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        基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的危巖體表面線(xiàn)狀特征提取方法

        2021-04-20 09:42:36李俊寶陳良良
        北京測(cè)繪 2021年2期
        關(guān)鍵詞:特征提取算子巖體

        李俊寶 陳良良

        (1. 河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院, 河南 鄭州 450000; 2. 中陜核工業(yè)集團(tuán)測(cè)繪院有限公司, 陜西 西安 710038)

        0 引言

        我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家之一,近些年山體滑坡、巖體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)常發(fā)生,其中高大、危險(xiǎn)的巖體一旦崩塌會(huì)造成較大的損失,由于危巖體的特點(diǎn),用傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法難以進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)、逐漸應(yīng)用在滑坡體、危巖體等變形監(jiān)測(cè)中,能夠得到很好的效果[1]。三維激光掃描技術(shù)采集得到的數(shù)據(jù)稱(chēng)作“點(diǎn)云”,在以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的危巖體的變形監(jiān)測(cè)中,目前主要采用的方法有點(diǎn)云對(duì)點(diǎn)云比較、點(diǎn)云與模型間比較、點(diǎn)云構(gòu)建的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)間的比較[2],這些方法都是以巖體的整體作為監(jiān)測(cè)的對(duì)象,得到的形變量是沿著某一方向的,而實(shí)際巖體的形變并不是沿著確定的一個(gè)方向。

        由于危巖體在各種因素的影響下其表面會(huì)產(chǎn)生裂縫,在內(nèi)外力作用下裂縫會(huì)逐漸變大進(jìn)而使巖體開(kāi)裂發(fā)生崩塌,危巖體表面的裂縫是一種線(xiàn)性特征,可以將其提取出來(lái)進(jìn)行三維對(duì)比分析,進(jìn)而得到形變量。

        1 危巖體數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

        1.1 數(shù)據(jù)采集

        本文中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是位于重慶市武隆區(qū)某地的危巖體,它是在20世紀(jì)90年代初部分巖體崩塌之后形成的,地形較為陡峭、巖體較為破碎,巖體表面裂縫較多,線(xiàn)性特征較為明顯。本次數(shù)據(jù)采集使用的設(shè)備是Leica公司的HDS8800,它是一種超長(zhǎng)測(cè)程地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng),能在1 400 m距離掃描到巖體表面,掃描速度快,非常適合危巖體的掃描測(cè)量。

        根據(jù)危巖體的位置、測(cè)區(qū)范圍、周邊環(huán)境、掃描儀的性能,在距危巖體一定距離處選取并埋設(shè)混凝土觀測(cè)墩,作為固定觀測(cè)點(diǎn)。由于所采用的HDS8800三維激光掃描儀掃描距離遠(yuǎn)、掃描范圍大,而該危巖體的分布范圍不大,因此在固定點(diǎn)上架設(shè)一站即可完成掃描、無(wú)須搬站、所采集的數(shù)據(jù)也無(wú)須拼接。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)規(guī)范要求,用同樣的方法在同一位置使用同一款三維激光掃描儀器,根據(jù)危巖體的特點(diǎn)、項(xiàng)目要求等分三期次采集危巖體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。綜合考慮掃描距離、掃描速度、精度要求等,設(shè)置的采樣點(diǎn)的間隔約為8 cm,采集得到危巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

        1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

        外業(yè)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理后的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行后續(xù)的工作,預(yù)處理流程為點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)拼接、參考系歸一、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化等。

        依照點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程,將采集得到的各期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Leica點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理軟件Cyclone中,分別對(duì)三期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,詳細(xì)操作步驟如下:

        (1)對(duì)一、二、三期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行去噪處理,一般采用人機(jī)交互的方式去噪;

        (2)去噪完成后,對(duì)一、二、三期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗配準(zhǔn),本例以一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn),將二、三期點(diǎn)云數(shù)據(jù)都配準(zhǔn)到一期數(shù)據(jù)上,這樣三期點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下;

        (3)由于危巖體表面裂縫較多,獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也較多,數(shù)據(jù)量比較大,因此可選擇幾條比較顯著的裂縫作為研究對(duì)象。在危巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選擇裁剪一塊數(shù)據(jù),命名為A,A區(qū)域是一條沿危巖體表面橫向的裂縫,然后分別對(duì)三期數(shù)據(jù)中同一塊區(qū)域進(jìn)行裁剪,然后使用迭代最近點(diǎn)法[3]方法進(jìn)行精確配準(zhǔn)。

        2 危巖體表面深度影像生成

        由于三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的數(shù)據(jù),而且本身不具有屬性信息,也不存在拓?fù)潢P(guān)系,為了提取危巖體表面特征線(xiàn),需要先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格圖形,再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行提取[4]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格圖形(深度影像)有以下幾個(gè)操作流程。

        2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換

        由于三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是儀器內(nèi)部自定義的坐標(biāo)系統(tǒng),其坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光發(fā)射處,X軸位于橫向掃描平面內(nèi),同時(shí)Y軸也在橫向掃描平面內(nèi)并與X軸垂直,Z軸位于豎向掃描平面內(nèi),并且X、Y、Z構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

        在實(shí)際的掃描中,并不能保證掃描的立面垂直于激光掃描儀橫向掃描面內(nèi)的坐標(biāo)軸(X軸或Y軸)。因此,當(dāng)使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建掃描立面的表面模型時(shí),需要首先對(duì)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5],從而使立面垂直于橫向掃描面內(nèi)的某一坐標(biāo)軸,并且通過(guò)式(1)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此次掃描得到的危巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一個(gè)立面,大致垂直于橫向掃描平面,因此需要先進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使其完全垂直橫向掃描平面;在構(gòu)建起表面模型時(shí),為了符合常規(guī)表達(dá)方式,還需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行變換,將原坐標(biāo)系中Y軸與Z軸對(duì)換。

        (1)

        2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插

        將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及旋轉(zhuǎn)變換后,就可以對(duì)其進(jìn)行內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng),內(nèi)插過(guò)程一般為:對(duì)于給定的平面坐標(biāo)點(diǎn)P(x,y),把該點(diǎn)鄰近的已知點(diǎn)作為參考點(diǎn),進(jìn)而求得P點(diǎn)值[6]。內(nèi)插的方法有很多種,常用的有自然鄰點(diǎn)插值法、克里金插值法等,考慮到需要獲得危巖體表面細(xì)節(jié)特征以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理,本文采用克里金(Kriging)插值法得到區(qū)域表面模型。

        2.3 深度影像的生成

        對(duì)通過(guò)克里金插值生成的相關(guān)區(qū)域的表面模型進(jìn)行灰度量化,在量化的過(guò)程中按照格網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)Z值大小進(jìn)行,最后生成深度影像。

        具體生成的算法流程如下:

        (1)搜索通過(guò)內(nèi)插得到的所有規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn),得到Z值的最大值Zmax和最小值Zmin;

        (2)根據(jù)公式(2)對(duì)每個(gè)點(diǎn)高程值Gi進(jìn)行量化,得到每個(gè)點(diǎn)的像素灰度值;

        (3)將規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)中的X和Y值轉(zhuǎn)化成深度影像的二維坐標(biāo)U和V,并且使坐標(biāo)點(diǎn)與像素點(diǎn)要一一對(duì)應(yīng)。

        (2)

        其中,Gi表示規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值,Zi表示規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程值。

        3 危巖體表面線(xiàn)狀特征提取

        點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取主要有三種方法,即基于離散點(diǎn)的特征提取方法、基于掃描線(xiàn)的特征提取方法、基于深度影像的特征提取方法[7]??紤]到危巖體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大,危巖體表面不規(guī)則、幾何特性不明確及現(xiàn)有特征提取方法,本文采用基于深度影像的特征提取方法。

        3.1 深度影像特征提取算法

        物體的邊緣特征在圖像上顯示為灰度的不連續(xù)性,因此在提取時(shí)要先檢測(cè)灰度的不連續(xù)性,然后連接不連續(xù)的邊緣像素點(diǎn)形成完整的邊緣界線(xiàn)。邊緣檢測(cè)算子可以檢測(cè)出邊緣特征,并將其提取出來(lái)。常用的邊緣檢測(cè)算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplaction算子、Canny算子,其中前四種檢測(cè)算子雖然簡(jiǎn)單易行,但由于對(duì)噪聲較為敏感,檢測(cè)的邊緣不夠精細(xì)。Canny算子是一種基于最優(yōu)化算法的邊緣檢測(cè)算子,具有很好的高信噪比和檢測(cè)精度[8-9],具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示:

        (1)利用高斯濾波器進(jìn)行圖形的平滑處理;

        (2)計(jì)算梯度的幅值和方向;

        (3)梯度幅值的非極大抑制;

        (4)雙閾值算法跟蹤邊緣。

        雖然Canny算子也存在諸如平滑噪聲能力與高斯濾波器參數(shù)選擇相矛盾、梯度值的選擇依賴(lài)于人工等缺點(diǎn),但仍是數(shù)字圖像處理中常用的邊緣檢測(cè)方法。

        3.2 基于Canny算子的深度影像特征提取

        本文使用Matlab編程語(yǔ)言利用Canny算法對(duì)危巖體表面的深度影像進(jìn)行特征提取, 由于Canny算子本身的缺點(diǎn),使得提取的某些特征線(xiàn)會(huì)存在間斷的問(wèn)題,因此還需要使用Matlab編程將這些間斷的特征線(xiàn)連接起來(lái),生成連續(xù)的特征線(xiàn),如圖1所示。

        圖1 提取出的多條特征線(xiàn)

        一個(gè)區(qū)域的深度影像提取完成后會(huì)生成多條特征線(xiàn),還需要選擇某一條特征線(xiàn)并提取出來(lái),以便后續(xù)處理分析。

        3.3 線(xiàn)狀特征對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)計(jì)算

        危巖體深度影像特征線(xiàn)提取完成之后,需要把特征線(xiàn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)提取出來(lái),才能進(jìn)行后續(xù)形變分析計(jì)算。根據(jù)深度圖像的生成過(guò)程,可知深度圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)[i,j]對(duì)應(yīng)規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)中的每一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)P[i,j](X,Y,Z)[10],因此在深度圖像中選擇提取出某一條特征線(xiàn)時(shí),就可以得到該特征線(xiàn)在圖像中的位置{[i1,j1],[i2,j2],......[in,jn]},進(jìn)而得到其在格網(wǎng)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)三維坐標(biāo)集合{P(X1,Y1,Z1),P(X2,Y2,Z2),......P(Xn,Yn,Zn)}。

        提取的特征線(xiàn)共有198個(gè)像素點(diǎn),與其對(duì)應(yīng)的部分三維坐標(biāo)見(jiàn)表1所示。

        表1 像素點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo) 單位:m

        4 結(jié)束語(yǔ)

        利用三維激光掃描技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù),結(jié)合具體變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用Canny算子,利用Matlab編程語(yǔ)言可以提取出危巖體表面特征線(xiàn),并提取出與特征線(xiàn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo),為后面的危巖體的形變分析提供數(shù)據(jù)支撐,該方法具有一定的可行性,為危巖體的變形監(jiān)測(cè)方法提供了一種嘗試,具有一定的參考意義。

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