16)，且升降鋼絲(16)穿過承臺(10)中心的空洞；所述地形輪廓獲取裝置包括上穩(wěn)定板(17)、下穩(wěn)定板(18)、同步電機(jī)(19)、電子云臺(20)和一字激光器(21);其中，上穩(wěn)定板(17)與下穩(wěn)定板(18)形狀相同，升降鋼絲(16)與上穩(wěn)定板(17)中心位置連接；下穩(wěn)定板(18)與上穩(wěn)定板(17)相互平行，下穩(wěn)定板(18)與上穩(wěn)定板(17)之間通過兩根連桿(22)連接，兩根連桿(22)相對于上穩(wěn)定板(17)中心對稱， 下穩(wěn)定板(18)中心設(shè)有一個(gè)空洞，同步電機(jī)(19)的外殼固定在下穩(wěn)定板(18)中心的空洞中；同步電機(jī)(19)的轉(zhuǎn)軸與電子云臺(20)的基座固定連接，電子云臺(20)的外殼上固定有兩根水平對稱的旋轉(zhuǎn)桿(23)，旋轉(zhuǎn)桿(23)末端均安裝有水準(zhǔn)氣泡器(31);—字激光器(21) 通過兩顆L形螺絲(24)連接在電子云臺(20)的底部，一字激光器(21)的發(fā)射口垂直向下， 且一字激光器(21)發(fā)射出的激光線(25)與旋轉(zhuǎn)桿(23)垂直；所述圖像采集及校正裝置包括框架(26)、攝像頭(27)、萬向桿(28)和點(diǎn)激光器(29)； 其中，框架(26)由四塊擋板(30)首尾相連而成；框架(26)左、右兩側(cè)的擋板及底部的擋板上分別裝有一個(gè)點(diǎn)激光器(29)，且三個(gè)點(diǎn)激光器(29)發(fā)射的點(diǎn)激光(33)相互平行；框架(26)的頂部擋板與萬向桿(28)的萬向節(jié)固定連接，萬向桿(28)的桿端與旋轉(zhuǎn)桿(23)末端固定連接，且萬向桿(28 )與旋轉(zhuǎn)桿(23 )相互垂直；攝像頭(27 )設(shè)于框架(26 )內(nèi)，并通過螺絲(32)與框架(26)頂部擋板固定；所述升降電機(jī)(11)、牽引電機(jī)(12)、同步電機(jī)(19)、電子云臺(20)和攝像頭(27)通過電纜與計(jì)算機(jī)(I)串口連接；所述計(jì)算機(jī)(I )、升降電機(jī)(11 )、牽引電機(jī)(12 )、同步電機(jī) (19)、電子云臺(20)、一字激光器(21)、攝像頭(27)和點(diǎn)激光器(29)通過電線與電源(2)連接。
2.一種使用權(quán)利要求I所述河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法， 其特征在于該方法步驟如下1)接通電源(2)，啟動計(jì)算機(jī)(I);在計(jì)算機(jī)(I)上安裝串口控制軟件、攝像頭控制軟件和圖像校正與識別軟件；2)把支架推動到河工動床模型(9)測量區(qū)域的上方，操作計(jì)算機(jī)(I)控制牽引電機(jī)(12)牽引地形的正上方；打開一字激光器(21)，操作計(jì)算機(jī)(I)控制升降電機(jī)(11)調(diào)整地形輪廓獲取裝置距離河工動床模型(9)的高度，從而確定圖像采集及校正裝置數(shù)據(jù)采集區(qū)域的范圍；3)操作計(jì)算機(jī)(I)控制電子云臺(20)調(diào)整旋轉(zhuǎn)桿(23)水平于地面；選擇一個(gè)圖像采集及校正裝置使用，并打開該裝置上的三個(gè)點(diǎn)激光器(29)，手動操作萬向桿(28)調(diào)節(jié)攝像頭(27)拍攝角度，然后測量記錄三根點(diǎn)激光(33)之間的距離用于圖像校正；操作計(jì)算機(jī)(I) 打開攝像頭(27)并調(diào)整攝像頭(27)焦距，使激光線(25)和校正點(diǎn)(34)完整的顯示在計(jì)算機(jī)(I)的屏幕上；4)操作計(jì)算機(jī)(I)控制同步電機(jī)(19)和攝像頭(27)，同步電機(jī)(19)以一個(gè)角度增量旋轉(zhuǎn)，當(dāng)同步電機(jī)(19)轉(zhuǎn)動一個(gè)角度增量后，攝像頭(27)自動拍攝一張圖像儲存到計(jì)算機(jī)(1)，同步電機(jī)(19)轉(zhuǎn)動360°后，完成對河工動床模型(9)測量區(qū)域的圖像采集；5)操作計(jì)算機(jī)(I)使用三點(diǎn)法對計(jì)算機(jī)(I)儲存的圖像進(jìn)行變形矯正，操作計(jì)算機(jī)(I) 使用圖像識別技術(shù)完成對校正后圖像上斷面曲線的提取，完成對河工動床模型(9)測量區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。
全文摘要
一種河工動床模型地形數(shù)據(jù)采集裝置及其數(shù)據(jù)采集方法，該裝置包括支架、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和電源；支架包括兩塊平板和兩根相互平行的軌道梁；數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括平移裝置、地形輪廓獲取裝置和圖像采集及校正裝置；平移裝置包括承臺、升降電機(jī)、牽引電機(jī)和配重；地形輪廓獲取裝置包括上穩(wěn)定板、下穩(wěn)定板、同步電機(jī)、電子云臺和一字激光器；圖像采集及校正裝置包括框架、攝像頭、萬向桿和點(diǎn)激光器；本發(fā)明的有益效果是采集的地形圖像信息豐富直觀，也易于保存及更新；對地形面信息進(jìn)行點(diǎn)群式采集，測量效率大大提高；屬于無接觸式測量，避免破壞測量地形形態(tài)，適用于多種情況的地形測量；本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于推廣。
文檔編號G01M10/00GK102538760SQ201110456508
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者謝鋒, 陳青生 申請人:河海大學(xué)