基于三維激光掃描的堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地質(zhì)工程測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維激光掃描的堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前地質(zhì)、地貌、水利領(lǐng)域研究領(lǐng)域，堆積剖面的空間結(jié)構(gòu)信息是工程地質(zhì)、水利工程等最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，為獲得地質(zhì)、地貌等堆積剖面的空間結(jié)構(gòu)信息時，主要采用水利學領(lǐng)域的皮尺攝影測量法:沿堆積剖面局部斷面橫向或縱向拉皮尺，用照相機拍攝照片，獲取局部剖面的連續(xù)相片，然后在室內(nèi)進行照片的拼接，通過參照物或皮尺刻度，估算顆粒粒徑的大小、分布和不同粒徑物質(zhì)組成比例，進而通過局部帶狀信息反推整個剖面的空間信息。
[0003]該類測量方法的信息源為堆積剖面的局部二維信息，缺少對堆積剖面三維空間信息測量與研究，因此無法客觀、全面的反映堆積剖面的空間信息，更難以實現(xiàn)多期次對復雜堆積剖面空間信息的甄別與提取，也不能支撐堆積剖面穩(wěn)定性分析。并且采用該類傳統(tǒng)測量方法，獲取大量測量數(shù)據(jù)費時費力;尤其在高邊坡或惡劣環(huán)境下，測量人員無法靠近堆積表面，危險性大。
[0004]三維激光掃描技術(shù)(Light Detect1n And Ranging,LiDARMtS—種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)，可以高效地采集大量的三維坐標點，將各種大型的、復雜的、不規(guī)則的實景三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，快速重構(gòu)出目標的三維點云模型，因此該技術(shù)能夠面向高精度的地質(zhì)工程的三維建模與重構(gòu)。如專利申請?zhí)枮?01310746175.2的發(fā)明，介紹了一種基于三維激光掃描技術(shù)，獲取地質(zhì)對象海量的高精度坐標點云;但該發(fā)明并披露針對高精度坐標點云進行空間結(jié)構(gòu)信息的分析方法，只屬于工程地質(zhì)測繪方法。
[0005]三維激光掃描技術(shù)可以短時間、遠距離、高精度的獲得目標堆積剖面的坐標點，因此進一步利用三維激光掃描技術(shù)的點云數(shù)據(jù)進行分析，擬和剖面，并實現(xiàn)堆積剖面空間信息的無損提取，對解決地質(zhì)、地貌、水利、沉積等領(lǐng)域的高陡堆積剖面空間信息提取與反演的關(guān)鍵問題具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于三維激光掃描的堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析方法，能夠?qū)崿F(xiàn)堆積剖面塊石粒徑及體積等幾何信息、空間結(jié)構(gòu)與組構(gòu)、堆積層位與期次信息的提取及堆積規(guī)模的估算。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于三維激光掃描的堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析方法的技術(shù)方案如下:使用三維激光掃描儀對所述堆積剖面進行掃描，得到掃描圖像Al，所述分析方法的步驟為:
[0008]步驟S1、預處理掃描圖像Al，提取圖像數(shù)據(jù)，設(shè)定圖像Al比例尺、塊石最大粒徑、塊石最小粒徑等參數(shù)，通過圖像二值化和分水嶺算法對圖像進行分割，獲取塊石邊界輪廓圖A6；
[0009]步驟S2、根據(jù)塊石邊界輪廓圖A6，利用邊界圈定點云數(shù)量，校正獲取塊石空間信息:利用點云分割算法分割剖面，得到曲面函數(shù)ax+by+cz+d = O，將三維曲面坐標系(ax+by+cz+d = 0)轉(zhuǎn)換成二維平面坐標系Χ-0-Υ，曲面點云中任意點(x，y，z)的z值就是垂直于剖面的高度，把點云中所有的點都投射到二維剖面，把高度值轉(zhuǎn)化灰度值;分割二維圖像，通過已有的參數(shù)反推石塊的粒徑和空間結(jié)構(gòu)信息。
[0010]步驟SI和S2的具體步驟如下:
[0011]步驟S11、讀取三維激光掃描儀的掃描圖像Al，選出需要統(tǒng)計塊石的區(qū)域；
[0012]步驟SI2、設(shè)置掃描圖像Al上的比例尺、塊石最小粒徑、圖像二值化門限threshold；
[0013]步驟s13、以石塊普遍存在灰度較高部分的統(tǒng)計規(guī)律得到的高亮度區(qū)域為出發(fā)點分割石塊；
[0014]步驟S14、通過S12設(shè)定的二值化門限threshold對所述三通道的RGB掃描圖像Al進行三通道的二值化處理，得到二值化的圖像A2;
[0015]步驟S15、根據(jù)RGB的三個通道中較亮的區(qū)域?qū)⒍祷膱D像A2轉(zhuǎn)化成單通道前景灰度圖像A3;
[0016]步驟S16、在threshold門限下統(tǒng)計前景灰度圖像中前景塊數(shù)N;返回步驟S13改變二值化門限threshold，循環(huán)步驟至S16，直到前景塊數(shù)N得到最大值，執(zhí)行S17 ；
[0017]步驟S17、單通道前景灰度圖像A3進行膨脹的形態(tài)學處理后，進行二值化取反，得到確定的背景區(qū)域灰度圖像A4，其中灰度值為O的區(qū)域為確定的背景，灰度值為128的區(qū)域為不確定區(qū)域；
[0018]步驟S18、單通道前景灰度圖像A3和背景區(qū)域灰度圖像A4相加得到圖像A5，灰度值為O的區(qū)域為確定的背景，灰度值為128的區(qū)域為不確定區(qū)域，其他灰度值區(qū)域為確定的前景；
[0019]步驟S19、利用三通道的RGB掃描圖像Al的信息采用分水嶺對圖像A5進行分割，得到灰度值為128區(qū)域的區(qū)域具體屬于前景或背景，得到塊石輪廓圖像A6;
[0020]步驟S21、三維激光掃描儀掃描堆積剖面后，對剖面的掃描圖像數(shù)據(jù)融合后得到點云數(shù)據(jù);對點云參數(shù)設(shè)置后分割點云剖面，確定剖面平面的ax+by+cz+d = 0的4個參數(shù)；
[0021 ] 步驟S22、將傾斜的剖面ax+by+cz+d = O進行坐標轉(zhuǎn)換，擺正成X-O-Y平面；
[0022]步驟S23、遍歷誤差最小點:在點云里選一個y軸上或接近y軸的點，y值越大且距離Y-O-Z平面越近，誤差越?。蝗绻幢闅v到誤差最小點，則返回S21從新調(diào)整參數(shù)后點云剖面；
[0023]步驟S24、三維坐標變換，通過變換矩陣將把點云轉(zhuǎn)化為S23新的三維坐標系中；
[0024]步驟S25、Z絕對值測試:對轉(zhuǎn)化后的X-O-Y平面的所有剖面點(X，y，z)的z絕對值測試；
[0025]步驟S26、通過對點云的分辨率進行統(tǒng)計，計算出比例尺把點云映射到二維圖像，也就是OpenCV的Mat結(jié)構(gòu)上；
[0026]步驟S27、濾波處理:對于圖像中為O的點復制到新的圖像，用周圍的點的灰度值來賦值，得到二維圖像。
[0027]步驟S28、轉(zhuǎn)換成二維的Mat圖像
[0028]X-O-Y剖面平面的厚度(dO)，把-dO/2到最大石塊高度的區(qū)間映射到[0，255]的灰度區(qū)間，得到將X-O-Y剖面轉(zhuǎn)換成的二維的Mat圖像；
[0029]步驟S29、偽彩色圖像處理:選擇出需要分割的點云區(qū)域，把O?255的灰度映射成偽彩色圖像；
[0030]步驟S210、對二維Mat圖像中區(qū)域進行分割，根據(jù)設(shè)置參數(shù)計算出實際的粒徑大小，石塊體積通過設(shè)置好的參數(shù)和點的灰度值計算出來;然后得出粒徑積累曲線和體積積累曲線。
[0031]優(yōu)化的，所述步驟S21所述的對掃描圖像數(shù)據(jù)融合后得到點云數(shù)據(jù)，滿足每平方米的點云應該保證在50萬個點以上。所述步驟S25所述的z絕對值測試，保證z的絕對值在X或者y絕對值的0.1倍?0.3倍之間。
[0032]進一步的，所述步驟S17的單通道前景灰度圖像A3進行膨脹的形態(tài)學處理后，以12為最大值進行二值化取反。
[0033]更進一步的，所述步驟S26把點云映射到二維圖像，滿足一個三維點對應一個二維點。
[0034]具體的，所述設(shè)定圖像Al比例尺時，依據(jù)實際考察圖像上兩個點的實際距離來確定。
[0035]本發(fā)明的提供了基于三維激光掃描的堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析方法，有益效果體現(xiàn)在:(I)本發(fā)明用三維激光掃描儀掃描測量能實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的真實重現(xiàn)，比單純的平面攝影分析更具優(yōu)勢，能夠獲取堆積剖面的準確信息；(2)采用完全保留石塊高度信息的三維點云數(shù)據(jù)來進行分割的思路，摒棄了單純利用RGB圖像來分割剖面的對石塊分割不準確和不具備普適性的缺點；(3)并且本發(fā)明針對剖面分割的復雜性，采用了分割剖面、轉(zhuǎn)化坐標系和二維轉(zhuǎn)化的三步策略，實現(xiàn)了三維點云分割問題向二維圖像分割問題的轉(zhuǎn)化。總之，本發(fā)明基于三維激光掃描的堆積剖面空間信息無損提取，實現(xiàn)堆積剖面塊石幾何信息(粒徑、體積)、空間結(jié)構(gòu)與組構(gòu)、堆積層位與期次信息的提取及堆積規(guī)模的估算，支撐塊石運動力學參數(shù)與形成環(huán)境等信息的推算與反演，解決地質(zhì)、地貌、水利、沉積等領(lǐng)域的高陡堆積剖面空間信息提取與反演的關(guān)鍵問題，可用于支撐古災害重建、地貌演化分析、堆積體穩(wěn)定性分析及重大工程選線與設(shè)計等，具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明三維激光掃描儀對所述堆積剖面掃描的預處理掃描圖像Al。
[0037]圖2為本發(fā)明對預處理掃描圖像Al進行分割后獲取的塊石邊界輪廓圖A6。
[0038]圖3為本發(fā)明對剖面的掃描圖像數(shù)據(jù)融合后得到整個堆積剖面區(qū)域的點云數(shù)據(jù)圖。
[0039]圖4為本發(fā)明分割點云剖面得到的剖面平面圖。
[0040]圖5為本發(fā)明對圖4的剖面平面圖坐標轉(zhuǎn)換后的擺正X-O-Y平面圖。
[0041 ]圖6為本發(fā)明對圖5的將X-O-Y平面圖轉(zhuǎn)換成的二維的Mat圖像。
[0042]圖7為本發(fā)明對圖6進行偽彩色圖像處理映射成偽彩色圖像。
[0043]圖8為本發(fā)明對圖7進行二維分割的圖像。
[0044]圖9為利用本發(fā)明所述方法得到的剖面塊石粒徑積累曲線。
[0045]圖10為利用本發(fā)明所述方法得到的剖面塊石體積積累曲線。
[0046]圖11為利用本發(fā)明所述方法得到堆積剖面的顆粒組構(gòu)信息提取圖。
【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明的實施作進一步的描述。
[0048]實施例一
[0049]利用三維激光掃面儀對某處堆積剖面進行掃描，得到預處理圖像Al，利用本發(fā)明所述方法進行堆積剖面空間結(jié)構(gòu)信息分析。
[0050]步驟S1、預處理掃描圖像Al(如圖1)，提取圖像數(shù)據(jù)，設(shè)定圖像Al比例尺、塊石最大粒徑、塊石最小粒徑等參數(shù)，通過圖像二值化和分水嶺算法對圖像進行分割，獲取塊石邊界輪廓圖A6 (如圖2);具體步驟如下:
[0051]步驟S11、讀取三維激光掃描儀的掃描圖像Al，選出需要統(tǒng)計塊石的區(qū)域;如果圖像較大，可以給PC加內(nèi)存；由于掃描圖像上需要統(tǒng)計石塊的區(qū)域只占一部分，通過鼠標選出需要統(tǒng)計的區(qū)域即可；
[0052]步驟SI2、設(shè)置掃描圖像Al上的比例尺、塊石最小粒徑、圖像二值化門限threshold;對于掃描圖像Al上已經(jīng)標出比例尺的情況，通過選擇比例尺的一段長度，然后將實際長度輸入程序即可；如果掃描圖像Al上沒有標出比例尺，依據(jù)實際考察圖像上兩個點的實際距離來確定，在圖像上選擇這兩個點，