基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘

范承成; 德晓薇; 郭金家; 曹又文; 卢泽宇; 宋琳娜; 张喜林

doi:10.37188/OPE.20223010.1170

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基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘

现代应用光学 | 更新时间：2022-06-21

- 基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘
- 3D mapping of submarine topography by laser line scanning based on pose correction by triangular displacement method
- 光学精密工程 2022年30卷第10期页码：1170-1180
- 作者机构：
  
  1.中国海洋大学信息科学与工程学部，山东青岛 266100
  2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东青岛 266237
  3.中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛 266237
- 作者简介：
  
  [ "范承成（1997-），男，安徽黄山人，硕士研究生，2019年于安徽大学获得学士学位，现就读于中国海洋大学光学工程专业，主要从事激光三维成像方面的研究。E-mail： fcc_ouc@163.com" ]
  [ "郭金家（1979-），男，山东青岛人，教授级高级工程师，博士生导师，2001年于山东师范大学获得学士学位，2004年、2012年于中国海洋大学分别获得硕士和博士学位，现就职于中国海洋大学信息科学与工程学部物理与光电工程学院，主要从事海洋激光探测技术的研究。Email： opticsc@ouc.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  青岛市海洋工程与技术智库联合基金项目(20211119-2);山东省重点研发计划项目(2020CXGC010706)
- DOI：10.37188/OPE.20223010.1170
  中图分类号： TN247;TP391
- 收稿日期：2021-10-25，
  
  修回日期：2021-12-18，
  
  纸质出版日期：2022-05-25
- 稿件说明：
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范承成,德晓薇,郭金家等.基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘[J].光学精密工程,2022,30(10):1170-1180.

FAN Chengcheng,DE Xiaowei,GUO Jinjia,et al.3D mapping of submarine topography by laser line scanning based on pose correction by triangular displacement method[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(10):1170-1180.
范承成,德晓薇,郭金家等.基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘[J].光学精密工程,2022,30(10):1170-1180. DOI： 10.37188/OPE.20223010.1170.

FAN Chengcheng,DE Xiaowei,GUO Jinjia,et al.3D mapping of submarine topography by laser line scanning based on pose correction by triangular displacement method[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(10):1170-1180. DOI： 10.37188/OPE.20223010.1170.

摘要

作为一种三维成像技术，激光线扫描技术在海底目标探测和地形地貌测绘中获得了广泛应用。本文搭建了一套水下激光线扫描实验装置，对经过标定的激光线扫描装置获得的图像进行激光光条提取、特征提取匹配等图像处理后进行三维重建。在光条提取算法方面，针对水下散射粒子等干扰，结合单通道阈值法和灰度重心法提高了光条提取的精度，较其他光条中心提取算法有更强的鲁棒性；在特征提取匹配方面，提出了一种基于图像的三角位移估计法用于系统定位和位姿矫正，该方法利用线结构光三角测量原理估计场景深度，结合特征点匹配计算系统位移，然后融合点云数据完成姿态矫正。利用自研的线扫描系统在实验室进行了标准球精度测试，在800 mm~2 500 mm的工作距离内误差可以控制在1 mm以下。2019年和2020年该设备搭载遥控无人潜水器进行了深海海底地形三维成像试验，在海底沙坡区域对本文提出的三角位移法姿态校正方法成功进行了验证，并进一步对不同条件的海底地形进行测试，结果表明校正后的激光线扫描成像装置能够快速准确地成像，具有较高的形貌还原度。

Abstract

As a three-dimensional （3D） imaging technology， laser line scanning has been widely used in underwater target detection and topographic mapping. In this study， a set of underwater laser line scanning experimental equipment is constructed， and images obtained using a calibrated laser line scanning device are processed via laser strip extraction， feature extraction， and matching； subsequently， 3D reconstruction is performed. To mitigate the interference of underwater scattering particles， the light strip extraction algorithm is used， where the single channel threshold and gray center methods are combined to improve the accuracy of light strip extraction. Consequently， a higher robustness is achieved compared with that afforded by other light strip center extraction algorithms. In terms of feature extraction and matching， an image-based triangular displacement estimation method for system positioning and pose correction is proposed herein. This method applies the principle of line-structured light triangulation to estimate the scene depth， matches feature points to estimate system displacement， and fuses point cloud data to complete pose correction. We performed a standard ball accuracy test in a laboratory using a self-developed line scanning system， and the error can be controlled below 1 mm within a distance of 800–2500 mm. In 2019 and 2020， we performed 3D imaging tests of deep-sea seabed terrains with an ROV using the abovementioned system. The tests successfully validated the pose correction method of the proposed triangular displacement method in a sloped seabed sand area， and further tests were performed on the seabed terrain under different conditions. The results demonstrate that the corrected laser line scanning imaging device can perform imaging rapidly and accurately with a high degree of morphology reduction.

关键词

Keywords

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