本發(fā)明涉及監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺測量的大氣折光校正方法。

背景技術(shù)：

基于計算機(jī)視覺的變形監(jiān)測技術(shù)是一種先利用相機(jī)獲取目標(biāo)影像，再通過計算機(jī)與相關(guān)圖像處理算法，接著比較目標(biāo)在影像序列上的變化，最后計算出目標(biāo)真實位移的一種新興變形監(jiān)測技術(shù)。由于光線在空氣中傳播時會受到大氣溫度、氣壓、密度、濕度等客觀條件的影響，傳播路徑會發(fā)生變化，在視覺變形監(jiān)測中，大氣折光誤差主要是不同大氣條件下光線發(fā)生彎曲程度不同而導(dǎo)致的誤差。由于近地面氣象條件復(fù)雜，目前還沒有一個有效的誤差改正模型。

現(xiàn)有技術(shù)中的方法有：

在三角測量中，主要通過精確測量基準(zhǔn)點的高程，比較高程真值與測量值的偏差，計算大氣豎直折光系數(shù)并加以改正。但這種方法具有以下缺陷：由于操作較為繁瑣，一般只進(jìn)行有限次測量；大氣折光系數(shù)隨時間的變化幅度較大，無法滿足實時或準(zhǔn)實時監(jiān)測的需求；必須在測區(qū)布設(shè)已知高程的基準(zhǔn)點，對于視覺測量來說，需要增加額外的測量設(shè)備(水準(zhǔn)標(biāo)尺、水準(zhǔn)儀等)，還需要額外的人工成本。

在視覺測量中，通過在監(jiān)測目標(biāo)旁設(shè)置靜止不動的參照目標(biāo)，利用參照目標(biāo)在影像序列中的變化，對監(jiān)測目標(biāo)的位移進(jìn)行校正，該方法很好的利用了視覺測量的優(yōu)勢，能夠做到實時校正，但在實際應(yīng)用中卻很難在相機(jī)視場范圍內(nèi)找到靜止不動的參照目標(biāo)，實用性不強(qiáng)。

測量氣象參數(shù)的大氣折光改正方法利用高精度氣象儀測量測站與測點處的溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)，計算大氣折光系數(shù)，對測量結(jié)果進(jìn)行改正，該方法需要為測量系統(tǒng)配備高精度的氣象儀，實用性較差，且存在氣象代表性誤差的影響。

綜上所述，急需一種實用性更好且能夠?qū)崟r改正大氣折光的新方法以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種實用性更好且能夠?qū)崟r改正大氣折光的新方法，具體技術(shù)方案如下：

一種基于視覺測量的大氣折光校正方法，包括以下內(nèi)容：

獲得變形監(jiān)測合作標(biāo)志及其參數(shù)；

獲得目標(biāo)的原始位移量；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量；

通過目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量具體包括以下步驟：

步驟3.1、獲取像距v，具體是：通過表達(dá)式4)獲得像距v：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步驟3.2、獲取物距u，具體是：通過表達(dá)式5)獲得物距u：

步驟3.3、先計算出折光偏角α，再通過表達(dá)式9)計算得到大氣折光引起的目標(biāo)偏移量datmos，datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f為焦距；i為像焦距；m為相機(jī)的放大倍率，且

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得變形監(jiān)測合作標(biāo)志及其參數(shù)具體包括以下步驟：

步驟1.1、在同一豎直面內(nèi)設(shè)計四個圓形形狀作為變形監(jiān)測合作標(biāo)志，四個圓形形狀的中心點依次連線形成對角線沿水平方向和豎直方向的菱形；

步驟1.2、先采用canny算子提取目標(biāo)邊緣，再通過計算圓形形狀因子，剔除多余邊緣，最后利用質(zhì)心法計算得出四個圓的圓心坐標(biāo)。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得目標(biāo)的原始位移量具體是：

通過表達(dá)式1)獲得目標(biāo)的水平方向的位移dx和豎直方向的位于dy，表達(dá)式1)如下：

其中：sfx和sfy為比例系數(shù)，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy，lx和ly分別為標(biāo)志水平方向和豎直方向兩個圓心的距離，單位為mm；sx和sy為標(biāo)志水平方向和豎直方向兩個圓心在圖像上的長度，單位為像素；mx和my為測量的四個圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和豎直方向位移量；x為水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y為豎直方向向量，y＝[x2y2]^t；

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量具體是：

步驟3.1、通過相機(jī)放大倍率m的表達(dá)式3)得到像距v的表達(dá)式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步驟3.2、通過光學(xué)基本成像表達(dá)式2)、相機(jī)放大倍率表達(dá)式3)以及像距v的表達(dá)式4)得到物距u的通過表達(dá)式5)：

步驟3.3、根據(jù)折光偏角α、表達(dá)式3)和表達(dá)式4)三者的結(jié)合或者折光偏角α和表達(dá)式5)兩者的結(jié)合獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量datmos的表達(dá)式9)：datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f為焦距；i為像焦距。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量的獲得過程具體是：將目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量進(jìn)行疊加即可得到大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量。

應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的基于視覺測量的大氣折光校正方法，包括獲得變形監(jiān)測合作標(biāo)志及其參數(shù)、獲得目標(biāo)的原始位移量、獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量和獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量四個模塊，通過模塊化設(shè)計，便于獲取所需參數(shù)值；本發(fā)明具體技術(shù)方案中僅需依賴于監(jiān)測目標(biāo)的成像特點，而無需額外的測量儀器(如全站儀、水準(zhǔn)儀、氣象儀等)和額外的人工操作，成本得到大大降低；本發(fā)明方法具備實時改正大氣折光的能力，同時也不需要借助參照目標(biāo)，具有操作簡便性和實時性，實用性強(qiáng)。

(2)本發(fā)明中變形監(jiān)測合作標(biāo)志采用四個圓形形狀，合作標(biāo)志的形狀選擇和位置設(shè)置，便于實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測；四個圓心坐標(biāo)的獲取通過現(xiàn)有技術(shù)中比較成熟的技術(shù)方案獲得，操作方便且精準(zhǔn)度高。

(3)本發(fā)明獲得目標(biāo)的原始位移量的步驟精簡，所獲取的參數(shù)結(jié)果精準(zhǔn)度高。

(4)本發(fā)明所采用的獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量的方法，具有的特點是：a、步驟精簡，方便操作；b、不需要借助參照目標(biāo)，且適用于任意折光偏角的情況，能實時且精準(zhǔn)地獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量，為后續(xù)得到大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量打下堅實的基礎(chǔ)。

(5)本發(fā)明通過對目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量的疊加(根據(jù)實際情況，還可以采用其他處理方式)得到大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量，精準(zhǔn)度高。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例1中變形監(jiān)測合作標(biāo)志的位置示意圖；

圖2為實施例1中相機(jī)的成像原理示意圖；

圖3(a)是小孔成像原理示意圖；

圖3(b)是目標(biāo)受大氣折光影響后發(fā)生一般偏移情況時的示意圖；

圖3(c)是目標(biāo)受大氣折光影響后發(fā)生特殊偏移情況時的示意圖；

圖4(a)是實施例2中第一時間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對照圖；

圖4(b)是實施例2中第二時間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對照圖；

圖4(c)是實施例2中第一時間段大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量示意圖；

圖4(d)是實施例2中第二時間段大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

實施例1：

一種基于視覺測量的大氣折光校正方法，應(yīng)用于邊坡、基坑和橋梁等設(shè)施的形變監(jiān)測，與近景攝影測量方法不同，所采用的視覺變形監(jiān)測技術(shù)不需要進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，而是通過圖像處理直接測得二維位移。具體包括以下步驟：

1、獲得變形監(jiān)測合作標(biāo)志及其參數(shù)，變形監(jiān)測合作標(biāo)志詳見圖1，包括以下步驟：

步驟1.1、在同一豎直面內(nèi)設(shè)計四個圓形形狀(a、b、c和d)作為變形監(jiān)測合作標(biāo)志，四個圓形形狀的中心點依次連線形成對角線沿水平方向和豎直方向的菱形，其中：bd(標(biāo)志在水平方向兩個圓心的距離)計為lx；ac(標(biāo)志在豎直方向兩個圓心的距離)計為ly；sx和sy為bd(標(biāo)志水平水平方向)和ac(標(biāo)志在豎直方向)兩個圓心在圖像上的長度，單位為像素；

步驟1.2、先采用canny算子提取目標(biāo)邊緣，再通過計算圓形形狀因子，剔除多余邊緣，最后利用質(zhì)心法計算得出四個圓的圓心坐標(biāo)，其中：提取四個圓心a、b、c、d的圖像坐標(biāo)，將第一次測量的圓心坐標(biāo)作為初始坐標(biāo)(x1，y1)，將之后每次測量的四個圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差，mx和my為測量的四個圓心坐標(biāo)(x2，y2)與初始坐標(biāo)(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和豎直方向位移量；x為水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y為豎直方向向量，y＝[x2y2]^t。

2、獲得目標(biāo)的原始位移量，詳情是：通過表達(dá)式1)獲得目標(biāo)的水平方向的位移dx和豎直方向的位于dy，表達(dá)式1)如下：

其中：sfx和sfy為比例系數(shù)，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy；

獲得大氣折光引起的目標(biāo)偏移量，詳情是：

在視覺變形監(jiān)測中，大氣折光誤差主要是不同大氣條件下光線發(fā)生彎曲程度不同而導(dǎo)致的誤差。針對視覺測量的特點，從實用性角度出發(fā)，提出削弱大氣折光影響的方法：目標(biāo)成像尺寸自檢校改正法。如圖3(a)所示，目標(biāo)在傳感器上的成像高度為h，當(dāng)相機(jī)焦距固定且目標(biāo)與相機(jī)之間的距離不變時，移動目標(biāo)并不會使傳感器上所成的像的尺寸產(chǎn)生變化，即h不會發(fā)生變化。

假設(shè)受大氣折光的影響，如圖3(b)所示，光線對目標(biāo)圓心的傳播軌跡由直線oa、ob變?yōu)榛【€oa、ob，因為是在同時同地觀測得到的兩束光線，所以認(rèn)為兩束光線受到大氣折光的影響相同，即偏折角相同，都為α；目標(biāo)在相機(jī)上的成像從ab偏移至a'b'，在傳感器上的成像高度由h變?yōu)閔'，根據(jù)平面幾何原理，除特殊情況(目標(biāo)第一次成像位置和當(dāng)前成像位置呈軸對稱，圖3(c)所示，此時h＝h')以外，當(dāng)兩束光線偏折相同角度時，所成像的高度h≠h'。

因此可得出結(jié)論：當(dāng)目標(biāo)所成的像的高度h發(fā)生變化時，認(rèn)為此時光線受到了大氣折光的影響。

首先、求取相機(jī)的放大倍率m、相距v和物距u，具體是：

在測量時，測量目標(biāo)的尺寸和其成像在傳感器上的大小是已知的，因此，根據(jù)光學(xué)基本成像的表達(dá)式2)再結(jié)合圖2(圖2中兩個灰色三角形根據(jù)相似三角形原理)得到相機(jī)的放大倍率m的表達(dá)式3)：

其中：h0為像高，h為物高，i為像焦距，f為焦距；

通過表達(dá)式2)和表達(dá)式3)得到像距v的表達(dá)式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

同理，圖2中兩個灰色三角形根據(jù)相似三角形原理得到物距u的表達(dá)式5)：

其次、求取折光偏角α，詳細(xì)過程如下：

根據(jù)圖3(b)所示，目標(biāo)ab兩點處的光線受大氣折光影響，產(chǎn)生偏折角α，使目標(biāo)成像位置發(fā)生變化，在傳感器上的高度由初始位置h變?yōu)閔'，兩點的位置變化分別為δha和δhb，oa的距離為n，ob的距離為m，受大氣折光的影響后，變?yōu)閚'、m'，單位都為mm，由三角形余弦定理得到表達(dá)式6)：

δha＝n²+n′²-2aa′cosα，δhb＝m²+m′²-2bb′cosα6)；

又因為目標(biāo)的尺寸比相機(jī)視場范圍小很多，且折光偏角α很小(一般認(rèn)為小于30″時)，則令a＝a'，b＝b'，表達(dá)式6)變?yōu)楸磉_(dá)式7)：

δha＝2n′²(1-cosα)，δhb＝2m′²(1-cosα)7)；

目標(biāo)高度在傳感器上的變化δh＝|h-h′|＝|δha-δhb|，兩邊取平方，得δh²＝(δha-δhb)²，則表達(dá)式7)可得表達(dá)式8)：

在監(jiān)測過程中，可以計算出δh、n′及m′，因此，可以利用表達(dá)式8)計算得到折光偏角的余弦值，進(jìn)而得到折光偏角α的大?。?/p>

最后，設(shè)由大氣折光引起的目標(biāo)偏移量為datmos，單位為mm，通過表達(dá)式9)計算大氣折光引起的目標(biāo)偏移量：datmos＝utanα，或datmos＝mvtanα9)；

獲得大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量，具體是：將目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量進(jìn)行疊加，得到大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量。

實施例2：

將實驗場地選為兩棟大樓，在其中一棟大樓上建造水泥觀測墩，將相機(jī)安裝在支架上并固定在觀測墩上，同時固定鏡頭，在另一棟大樓上粘貼監(jiān)測標(biāo)志牌，兩者相距55m，進(jìn)行為期兩天靜態(tài)測量實驗(標(biāo)志牌靜止不動，理論上位移曲線應(yīng)該是與x軸重合的一條直線)，測量間隔5s，該次試驗從早上8點開始，到下午5點結(jié)束。

具體方法同實施例1。

計算所得目標(biāo)的原始位移量、大氣折光引起的目標(biāo)偏移量以及大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量詳見圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)，詳情是：

圖4(a)為第一時間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對照圖；圖4(b)為第二時間段所得目標(biāo)的原始位移量和大氣折光引起的目標(biāo)偏移量對照圖；圖4(c)為第一時間段大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量示意圖；圖4(d)為第二時間段大氣折光校正后目標(biāo)的實際位移量示意圖。

從圖4(a)和圖4(b)中可以看到兩條曲線具有明顯的負(fù)相關(guān)性；從圖4(c)和圖4(d)中可以看出，相比原始測量結(jié)果，受大氣折光影響導(dǎo)致的曲線變化趨勢得到了有效控制，精度有所提高，改正效果達(dá)到60％以上。綜合以上改正后，采用普通數(shù)碼相機(jī)，在監(jiān)測距離55m時，長期監(jiān)測精度可達(dá)1.5mm左右。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。