一种水土流失情况测定的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像三维重建技术和水土流失情况测定方法。
【背景技术】
[0002] 土壤侵蚀过程是侵蚀力与下垫面相互作用的过程，下垫面既是土壤侵蚀作用的对 象，也是土壤侵蚀作用的结果，在土壤侵蚀过程中的每一时刻，都使得下垫面的土体发生 位移，下垫面的形态发生变化。围绕观测下垫面土体的位移量和下垫面形态的变化，发展 了多种多样的观测技术和方法：
[0003] ⑴接触式观测法
[0004] 通过皮尺、卷尺、游标卡尺等常规的测量工具，对下垫面的形态变化进行简单测 量。优点：简单易行；缺点：精度偏低，且只能观测次降雨条件下土壤侵蚀的总量，而不能观 测土壤侵蚀过程中在不同时段或不同空间的变化量；
[0005] ⑵示踪观测法
[0006] 利用mCs、7Be等天然放射性核素、稳定性稀土元素等按照指定要求添加到土壤里 面，对下垫面的形态进行监测。优点：可观测土壤侵蚀速率、空间分布特征；缺点：观测的时 间间隔太长、空间定位精度一般在米级以上；
[0007] ⑵维激光扫描观测法
[0008] 通过三维激光扫描仪对下垫面形态进行测量；原理：利用激光测距技术，通过记 录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速测量被测物表 面的三维点数据。优点：空间定位精度高；缺点：仪器不防水，不能在降雨过程中观测，且在 沟蚀阶段会在沟道出现漏测，最大缺陷是测量效率太慢，不能监测下垫面形态动态演变过 程；
[0009] ⑷传统摄影测量观测法
[0010] 用于监测河道侵蚀和重力侵蚀，其观测时间间隔分别为次降雨、天、年甚或更长， 适合长时段侵蚀总量的观测，而不能观测短时段内相应分量的变化；
[0011] ⑶径流泥沙采样法
[0012] 在降雨过程当中，利用容器对下垫面侵蚀产生的泥沙按照不同时间段分别采样， 对下垫面的土壤侵蚀量监测。优点：简单易行；缺点：泥沙的空间来源无法区分；
[0013] 那么，如何在降雨条件下，从时空两个维度上观测下垫面形态演化以及表征土壤 侵蚀各物理量。亦即，如何随着土壤侵蚀的发生发展，能够在设定的时间结点上，观测并量 化表达下垫面的空间形态，进而根据下垫面空间形态计算土壤侵蚀量、输沙率、侵蚀速率 等，以上的观测技术和方法都未能很好地解决这个问题。
【发明内容】
[0014] 针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种基于立体视觉的图像三维重建方 法。
[0015] 本发明提供的基于立体视觉的图像三维重建方法包括：
[0016] 步骤一，采集图像
[0017] 采集目标区域某一时间窗口的图像；
[0018] 步骤二，区域分块
[0019] 按采集时间先后对所有图像进行序列标号；每连续多帧图像为一任务区块；相邻 区块与区块之间有重叠图像，重叠部分的图像有相同序列标号；
[0020] 步骤三，三维重建
[0021] 对步骤二得到的各区块分别采用立体视觉技术进行三维重建，得到各区块的三维 点云；
[0022] 对各区块三维点云的各三维点进行编号，得到各三维点的编号特征；任意三维 点A的编号特征为[(A。a)，（A2,a2)，…，（An，an)，…，（AN:，aND，（AN，aN)]，其中：n= 1，2, 3,…，N;，N为三维点A对应的原始图像的张数，N取正整数；AnS三维点A对应的所 有原始图像中某一图像n的ID号；^为三维点A在ID号为A"的原始图像上的SIFT特征 点的ID号，（An，an)为编号特征的编号元组；
[0023] 步骤四，拼接
[0024] (1)确定邻接区块
[0025] ①寻找有重叠图像的相邻块与块之间的同名点，相邻块与块之间的两个三维点的 编号特征交集包括至少一个编号元组时，两个三维点为同名点；
[0026] ②两个块的同名点的个数占其中一个块中总三维点数的10%以上时，这两个区块 为邻接区块；
[0027] ③同名点个数占区块中三维点个数比例最高的区块为母站；
[0028](2)邻接区块拼接
[0029] 以母站为基准对其他区块进行拼接：
[0030] (2. 1)确定稳定的同名点
[0031] ①构建同名边
[0032] 对于两个邻接区块，分别在各区块中利用该区块中的同名点组合构建边网，并计 算每条边的长度；其中一个区块中有n个同名点，则该区块中组合构建的边网有C:B2条边；[0033] ②确定稳定的同名点
[0034] 邻接区块之间的各组同名边中两条边长度的比值构成比例数组，比例数组包括 Ci个数值；采用基于拉依达准则（3 〇准则）的奇异数据滤波法对C,)个数值进行检验，得 到可靠数值点，，可靠数值点对应的同名点作为稳定的同名点；
[0035] ③基于稳定的同名点做两个三维区块之间的旋转、平移、缩放参数的计算，从而完 成两个区块之间的拼接；
[0036] 完成所有邻接区块之间的拼接后得到该时刻下测量区域的点云集合，去除点云集 合中观测区域之外的点云，得到该时刻下测量区域的三维点云。
[0037] 本发明还提供了一种水土流失情况测定方法，方法包括：
[0038]步骤A，构建参考面：采集目标区域下雨前的图像，执行权利要求步骤二至步骤 四，利用所得三维点云中的多个三维点拟合得到的平面为参考面；
[0039] 步骤B，获取不同时刻目标区域下雨时的三维点云：每一时刻的图像采集和处理 执行权利要求1所述步骤一至步骤四；
[0040] 步骤C，统一坐标系：将下雨时各时刻三维点云的坐标统一到同一坐标系下；
[0041] 步骤D，计算参考面各时刻参考面以下的DEM体积量：将某时刻的三维点云内插得 到对应的DEM数据，计算该时刻参考面以下的DEM体积量；
[0042] 步骤E，相邻时刻参考面以下的DEM体积量差值为相邻时刻时间段内的土壤侵蚀 量。
[0043] 步骤A和步骤B的图像采集包括：采集目标区域某一时间窗口的土壤图像，所采集 图像的重叠度至少为5度；单位平方米内，在10-12秒内采集图像的数量为120-240帧，且 单位平方米至少采集120帧。
[0044] 所述目标区域设有多个标靶。
[0045] 所述时间窗口时长：15-180s。
[0046] 步骤二按米集时间先后对所有图像进行序列标号，每连续50-230帧图像为一任 务区块；相邻区块与区块之间有图像重叠，重叠图像的帧数占两个相邻区块中每个区块内 图像帧数的10% -20%。
[0047] 本发明的技术效果为：
[0048] 1、本发明的方法能够在降雨过程中观测。通过拍摄、解算降雨过程中下垫面的数 字影像，提取土壤侵蚀过程中下垫面变化的时空信息，更加准确地描述土壤侵蚀过程。同时 本发明也能够应用于类似的体积变化的量测。
[0049] 2、本发明的方法观测精度高，方法可观测一定时间段内自然界土壤侵蚀过程，对 土壤侵蚀观测的空间和时间分布率更高。
[0050] 3、本发明的方法对计算机硬件单元适用范围宽，可以根据实际的硬件环境，计算 过程中的多个区块可通过联网进行并行计算或通过单机分批次计算。
[0051] 4、本发明在确定邻接区块时采用SIFT特征算子的ID号构造编号组集合，通过区 块之间的集合交集计算同名点，较之传统特征匹配算法计算速度至少提高了 4倍。
【附图说明】
[0052] 图1A为实施例中降雨前下垫面的示意图；图1B为实施例中降雨后下垫面的示意 图；
[0053]图2为实施例中步骤一所采集图像的示意图；
[0054] 图3为实施例中步骤三各区块的点云示意图；
[0055] 图4为步骤四中三维重建后的示意图；
[0056] 图5为步骤五中的参考面及计算示意图；
[0057]图6A为激光扫描仪观测得到的数字点云图；图6B为本发明的方法得到的数字点 云图。
【具体实施方式】
[0058] 以下是发明人提供的具体实施例，以对本发明的技术效果作进一步解释说明。
[0059]实施例：
[0060] 该实施例于2014年7月9日在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人 工模拟降雨厅进行。
[0061] 实验中人工模拟降雨的强度为90毫米每小时，所构造的下垫面如图1A、图1B所 示，其中图1A为未发生侵蚀的（降雨前拍摄）下垫面图片，图1B为发生侵蚀的（降雨后拍 摄）下垫面图片，钢槽底部为斜面，钢槽内部放置有待测定土壤，土壤类型为黄绵土，土壤 装填容重为1. 3g/cm3,下垫面装置的土槽尺寸为1米宽，5米长的立方体容器，下垫面底面 与水平面构成15度倾斜角度。
[0062] 分时段进行摄影并进行数字影像的解算，计算机视觉的下垫面土壤侵蚀观测法： 从降雨开始至降雨结束对实验下垫面进行全覆盖的数字影像采集，采集时间分别在降雨开 始后 5〇111；[11、70111；[11、90111；[11、100111；[11，第100111；[11后每隔10111；[11采集一次，采集器距离下垫面的 平均高度为80 ± 5cm，数字影像的采集密度为150-170帧/m2;
[0063] 收集水沙全样并换算流失量：在降雨开始后按照计算机视觉的下垫面土壤侵蚀观 测的相同时间间隔收集实验过程中的水沙全样，计算样品中所含的土壤重量，并按土槽装 填时1. 3g/cm3的容重换算相应的体积量。
[0064] 图像米集和图像处理过程如下：
[0065] -、获取不同时刻下测量区域的三维点云
[0066] 步骤一，采集图像
[0067] 区域采集面积：5平方米，本次采集得到1013张照片，采集过程历时62秒，如图2 所示；
[0068] 步骤二，对步骤一所采集的所有图像进行区域任务分块
[0069] 按采集时间先后对步骤一所有图像进行序列标号，将步骤一中得到的1013张数 字影像，以每块180张、相邻区块重叠65张的任务分割模式分割为9个任务子区，其中第9 子区具有93张照片；
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