一種水土流失情況測定的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及圖像三維重建技術和水土流失情況測定方法。
【背景技術】
[0002] 土壤侵蝕過程是侵蝕力與下墊面相互作用的過程，下墊面既是土壤侵蝕作用的對 象，也是土壤侵蝕作用的結果，在土壤侵蝕過程中的每一時刻，都使得下墊面的土體發生 位移，下墊面的形態發生變化。圍繞觀測下墊面土體的位移量和下墊面形態的變化，發展 了多種多樣的觀測技術和方法：
[0003] ⑴接觸式觀測法
[0004] 通過皮尺、卷尺、游標卡尺等常規的測量工具，對下墊面的形態變化進行簡單測 量。優點：簡單易行；缺點：精度偏低，且只能觀測次降雨條件下土壤侵蝕的總量，而不能觀 測土壤侵蝕過程中在不同時段或不同空間的變化量；
[0005] ⑵示蹤觀測法
[0006] 利用mCs、7Be等天然放射性核素、穩定性稀土元素等按照指定要求添加到土壤里 面，對下墊面的形態進行監測。優點：可觀測土壤侵蝕速率、空間分布特征；缺點：觀測的時 間間隔太長、空間定位精度一般在米級以上；
[0007] ⑵維激光掃描觀測法
[0008] 通過三維激光掃描儀對下墊面形態進行測量；原理：利用激光測距技術，通過記 錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速測量被測物表 面的三維點數據。優點：空間定位精度高；缺點：儀器不防水，不能在降雨過程中觀測，且在 溝蝕階段會在溝道出現漏測，最大缺陷是測量效率太慢，不能監測下墊面形態動態演變過 程；
[0009] ⑷傳統攝影測量觀測法
[0010] 用于監測河道侵蝕和重力侵蝕，其觀測時間間隔分別為次降雨、天、年甚或更長， 適合長時段侵蝕總量的觀測，而不能觀測短時段內相應分量的變化；
[0011] ⑶徑流泥沙采樣法
[0012] 在降雨過程當中，利用容器對下墊面侵蝕產生的泥沙按照不同時間段分別采樣， 對下墊面的土壤侵蝕量監測。優點：簡單易行；缺點：泥沙的空間來源無法區分；
[0013] 那么，如何在降雨條件下，從時空兩個維度上觀測下墊面形態演化以及表征土壤 侵蝕各物理量。亦即，如何隨著土壤侵蝕的發生發展，能夠在設定的時間結點上，觀測并量 化表達下墊面的空間形態，進而根據下墊面空間形態計算土壤侵蝕量、輸沙率、侵蝕速率 等，以上的觀測技術和方法都未能很好地解決這個問題。
【發明內容】
[0014] 針對現有技術的缺陷或不足，本發明提供了一種基于立體視覺的圖像三維重建方 法。
[0015] 本發明提供的基于立體視覺的圖像三維重建方法包括：
[0016] 步驟一，采集圖像
[0017] 采集目標區域某一時間窗口的圖像；
[0018] 步驟二，區域分塊
[0019] 按采集時間先后對所有圖像進行序列標號；每連續多幀圖像為一任務區塊；相鄰 區塊與區塊之間有重疊圖像，重疊部分的圖像有相同序列標號；
[0020] 步驟三，三維重建
[0021] 對步驟二得到的各區塊分別采用立體視覺技術進行三維重建，得到各區塊的三維 點云；
[0022] 對各區塊三維點云的各三維點進行編號，得到各三維點的編號特征；任意三維 點A的編號特征為[(A。a)，（A2,a2)，…，（An，an)，…，（AN:，aND，（AN，aN)]，其中：n= 1，2, 3,…，N;，N為三維點A對應的原始圖像的張數，N取正整數；AnS三維點A對應的所 有原始圖像中某一圖像n的ID號；^為三維點A在ID號為A"的原始圖像上的SIFT特征 點的ID號，（An，an)為編號特征的編號元組；
[0023] 步驟四，拼接
[0024] (1)確定鄰接區塊
[0025] ①尋找有重疊圖像的相鄰塊與塊之間的同名點，相鄰塊與塊之間的兩個三維點的 編號特征交集包括至少一個編號元組時，兩個三維點為同名點；
[0026] ②兩個塊的同名點的個數占其中一個塊中總三維點數的10%以上時，這兩個區塊 為鄰接區塊；
[0027] ③同名點個數占區塊中三維點個數比例最高的區塊為母站；
[0028](2)鄰接區塊拼接
[0029] 以母站為基準對其他區塊進行拼接：
[0030] (2. 1)確定穩定的同名點
[0031] ①構建同名邊
[0032] 對于兩個鄰接區塊，分別在各區塊中利用該區塊中的同名點組合構建邊網，并計 算每條邊的長度；其中一個區塊中有n個同名點，則該區塊中組合構建的邊網有C:B2條邊；[0033] ②確定穩定的同名點
[0034] 鄰接區塊之間的各組同名邊中兩條邊長度的比值構成比例數組，比例數組包括 Ci個數值；采用基于拉依達準則（3 〇準則）的奇異數據濾波法對C,)個數值進行檢驗，得 到可靠數值點，，可靠數值點對應的同名點作為穩定的同名點；
[0035] ③基于穩定的同名點做兩個三維區塊之間的旋轉、平移、縮放參數的計算，從而完 成兩個區塊之間的拼接；
[0036] 完成所有鄰接區塊之間的拼接后得到該時刻下測量區域的點云集合，去除點云集 合中觀測區域之外的點云，得到該時刻下測量區域的三維點云。
[0037] 本發明還提供了一種水土流失情況測定方法，方法包括：
[0038]步驟A，構建參考面：采集目標區域下雨前的圖像，執行權利要求步驟二至步驟 四，利用所得三維點云中的多個三維點擬合得到的平面為參考面；
[0039] 步驟B，獲取不同時刻目標區域下雨時的三維點云：每一時刻的圖像采集和處理 執行權利要求1所述步驟一至步驟四；
[0040] 步驟C，統一坐標系：將下雨時各時刻三維點云的坐標統一到同一坐標系下；
[0041] 步驟D，計算參考面各時刻參考面以下的DEM體積量：將某時刻的三維點云內插得 到對應的DEM數據，計算該時刻參考面以下的DEM體積量；
[0042] 步驟E，相鄰時刻參考面以下的DEM體積量差值為相鄰時刻時間段內的土壤侵蝕 量。
[0043] 步驟A和步驟B的圖像采集包括：采集目標區域某一時間窗口的土壤圖像，所采集 圖像的重疊度至少為5度；單位平方米內，在10-12秒內采集圖像的數量為120-240幀，且 單位平方米至少采集120幀。
[0044] 所述目標區域設有多個標靶。
[0045] 所述時間窗口時長：15-180s。
[0046] 步驟二按米集時間先后對所有圖像進行序列標號，每連續50-230幀圖像為一任 務區塊；相鄰區塊與區塊之間有圖像重疊，重疊圖像的幀數占兩個相鄰區塊中每個區塊內 圖像幀數的10% -20%。
[0047] 本發明的技術效果為：
[0048] 1、本發明的方法能夠在降雨過程中觀測。通過拍攝、解算降雨過程中下墊面的數 字影像，提取土壤侵蝕過程中下墊面變化的時空信息，更加準確地描述土壤侵蝕過程。同時 本發明也能夠應用于類似的體積變化的量測。
[0049] 2、本發明的方法觀測精度高，方法可觀測一定時間段內自然界土壤侵蝕過程，對 土壤侵蝕觀測的空間和時間分布率更高。
[0050] 3、本發明的方法對計算機硬件單元適用范圍寬，可以根據實際的硬件環境，計算 過程中的多個區塊可通過聯網進行并行計算或通過單機分批次計算。
[0051] 4、本發明在確定鄰接區塊時采用SIFT特征算子的ID號構造編號組集合，通過區 塊之間的集合交集計算同名點，較之傳統特征匹配算法計算速度至少提高了 4倍。
【附圖說明】
[0052] 圖1A為實施例中降雨前下墊面的示意圖；圖1B為實施例中降雨后下墊面的示意 圖；
[0053]圖2為實施例中步驟一所采集圖像的示意圖；
[0054] 圖3為實施例中步驟三各區塊的點云示意圖；
[0055] 圖4為步驟四中三維重建后的示意圖；
[0056] 圖5為步驟五中的參考面及計算示意圖；
[0057]圖6A為激光掃描儀觀測得到的數字點云圖；圖6B為本發明的方法得到的數字點 云圖。
【具體實施方式】
[0058] 以下是發明人提供的具體實施例，以對本發明的技術效果作進一步解釋說明。
[0059]實施例：
[0060] 該實施例于2014年7月9日在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人 工模擬降雨廳進行。
[0061] 實驗中人工模擬降雨的強度為90毫米每小時，所構造的下墊面如圖1A、圖1B所 示，其中圖1A為未發生侵蝕的（降雨前拍攝）下墊面圖片，圖1B為發生侵蝕的（降雨后拍 攝）下墊面圖片，鋼槽底部為斜面，鋼槽內部放置有待測定土壤，土壤類型為黃綿土，土壤 裝填容重為1. 3g/cm3,下墊面裝置的土槽尺寸為1米寬，5米長的立方體容器，下墊面底面 與水平面構成15度傾斜角度。
[0062] 分時段進行攝影并進行數字影像的解算，計算機視覺的下墊面土壤侵蝕觀測法： 從降雨開始至降雨結束對實驗下墊面進行全覆蓋的數字影像采集，采集時間分別在降雨開 始后 5〇111；[11、70111；[11、90111；[11、100111；[11，第100111；[11后每隔10111；[11采集一次，采集器距離下墊面的 平均高度為80 ± 5cm，數字影像的采集密度為150-170幀/m2;
[0063] 收集水沙全樣并換算流失量：在降雨開始后按照計算機視覺的下墊面土壤侵蝕觀 測的相同時間間隔收集實驗過程中的水沙全樣，計算樣品中所含的土壤重量，并按土槽裝 填時1. 3g/cm3的容重換算相應的體積量。
[0064] 圖像米集和圖像處理過程如下：
[0065] -、獲取不同時刻下測量區域的三維點云
[0066] 步驟一，采集圖像
[0067] 區域采集面積：5平方米，本次采集得到1013張照片，采集過程歷時62秒，如圖2 所示；
[0068] 步驟二，對步驟一所采集的所有圖像進行區域任務分塊
[0069] 按采集時間先后對步驟一所有圖像進行序列標號，將步驟一中得到的1013張數 字影像，以每塊180張、相鄰區塊重疊65張的任務分割模式分割為9個任務子區，其中第9 子區具有93張照片；
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