專利名稱：水槽三維地形自動測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利工程物理模型試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及水槽內(nèi)動床試驗所形成的
三維地形的快速、自動、智能化測量裝置。
背景技術(shù)：
目前，動床物理模型試驗(即利用模型沙模擬自然界河流河床的演變)在水利工 程研究領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，研究人員通過測量室內(nèi)水槽模型的地形演變，可以定量地 分析河流底部沙坡的運動、丁壩或橋墩附近的河床沖淤等。水槽中地形的測量是動床物理 模型試驗的關(guān)鍵之一。 傳統(tǒng)的水槽地形測量是通過測針實現(xiàn)的。測針通常安裝在測量小車上，通過小車 的運動將測針就位后，垂向調(diào)節(jié)測針至于床面接觸，即可從測針標(biāo)尺上讀出該處床面高程。 這種方法簡單、可靠，其缺點是測量速度慢，要測量三維地形必須對大量的網(wǎng)格點進行逐點 測量，一次測量往往要花費數(shù)個小時，嚴(yán)重影響試驗的效率；其次，如果在水流運行時進行 測量，測量過程中地形的演變將不能忽略，遠不能達到實時測量；再次，如果水流含沙量較 大，水體透明度降低，會使得接觸點的判斷變得困難。初新杰等(實用新型一種用于實驗 室的水沙界面地形測量裝置)設(shè)計了一種利用光強度測試儀測量水沙界面地形的裝置，配 合運行小車、步進電機等，使得測量變得更加方便；但是這種裝置僅僅針對單點測量，且需 要人工讀數(shù)，測量效率仍然不能滿足大范圍三維測量的要求；專利號為200710062775. 1的 中國發(fā)明專利水下三維地形測量系統(tǒng)公開了基于圖像的水下三維地形測量系統(tǒng)，其方法 是采用CCD攝像機攝取水下地形，應(yīng)用三維數(shù)字重構(gòu)水下三維沙波的模型，大大提高了測 量效率，但是由于圖像灰度除受地形高低影響外，還有很多其他影響因素，使用時需要大量 的率定，而且測量的可靠性偏低；另外還有利用水下超聲的地形測量儀器(王振先等，發(fā)明 專利實驗室用水下超聲地形測量儀；李先華等，發(fā)明專利水下數(shù)字地面模型的聲納遙感 數(shù)字圖像的地形變換方法)，這種儀器一般造價昂貴，難以在實驗室推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前實驗室水槽中水下地形測量效率低、可靠性差或設(shè)備 造價昂貴等問題，提供一種高效、可靠并可以大量縮短三維地形測量所需時間的水槽三維 地形自動測量裝置。 本發(fā)明的水槽三維地形自動測量裝置，它包括其車輪設(shè)置在水槽側(cè)壁頂面軌道上 的行走小車系統(tǒng)，斷面地形測針排，它還包括自動控制和判讀系統(tǒng)，所述的斷面地形測針排 包括連接在行走小車系統(tǒng)上的支撐面板、連接在所述的支撐面板側(cè)壁并且其上設(shè)置有刻度 線的刻度面板、沿水平方向設(shè)置在所述的刻度面板頂部的電磁鐵以及設(shè)置在支撐面板下部 的其內(nèi)沿豎直方向開有多個導(dǎo)向孔的導(dǎo)向條，在所述的每一導(dǎo)向孔內(nèi)插有測針，在所述的 測針頂部裝有磁性測針帽，所述的行走小車系統(tǒng)包括步進電機，步進電機通過傳動裝置與 所述的車輪相連，所述的步進電機和磁鐵分別與一個控制開關(guān)相連，所述的自動控制和判讀系統(tǒng)包括一臺裝有運行控制模塊的計算機，一臺與所述的刻度面板相對設(shè)置的攝像機， 所述的運行控制模塊執(zhí)行如下步驟 (1)向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，對測針帽形成電磁引力，將所有測針向上提 起； (2)向行走小車控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，小車帶動測針排沿水槽軌道前進；到達 指定位置后，行走小車控制開關(guān)開啟，小車停止運動； (3)行走小車就位后，向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出開啟指令，測針在自重作用下下落至 床面處，測針的高低起伏反映出地形的起伏； (4)向攝像機發(fā)出啟動信號，拍攝當(dāng)前每個測針在刻度面板中的位置，并讀取所述 的攝像機傳送的圖像信號； (5)讀取所述的攝像機傳送的圖像信號通過圖像處理模塊進行自動分析，識別其 中的刻度線和測針，根據(jù)測針頂點在刻度線上的相對位置，計算測針頂點讀數(shù)并保存該數(shù) 據(jù)； (6)根據(jù)已保存的數(shù)據(jù)，計算床面地形變化的梯度，并根據(jù)梯度的大小，向所述的
行走小車控制開關(guān)發(fā)出開關(guān)命令實時調(diào)整步進電機的下一步行走的步長； (7)按照調(diào)整后的步長，控制行走小車前進，重復(fù)步驟l-6，完成所有斷面測量，獲
得三維地形數(shù)據(jù)。 采用本發(fā)明裝置的有益效果是與傳統(tǒng)的單點人工地形測量相比，本裝置最大的 優(yōu)點是提高了測量效率。假設(shè)水槽寬度為0. 6m，測量段長度為5m，沿寬度的測量間距均為 lcm，長度方向的測量間距均為5cm，則共有測點:60*100 = 6， 000個。設(shè)單點人工測量時 每個點位移動測針、讀數(shù)、記錄的時間為6秒，則整個測量需要時間6， 000*6 = 36， 000秒 =10小時。這個時間是一般模型試驗難以接受的。當(dāng)使用本裝置進行自動化測量時，測針 每lcm設(shè)置一個，每個斷面共60個測點，假設(shè)行走小車運動的沒前進一個步長(5cm)需時3 秒，測針提起和放下的時間共為3秒，計算機軟件處理的時間可以忽略，則每個斷面測量的 時間為6秒，則整個測量需要時間100*6 = 600秒=10分鐘。速度提高了 60倍，能夠滿 足一般模型試驗的要求。另外，如果測量段長度縮短為2m，則測量時間僅需4分鐘，如果動 床試驗的地形演變不是非常劇烈的話，測量時間可以忽略，基本能夠滿足實時測量的要求。
與三維超聲地形測量相比，本裝置不需要價格昂貴的超聲發(fā)射和接受器，只需要 普通的計算機、CCD攝像機和簡易的行走小車和測針排架，軟件的編制也有成熟的技術(shù)，因 此大大降低了技術(shù)的復(fù)雜度，同時降低了制作和使用費用，便于在一般水利工程實驗室中 普及。


圖1是本發(fā)明的水槽三維地形自動測量裝置的主視圖； 圖2是圖1所示的裝置的側(cè)視圖； 圖3是本發(fā)明的圖像處理模塊的實現(xiàn)流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
4
如附圖所示的本發(fā)明整套測量裝置共由三部分組成它包括其車輪9設(shè)置在水槽 側(cè)壁10頂面軌道15上的行走小車系統(tǒng)13，斷面地形測針排和自動控制和判讀系統(tǒng)。各部 分組成和功能為①斷面地形測針排包括連接在行走小車系統(tǒng)上的支撐面2、連接在所述 的支撐面板2側(cè)壁并且其上設(shè)置有刻度線7的刻度面板3、沿水平方向設(shè)置在所述的刻度面 板頂部的電磁鐵1以及設(shè)置在支撐面板下部的其內(nèi)沿豎直方向開有導(dǎo)向孔5的導(dǎo)向條12， 在所述的導(dǎo)向孔內(nèi)插有測針4，在所述的測針4頂部裝有磁性測針帽6。本部件的功能是利 用一系列整齊排列的測針的高低起伏反映出水下地形的起伏。其中，支撐面板起整體支撐 作用，刻度面板為測針提供用于讀數(shù)的刻度，用于反映地形起伏，電磁鐵用于測針垂向運動 的控制，上下兩個導(dǎo)向條上均設(shè)有導(dǎo)向孔，設(shè)置在所述的支撐面板上的導(dǎo)向條優(yōu)選的為上 下兩排。每個測針被限制在兩個導(dǎo)向孔中，只能夠作垂向運動。測量開始時，電磁鐵通電， 產(chǎn)生磁場，吸引磁性測針帽，將所有測針向上提起；然后，測針排沿水槽縱向移動，就位后， 切斷電磁鐵電源，所有測針在自重作用下下落，直至遇到床面；此時測針帽在刻度面板上的 讀書即可反映出該斷面地形的高低起伏。②行走小車系統(tǒng)由行走小車支架、車輪、步進電 機和傳動裝置組成，所述的步進電機通過傳動裝置與所述的車輪相連。本部件的功能是為 斷面地形測針排提供安裝支架，并帶動斷面地形測針排沿水槽縱向移動，以測量不同的斷 面。行走動力由步進電機提供，并通過傳動裝置傳遞給車輪，使得車輪在安裝水槽邊壁上方 的軌道上行走。步進電機和電磁鐵分別與一個控制開關(guān)相連。③自動控制和判讀系統(tǒng)由 一臺與所述的刻度面板相對設(shè)置的攝像機以及計算機組成，所述的攝像機可以為CCD(電 荷耦合器)攝像機。其中，所述的控制開關(guān)的作用是接收計算機發(fā)出的控制信號，來控制斷 面地形測針排和行走小車的運動；CCD攝像機用于拍攝照片，顯示測針在刻度面板的位置； 計算機用于控制自動控制開關(guān)的開/閉，并分析刻度面板照片，完成讀數(shù)和數(shù)據(jù)保存，所述 的計算機中預(yù)置有運行控制模塊，該控制模塊執(zhí)行如下步驟 (1)向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，對測針帽形成電磁引力，將所有測針向上提 起； (2)向行走小車控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，小車帶動測針排沿水槽軌道前進；到達 指定位置后，行走小車控制開關(guān)開啟，小車停止運動； (3)行走小車就位后，向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出開啟指令，測針在自重作用下下落至 床面處，測針的高低起伏反映出地形的起伏； (4)向攝像機發(fā)出啟動信號，拍攝當(dāng)前每個測針在刻度面板中的位置，并讀取所述 的攝像機傳送的圖像信號； (5)讀取所述的攝像機傳送的圖像信號通過圖像處理模塊進行自動分析，識別其 中的刻度線和測針帽，根據(jù)測針線頂點在刻度線上的相對位置，計算測針線頂點讀數(shù)并保 存該數(shù)據(jù)； (6)根據(jù)已保存的數(shù)據(jù)，計算床面地形變化的梯度(即床面變化的緩急程度)，并 根據(jù)梯度的大小，向所述的行走小車控制開關(guān)發(fā)出開關(guān)命令實時調(diào)整步進電機的下一步行 走的步長；可以設(shè)置行走步長為當(dāng)?shù)氐匦巫兓荻鹊臏p函數(shù)，即在地形變化劇烈的地方，減 小行走步長，即局部加密測量斷面；而在地形變化緩慢的地方，增大行走步長。從而實現(xiàn)地 形測量過程的智能化控制。
(7)按照調(diào)整后的步長，控制行走小車前進，重復(fù)步驟l-6，完成所有斷面測量，獲
D(;c,y): max
得三維地形數(shù)據(jù)。 所述的圖像處理模塊的工作原理如下采用色彩/飽和度/亮度型顏色空間，即 HSB(hue， saturation禾卩brightness)顏色空間，并采用亮度(brightness)分量作為識別 依據(jù)。 由于地形儀圖片背景復(fù)雜，色彩分布不均，很難用統(tǒng)一顏色分量進行閾值分割，區(qū) 分網(wǎng)格刻度線、測針線和背景。根據(jù)網(wǎng)格刻度和測針的呈直線型的特點，采用差分閾值分割 圖像。例如，網(wǎng)格刻度線一般為橫線，為了區(qū)分網(wǎng)格刻度線與背景，計算顏色分量沿y方向 的差分 其中，f(x， y)為(x， y)處圖像像素的亮度值，取y方向差分閾值為D。，當(dāng)D (x， y) ^D。時，該像素為刻度線圖像，當(dāng)D(x，y) 〈D。時，該像素為背景圖像，這樣，可以將圖像 分割為二值圖像。 圖像分割后，利用區(qū)域生長法進行刻度線的識別。由于色彩的不均勻，利用區(qū)域生 長法識別的刻度線往往是不連續(xù)的，尤其是在刻度線與測針線相交的區(qū)域，刻度線被測針 線分割成散亂的線段。為了得到規(guī)則的刻度線，需要將各小段刻度線合并起來，構(gòu)成完整的 線條。合并的方法類似于區(qū)域生長法，對于任一線段，搜索與其距離偏差小于一定幅值的其 它線段(兩端點到直線的距離)，并將其合并到本線段中。由于圖像存在變形，合并成一條 直線的各小線段并不重合，為了提高測量精度，對構(gòu)成一條刻度線的各小線段的端點進行 線性擬合，設(shè)一條刻度線由n點構(gòu)成，對于n個端點(Xl，yi)， (x2，y2)，…(xn， yn)，則y與x 之間的關(guān)系可近似地看作是線性關(guān)系，因而可用線性方程表示；
y = a+bx+ e 其中a，b為待定常數(shù)，e為因隨機波動而產(chǎn)生的偏差。 用最小二乘法求出a與b的估計量a與g ，即可得到回歸方程;;=5 + 6\ ，作為刻度線
的最終位置。 測針線一般為豎線，其識別方法與刻度線相同。 刻度線和測針線識別后，根據(jù)測針線頂點在刻度線上的相對位置，即可計算出其 根據(jù)上述原理，所述的圖像處理模塊按如下步驟執(zhí)行刻度面板上的位置信號的分
(1) 讀取支撐面板圖像信號并計算色彩亮度特征量；
(2) 計算所述的色彩亮度特征量沿y方向的差分；
(3) 根據(jù)y方向差分計算結(jié)果，進行圖像分割，區(qū)分刻度線和背景；
(4) 識別所述的圖像分割后的刻度線；
(5) 將所述的刻度線過濾、合并并編號；
(6) 計算所述的色彩亮度特征量沿x方向的差分；
(7) 根據(jù)沿x方向的差分計算結(jié)果，進行圖像分割，區(qū)分測針線和背景；
(8) 識別所述的測針線；
(9) 將所述的測針線過濾、合并并編號；
6
析
(10)根據(jù)測針線頂點在刻度線上的相對位置，計算并輸出其讀數(shù)c
權(quán)利要求
水槽三維地形自動測量裝置，它包括其車輪設(shè)置在水槽側(cè)壁頂面軌道上的行走小車系統(tǒng)，斷面地形測針排，其特征在于它還包括自動控制和判讀系統(tǒng)，所述的斷面地形測針排包括連接在行走小車系統(tǒng)上的支撐面板、連接在所述的支撐面板側(cè)壁并且其上設(shè)置有刻度線的刻度面板、沿水平方向設(shè)置在所述的刻度面板頂部的電磁鐵以及設(shè)置在支撐面板下部的其內(nèi)沿豎直方向開有多個導(dǎo)向孔的導(dǎo)向條，在所述的每一導(dǎo)向孔內(nèi)插有測針，在所述的測針頂部裝有磁性測針帽，所述的行走小車系統(tǒng)包括步進電機，所述的步進電機通過傳動裝置與所述的車輪相連，所述的步進電機和磁鐵分別與一個控制開關(guān)相連，所述的自動控制和判讀系統(tǒng)包括一臺裝有運行控制模塊的計算機，一臺與所述的刻度面板相對設(shè)置的攝像機，所述的運行控制模塊執(zhí)行如下步驟(1)向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，對測針帽形成電磁引力，將所有測針向上提起；(2)向行走小車控制開關(guān)發(fā)出閉合指令，小車帶動測針排沿水槽軌道前進；到達指定位置后，行走小車控制開關(guān)開啟，小車停止運動；(3)行走小車就位后，向電磁鐵控制開關(guān)發(fā)出開啟指令，測針在自重作用下下落至床面處，測針的高低起伏反映出地形的起伏；(4)向攝像機發(fā)出啟動信號，拍攝當(dāng)前每個測針在刻度面板中的位置，并讀取所述的攝像機傳送的圖像信號；(5)讀取所述的攝像機傳送的圖像信號通過圖像處理模塊進行自動分析，識別其中的刻度線和測針，根據(jù)測針頂點在刻度線上的相對位置，計算測針頂點讀數(shù)并保存該數(shù)據(jù)；(6)根據(jù)已保存的數(shù)據(jù)，計算床面地形變化的梯度，并根據(jù)梯度的大小，向所述的行走小車控制開關(guān)發(fā)出開關(guān)命令實時調(diào)整步進電機的下一步行走的步長；(7)按照調(diào)整后的步長，控制行走小車前進，重復(fù)步驟1-6，完成所有斷面測量，獲得三維地形數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水槽三維地形自動測量裝置，其特征在于，所述的圖像處理 模塊按如下步驟執(zhí)行刻度面板上的位置信號的分析(1) 讀取支撐面板圖像信號并計算色彩亮度特征量；(2) 計算所述的色彩亮度特征量沿y方向的差分；(3) 根據(jù)y方向差分計算結(jié)果，進行圖像分割，區(qū)分刻度線和背景；(4) 識別所述的圖像分割后的刻度線；(5) 將所述的刻度線過濾、合并并編號；(6) 計算所述的色彩亮度特征量沿X方向的差分；(7) 根據(jù)沿X方向的差分計算結(jié)果，進行圖像分割，區(qū)分測針線和背景；(8) 識別所述的測針線；(9) 將所述的測針線過濾、合并并編號；(10) 根據(jù)測針線頂點在刻度線上的相對位置，計算并輸出其讀數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水槽三維地形自動測量裝置，其特征在于設(shè)置在所述的支 撐面板上的導(dǎo)向條為上下兩排。
全文摘要
本發(fā)明公開了水槽三維地形自動測量裝置，它包括其車輪設(shè)置在水槽側(cè)壁頂面軌道上的行走小車系統(tǒng)，斷面地形測針排，它還包括自動控制和判讀系統(tǒng)，斷面地形測針排包括連接在行走小車系統(tǒng)上的支撐面板、連接在支撐面板側(cè)壁并且其上設(shè)置有刻度線的刻度面板、在刻度面板頂部的電磁鐵以及設(shè)置在支撐面板下部的其內(nèi)開有導(dǎo)向孔的導(dǎo)向條，在每一導(dǎo)向孔內(nèi)插有測針，在測針頂部裝有測針帽，行走小車系統(tǒng)包括步進電機，步進電機通過傳動裝置與車輪相連，步進電機和磁鐵分別與一個控制開關(guān)相連，自動控制和判讀系統(tǒng)包括計算機，一臺與所述的刻度面板相對設(shè)置的攝像機。采用本裝置大大降低了技術(shù)的復(fù)雜度，可以大量縮短三維地形測量所需時間。
文檔編號E02B1/02GK101709965SQ20091022804
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者白玉川, 許棟 申請人:天津大學(xué)