[發明專利]基于地面三維激光點云實現地質體產狀自動提取的方法

在審

• 申請號: 201410367744.7
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104183017A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 陳寧華;倪妮娜;陳建裕
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及三維點云與影像分割技術和構造地質科學領域，特別是一種高精度、高密度、包含空間和顏色信息的三維激光點云實現地質體產狀自動提取的方法。

背景技術

巖體結構面的優勢產狀和幾何信息是評價巖體結構面發育的重要指標，特別是結構面中規模小、數據量大且隨機分布的節理和裂隙，其優勢產狀是評價巖體穩定性的重要參數。野外實地測量不但耗時耗力，而且在一些危險地區，人員無法到達。三維激光掃描是一種遠距離非接觸的全自動立體掃描技術，又被稱為“實景復制技術”。獲取的點云數據精度高且數據量大，涵蓋目標的三維空間位置和真彩色信息，目前已在數字地質露頭、地質工程等領域得到應用。Gigli?and?Casagli(2011)和劉昌軍等(2011)都提出了基于三維點云數據提取地質體產狀的方法，他們的基本思想是利用結構面上多個點的空間坐標來擬合平面，并根據平面方程計算地質體產狀。

然而目前研究僅限于出露地質體產狀的人機交互測量，無法實現地質體未出露面產狀的提取。野外，地質體經歷了剝蝕和沉積等過程，其出露面不能真實代表其。例如巖層面產狀的提取，表層的巖層(出露)因為外力作用已經變得破碎不平整，因此要準確計算巖層的產狀，我們需要測量兩地層之間的接觸面，而該接觸面是未出露的；又如作為火山作用與深部地幔性質、演化及殼幔相互作用的紐帶的巖墻，工作者需要測量它與圍巖接觸面來計算巖墻產狀，其產狀有助于計算巖漿超壓，研究巖漿動力學及侵位機制。因此在實際測量工作中，獲取地質體未出露面產狀具有更重要的意義。此外，目前對三維點云數據的研究大多未涉及其顏色信息RGB。鑒于以上情況，充分利用點云數據的空間位置和顏色信息，在出露地質體產狀提取的基礎上，結合影像分割技術，ENVI?EX(http://www.esrichina.com.cn/2010/1029/123.html)是目前普遍運用的分割軟件之一，邊界拐點檢測技術，類似的工作包括利用8k(k＝2，3，4…)鄰域鏈碼和道格拉斯-普克(Douglas-Peuker)抽稀算法(http://www.baike.com/wiki/抽稀)檢測邊界拐點，進一步實現地質體出露面和未出露面產狀的自動提取，具有重要的實用價值。

Riegl?VZ100(www.riegl.com)是一種目前應用廣泛的三維激光掃描儀，其有效掃描距離最大可達1400m，距工作站點100m內點間距為5mm，水平掃描范圍為0°～360°，垂直掃描范圍為-40°～60°。通過不同站位的多角度掃描，可以獲取覆蓋實驗區的全部點云數據。其配套軟件RISCAN?PRO可以對三維點云數據進行賦色、配準、去噪等預處理，從而為后續工作提供較好的實驗數據。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，利用點云數據的空間位置和顏色信息，結合三維點云數據處理、影像分割和邊界拐點檢測技術提供一種地質體出露面和未出露面產狀自動提取的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于地面三維激光點云實現地質體產狀自動提取的方法，包括如下步驟：

(1)通過三維激光掃描儀采集三維激光點云數據；

(2)對步驟1采集的三維激光點云數據進行預處理，包括賦色、配準、去噪操作；

(3)獲取點云數據的txt文本格式，該文本的每一行包含一個點云數據的空間坐標XYZ和顏色信息RGB；根據其空間坐標，采用最近鄰法將點云數據重采樣到二維圖像，即將三維點投影到二維圖像上，該圖像包含6個圖層數據，即點云數據的X、Y、Z、R、G、B；

(4)基于點云數據的顏色信息，對步驟3中獲取的二維圖像進行分割；采用監督評價方法評價圖像分割精度，不斷調整分割參數直到分割精度達到閾值；

(5)地質體出露面和未出露面在二維圖像上分別表現為面狀要素和線狀要素，即分割對象和分割邊界線，當分割精度達到設定閾值時，對于出露地質體，利用組成該對象的三維點，采用最小二乘法擬合結構面并計算其產狀；對于未出露地質體，只能掃描到其邊界線上的點云數據，且邊界線走向的大角度變化代表其產狀的變化，因此其產狀的計算較出露面復雜，具體包括以下步驟：

(5.1)利用8k鄰域鏈碼和道格拉斯-普克抽稀算法檢測邊界拐點，其中，k為大于等于2的整數；

(5.2)以拐點為分隔點，根據邊界線上點云數據的空間坐標XYZ，利用最小二乘法分段擬合地質體未出露結構面并計算其產狀；