基于三維激光掃描的堆積剖面空間結構信息分析方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于地質工程測量領域，具體涉及一種基于三維激光掃描的堆積剖面空間結構信息分析方法。
【背景技術】
[0002]目前地質、地貌、水利領域研究領域，堆積剖面的空間結構信息是工程地質、水利工程等最重要的基礎數據之一，為獲得地質、地貌等堆積剖面的空間結構信息時，主要采用水利學領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相片，然后在室內進行照片的拼接，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定性分析。并且采用該類傳統測量方法，獲取大量測量數據費時費力;尤其在高邊坡或惡劣環境下，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(Light Detect1n And Ranging,LiDARMtS—種先進的全自動高精度立體掃描技術，可以高效地采集大量的三維坐標點，將各種大型的、復雜的、不規則的實景三維數據完整地采集到電腦中，快速重構出目標的三維點云模型，因此該技術能夠面向高精度的地質工程的三維建模與重構。如專利申請號為201310746175.2的發明，介紹了一種基于三維激光掃描技術，獲取地質對象海量的高精度坐標點云;但該發明并披露針對高精度坐標點云進行空間結構信息的分析方法，只屬于工程地質測繪方法。
[0005]三維激光掃描技術可以短時間、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的點云數據進行分析，擬和剖面，并實現堆積剖面空間信息的無損提取，對解決地質、地貌、水利、沉積等領域的高陡堆積剖面空間信息提取與反演的關鍵問題具有重要意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種基于三維激光掃描的堆積剖面空間結構信息分析方法，能夠實現堆積剖面塊石粒徑及體積等幾何信息、空間結構與組構、堆積層位與期次信息的提取及堆積規模的估算。
[0007]為實現上述目的，本發明基于三維激光掃描的堆積剖面空間結構信息分析方法的技術方案如下: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，提取圖像數據，設定圖像Al比例尺、塊石最大粒徑、塊石最小粒徑等參數，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、根據塊石邊界輪廓圖A6，利用邊界圈定點云數量，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ax+by+cz+d = O，將三維曲面坐標系(ax+by+cz+d = 0)轉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，把高度值轉化灰度值;分割二維圖像，通過已有的參數反推石塊的粒徑和空間結構信息。
[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，選出需要統計塊石的區域；
[0012]步驟SI2、設置掃描圖像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計規律得到的高亮度區域為出發點分割石塊；
[0014]步驟S14、通過S12設定的二值化門限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RGB的三個通道中較亮的區域將二值化的圖像A2轉化成單通道前景灰度圖像A3;
[0016]步驟S16、在threshold門限下統計前景灰度圖像中前景塊數N;返回步驟S13改變二值化門限threshold，循環步驟至S16，直到前景塊數N得到最大值，執行S17 ；
[0017]步驟S17、單通道前景灰度圖像A3進行膨脹的形態學處理后，進行二值化取反，得到確定的背景區域灰度圖像A4，其中灰度值為O的區域為確定的背景，灰度值為128的區域為不確定區域；
[0018]步驟S18、單通道前景灰度圖像A3和背景區域灰度圖像A4相加得到圖像A5，灰度值為O的區域為確定的背景，灰度值為128的區域為不確定區域，其他灰度值區域為確定的前景；
[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區域的區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據融合后得到點云數據;對點云參數設置后分割點云剖面，確定剖面平面的ax+by+cz+d = 0的4個參數；
[0021 ] 步驟S22、將傾斜的剖面ax+by+cz+d = O進行坐標轉換，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，誤差越小；如果未遍歷到誤差最小點，則返回S21從新調整參數后點云剖面；
[0023]步驟S24、三維坐標變換，通過變換矩陣將把點云轉化為S23新的三維坐標系中；
[0024]步驟S25、Z絕對值測試:對轉化后的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計，計算出比例尺把點云映射到二維圖像，也就是OpenCV的Mat結構上；
[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間映射到[0，255]的灰度區間，得到將X-O-Y剖面轉換成的二維的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圖像中區域進行分割，根據設置參數計算出實際的粒徑大小，石塊體積通過設置好的參數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]優化的，所述步驟S21所述的對掃描圖像數據融合后得到點云數據，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，所述設定圖像Al比例尺時，依據實際考察圖像上兩個點的實際距離來確定。
[0035]本發明的提供了基于三維激光掃描的堆積剖面空間結構信息分析方法，有益效果體現在:(I)本發明用三維激光掃描儀掃描測量能實現三維結構的真實重現，比單純的平面攝影分析更具優勢，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據來進行分割的思路，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)并且本發明針對剖面分割的復雜性，采用了分割剖面、轉化坐標系和二維轉化的三步策略，實現了三維點云分割問題向二維圖像分割問題的轉化。總之，本發明基于三維激光掃描的堆積剖面空間信息無損提取，實現堆積剖面塊石幾何信息(粒徑、體積)、空間結構與組構、堆積層位與期次信息的提取及堆積規模的估算，支撐塊石運動力學參數與形成環境等信息的推算與反演，解決地質、地貌、水利、沉積等領域的高陡堆積剖面空間信息提取與反演的關鍵問題，可用于支撐古災害重建、地貌演化分析、堆積體穩定性分析及重大工程選線與設計等，具有重要的實際意義。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發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為本發明對剖面的掃描圖像數據融合后得到整個堆積剖面區域的點云數據圖。
[0039]圖4為本發明分割點云剖面得到的剖面平面圖。
[0040]圖5為本發明對圖4的剖面平面圖坐標轉換后的擺正X-O-Y平面圖。
[0041 ]圖6為本發明對圖5的將X-O-Y平面圖轉換成的二維的Mat圖像。
[0042]圖7為本發明對圖6進行偽彩色圖像處理映射成偽彩色圖像。
[0043]圖8為本發明對圖7進行二維分割的圖像。
[0044]圖9為利用本發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為利用本發明所述方法得到堆積剖面的顆粒組構信息提取圖。
【具體實施方式】
[0047]下面結合實施例，對本發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，利用本發明所述方法進行堆積剖面空間結構信息分析。
[0050]步驟S1、預處理掃描圖像Al(如圖1)，提取圖像數據，設定圖像Al比例尺、塊石最大粒徑、塊石最小粒徑等參數，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，選出需要統計塊石的區域;如果圖像較大，可以給PC加內存；由于掃描圖像上需要統計石塊的區域只占一部分，通過鼠標選出需要統計的區域即可；
[0052]步驟SI2、設置掃描圖像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，