一种基于视觉测量的大气折光校正方法与流程

本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种基于视觉测量的大气折光校正方法。

背景技术：

基于计算机视觉的变形监测技术是一种先利用相机获取目标影像，再通过计算机与相关图像处理算法，接着比较目标在影像序列上的变化，最后计算出目标真实位移的一种新兴变形监测技术。由于光线在空气中传播时会受到大气温度、气压、密度、湿度等客观条件的影响，传播路径会发生变化，在视觉变形监测中，大气折光误差主要是不同大气条件下光线发生弯曲程度不同而导致的误差。由于近地面气象条件复杂，目前还没有一个有效的误差改正模型。

现有技术中的方法有：

在三角测量中，主要通过精确测量基准点的高程，比较高程真值与测量值的偏差，计算大气竖直折光系数并加以改正。但这种方法具有以下缺陷：由于操作较为繁琐，一般只进行有限次测量；大气折光系数随时间的变化幅度较大，无法满足实时或准实时监测的需求；必须在测区布设已知高程的基准点，对于视觉测量来说，需要增加额外的测量设备(水准标尺、水准仪等)，还需要额外的人工成本。

在视觉测量中，通过在监测目标旁设置静止不动的参照目标，利用参照目标在影像序列中的变化，对监测目标的位移进行校正，该方法很好的利用了视觉测量的优势，能够做到实时校正，但在实际应用中却很难在相机视场范围内找到静止不动的参照目标，实用性不强。

测量气象参数的大气折光改正方法利用高精度气象仪测量测站与测点处的温度、湿度、大气压等参数，计算大气折光系数，对测量结果进行改正，该方法需要为测量系统配备高精度的气象仪，实用性较差，且存在气象代表性误差的影响。

综上所述，急需一种实用性更好且能够实时改正大气折光的新方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种实用性更好且能够实时改正大气折光的新方法，具体技术方案如下：

一种基于视觉测量的大气折光校正方法，包括以下内容：

获得变形监测合作标志及其参数；

获得目标的原始位移量；

获得大气折光引起的目标偏移量；

通过目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量获得大气折光校正后目标的实际位移量；

获得大气折光引起的目标偏移量具体包括以下步骤：

步骤3.1、获取像距v，具体是：通过表达式4)获得像距v：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步骤3.2、获取物距u，具体是：通过表达式5)获得物距u：

步骤3.3、先计算出折光偏角α，再通过表达式9)计算得到大气折光引起的目标偏移量datmos，datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f为焦距；i为像焦距；m为相机的放大倍率，且

以上技术方案中优选的，获得变形监测合作标志及其参数具体包括以下步骤：

步骤1.1、在同一竖直面内设计四个圆形形状作为变形监测合作标志，四个圆形形状的中心点依次连线形成对角线沿水平方向和竖直方向的菱形；

步骤1.2、先采用canny算子提取目标边缘，再通过计算圆形形状因子，剔除多余边缘，最后利用质心法计算得出四个圆的圆心坐标。

以上技术方案中优选的，获得目标的原始位移量具体是：

通过表达式1)获得目标的水平方向的位移dx和竖直方向的位于dy，表达式1)如下：

其中：sfx和sfy为比例系数，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy，lx和ly分别为标志水平方向和竖直方向两个圆心的距离，单位为mm；sx和sy为标志水平方向和竖直方向两个圆心在图像上的长度，单位为像素；mx和my为测量的四个圆心坐标(x2，y2)与初始坐标(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和竖直方向位移量；x为水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y为竖直方向向量，y＝[x2y2]^t；

以上技术方案中优选的，获得大气折光引起的目标偏移量具体是：

步骤3.1、通过相机放大倍率m的表达式3)得到像距v的表达式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

步骤3.2、通过光学基本成像表达式2)、相机放大倍率表达式3)以及像距v的表达式4)得到物距u的通过表达式5)：

步骤3.3、根据折光偏角α、表达式3)和表达式4)三者的结合或者折光偏角α和表达式5)两者的结合获得大气折光引起的目标偏移量datmos的表达式9)：datmos＝utanα或datmos＝mvtanα9)；

其中：f为焦距；i为像焦距。

以上技术方案中优选的，所述大气折光校正后目标的实际位移量的获得过程具体是：将目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量进行叠加即可得到大气折光校正后目标的实际位移量。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明的基于视觉测量的大气折光校正方法，包括获得变形监测合作标志及其参数、获得目标的原始位移量、获得大气折光引起的目标偏移量和获得大气折光校正后目标的实际位移量四个模块，通过模块化设计，便于获取所需参数值；本发明具体技术方案中仅需依赖于监测目标的成像特点，而无需额外的测量仪器(如全站仪、水准仪、气象仪等)和额外的人工操作，成本得到大大降低；本发明方法具备实时改正大气折光的能力，同时也不需要借助参照目标，具有操作简便性和实时性，实用性强。

(2)本发明中变形监测合作标志采用四个圆形形状，合作标志的形状选择和位置设置，便于实现精准监测；四个圆心坐标的获取通过现有技术中比较成熟的技术方案获得，操作方便且精准度高。

(3)本发明获得目标的原始位移量的步骤精简，所获取的参数结果精准度高。

(4)本发明所采用的获得大气折光引起的目标偏移量的方法，具有的特点是：a、步骤精简，方便操作；b、不需要借助参照目标，且适用于任意折光偏角的情况，能实时且精准地获得大气折光引起的目标偏移量，为后续得到大气折光校正后目标的实际位移量打下坚实的基础。

(5)本发明通过对目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量的叠加(根据实际情况，还可以采用其他处理方式)得到大气折光校正后目标的实际位移量，精准度高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1中变形监测合作标志的位置示意图；

图2为实施例1中相机的成像原理示意图；

图3(a)是小孔成像原理示意图；

图3(b)是目标受大气折光影响后发生一般偏移情况时的示意图；

图3(c)是目标受大气折光影响后发生特殊偏移情况时的示意图；

图4(a)是实施例2中第一时间段所得目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量对照图；

图4(b)是实施例2中第二时间段所得目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量对照图；

图4(c)是实施例2中第一时间段大气折光校正后目标的实际位移量示意图；

图4(d)是实施例2中第二时间段大气折光校正后目标的实际位移量示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种基于视觉测量的大气折光校正方法，应用于边坡、基坑和桥梁等设施的形变监测，与近景摄影测量方法不同，所采用的视觉变形监测技术不需要进行三维坐标测量，而是通过图像处理直接测得二维位移。具体包括以下步骤：

1、获得变形监测合作标志及其参数，变形监测合作标志详见图1，包括以下步骤：

步骤1.1、在同一竖直面内设计四个圆形形状(a、b、c和d)作为变形监测合作标志，四个圆形形状的中心点依次连线形成对角线沿水平方向和竖直方向的菱形，其中：bd(标志在水平方向两个圆心的距离)计为lx；ac(标志在竖直方向两个圆心的距离)计为ly；sx和sy为bd(标志水平水平方向)和ac(标志在竖直方向)两个圆心在图像上的长度，单位为像素；

步骤1.2、先采用canny算子提取目标边缘，再通过计算圆形形状因子，剔除多余边缘，最后利用质心法计算得出四个圆的圆心坐标，其中：提取四个圆心a、b、c、d的图像坐标，将第一次测量的圆心坐标作为初始坐标(x1，y1)，将之后每次测量的四个圆心坐标(x2，y2)与初始坐标(x1，y1)求差，mx和my为测量的四个圆心坐标(x2，y2)与初始坐标(x1，y1)求差所得到的水平方向位移量和竖直方向位移量；x为水平方向向量，x＝[x1y1]^t；y为竖直方向向量，y＝[x2y2]^t。

2、获得目标的原始位移量，详情是：通过表达式1)获得目标的水平方向的位移dx和竖直方向的位于dy，表达式1)如下：

其中：sfx和sfy为比例系数，sfx＝lx/sx，sfy＝ly/sy；

获得大气折光引起的目标偏移量，详情是：

在视觉变形监测中，大气折光误差主要是不同大气条件下光线发生弯曲程度不同而导致的误差。针对视觉测量的特点，从实用性角度出发，提出削弱大气折光影响的方法：目标成像尺寸自检校改正法。如图3(a)所示，目标在传感器上的成像高度为h，当相机焦距固定且目标与相机之间的距离不变时，移动目标并不会使传感器上所成的像的尺寸产生变化，即h不会发生变化。

假设受大气折光的影响，如图3(b)所示，光线对目标圆心的传播轨迹由直线oa、ob变为弧线oa、ob，因为是在同时同地观测得到的两束光线，所以认为两束光线受到大气折光的影响相同，即偏折角相同，都为α；目标在相机上的成像从ab偏移至a'b'，在传感器上的成像高度由h变为h'，根据平面几何原理，除特殊情况(目标第一次成像位置和当前成像位置呈轴对称，图3(c)所示，此时h＝h')以外，当两束光线偏折相同角度时，所成像的高度h≠h'。

因此可得出结论：当目标所成的像的高度h发生变化时，认为此时光线受到了大气折光的影响。

首先、求取相机的放大倍率m、相距v和物距u，具体是：

在测量时，测量目标的尺寸和其成像在传感器上的大小是已知的，因此，根据光学基本成像的表达式2)再结合图2(图2中两个灰色三角形根据相似三角形原理)得到相机的放大倍率m的表达式3)：

其中：h0为像高，h为物高，i为像焦距，f为焦距；

通过表达式2)和表达式3)得到像距v的表达式4)：

v＝f+i＝f(1+m)4)；

同理，图2中两个灰色三角形根据相似三角形原理得到物距u的表达式5)：

其次、求取折光偏角α，详细过程如下：

根据图3(b)所示，目标ab两点处的光线受大气折光影响，产生偏折角α，使目标成像位置发生变化，在传感器上的高度由初始位置h变为h'，两点的位置变化分别为δha和δhb，oa的距离为n，ob的距离为m，受大气折光的影响后，变为n'、m'，单位都为mm，由三角形余弦定理得到表达式6)：

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

又因为目标的尺寸比相机视场范围小很多，且折光偏角α很小(一般认为小于30″时)，则令a＝a'，b＝b'，表达式6)变为表达式7)：

δha＝2n′²(1-cosα)，δhb＝2m′²(1-cosα)7)；

目标高度在传感器上的变化δh＝|h-h′|＝|δha-δhb|，两边取平方，得δh²＝(δha-δhb)²，则表达式7)可得表达式8)：

在监测过程中，可以计算出δh、n′及m′，因此，可以利用表达式8)计算得到折光偏角的余弦值，进而得到折光偏角α的大小；

最后，设由大气折光引起的目标偏移量为datmos，单位为mm，通过表达式9)计算大气折光引起的目标偏移量：datmos＝utanα，或datmos＝mvtanα9)；

获得大气折光校正后目标的实际位移量，具体是：将目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量进行叠加，得到大气折光校正后目标的实际位移量。

实施例2：

将实验场地选为两栋大楼，在其中一栋大楼上建造水泥观测墩，将相机安装在支架上并固定在观测墩上，同时固定镜头，在另一栋大楼上粘贴监测标志牌，两者相距55m，进行为期两天静态测量实验(标志牌静止不动，理论上位移曲线应该是与x轴重合的一条直线)，测量间隔5s，该次试验从早上8点开始，到下午5点结束。

具体方法同实施例1。

计算所得目标的原始位移量、大气折光引起的目标偏移量以及大气折光校正后目标的实际位移量详见图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)，详情是：

图4(a)为第一时间段所得目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量对照图；图4(b)为第二时间段所得目标的原始位移量和大气折光引起的目标偏移量对照图；图4(c)为第一时间段大气折光校正后目标的实际位移量示意图；图4(d)为第二时间段大气折光校正后目标的实际位移量示意图。

从图4(a)和图4(b)中可以看到两条曲线具有明显的负相关性；从图4(c)和图4(d)中可以看出，相比原始测量结果，受大气折光影响导致的曲线变化趋势得到了有效控制，精度有所提高，改正效果达到60％以上。综合以上改正后，采用普通数码相机，在监测距离55m时，长期监测精度可达1.5mm左右。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。