[發明專利]一種三維沙紋地形分析方法

在審

• 申請號: 202210111298.8
• 申請日: 2022-01-29
• 公開（公告）號: CN114445476A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 張華慶;肖唐;陳松貴;陳漢寶;劉鳴洋;胡杰龍;彭程;王依娜;趙旭
• 申請（專利權）人: 交通運輸部天津水運工程科學研究所
• 主分類號: G06T7/521
• 分類號: G06T7/521;G06T7/41;G06T5/00;G06T3/40
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 安孔川

1.一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于包括以下步驟：

S1、利用地形掃描設備獲取地形點云坐標(x’,y’,η’)；

S2、利用地形點云坐標變換方法對地形點云坐標進行預處理，得到三維地形點云坐標(x,y,η)；

S3、沿著三維地形點云坐標的X軸方向提取一個固定寬度Δy的沙紋信號列(x_i,η_i)，并進行等間距分段線性插值處理；

S4、對插值后沙紋信號列進行小波變換獲得全局小波頻譜圖，通過小波頻譜圖遍歷峰值點確認沙丘波長值；

S5、將沙丘波長值輸入濾波器中，通過低通濾波方法對插值后的沙紋信號列對沙丘信號剔除，進一步通過高通濾波方法剔除插值后的沙紋信號列中的沙紋噪點，得到優化后的沙紋信號列；

S6、優化后的沙紋信號列采用跨零分析方法進行分析，并統計沙紋長度與沙紋高度。

2.根據權利要求1所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：步驟S2中地形點云坐標變換方法包括以下步驟：

通過平移、旋轉兩種變換將所有點云坐標轉換到新建坐標系內；

調整點云坐標高程η′平均值m為地形點云總數，調整點云坐標高程η′平均值所在水平面為高程零面η＝0，對應坐標變換為

所有點云坐標繞η軸從正往負視角順時針旋轉α，α為原始坐標x軸向與沙紋前進方向夾角，通過坐標變換方法得到三維點云(x,y,η)，坐標變換方法為：

3.根據權利要求1所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：步驟S3中等間距分段線性插值方法包括：

對于提取沙紋信號列中N個節點a＝x₀x₁…x_N-1＝b，根據設定的等間距δx值及插值函數f(x)進行插值；

其中插值函數，f(x)滿足條件f(x_j)＝η(x_j),j＝0,1,…,N-1且在每個小區間[x_j,x_j+1],j＝0,1,…,N-1；

f(x)是多項式，即代入η(x_j),求解插值函數f(x)，最終得到等間距下信號插值結果η(x₀+K*δx),K＝0，1，2…K-1；其中，K代表整數系數。

4.根據權利要求1所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：步驟S4中，小波變換獲得全局小波頻譜圖的方法包括：利用morlet小波基函數ψ₀(t)進行小波變換，根據卷積定理，小波變換是乘積的傅里葉逆變換：

其中(*)表示復共軛，s為需要變動的小波尺度，N是序列信號點數，k＝0，1，2,…，N-1為頻率指數，關于x_n離散Fourier變換為：

角頻率ω_k定義為：

定義實數|W_n(s)|²為小波功率密度函數，并根據變換頻率繪制功率譜密度圖。

5.根據權利要求4所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：

morlet小波基函數如下：

沙紋信號中縱向x軸空間序列等價為時間序列t，ω₀為無量綱頻率。

6.根據權利要求1所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：得到優化后的沙紋信號列具體過程如下：

S51、選用成熟的切比雪夫濾波器，利用沙丘波長值作為低通濾波參數，輸入沙紋信號通過濾波器濾波得到沙丘信號；

S52、對于沙紋信號列中沙紋信號存在的噪點，設固定噪聲頻率參數1/10，再通過高通濾波獲得高頻噪點信號；

S53、利用原始沙紋信號減去沙丘信號與高頻噪點信號最終獲得優化后的沙紋信號。

7.根據權利要求1所述的一種三維沙紋地形分析方法，其特征在于：跨零分析方法包括以下內容：優化后的沙紋信號中加入零線，當沙紋信號從左往右向上跨越零線時，記錄為一個跨零點，相鄰跨零點之間的最大高程與最小高程的高差為沙紋的波高，相鄰跨零點的距離為波長。