本發(fā)明涉及危巖體穩(wěn)定性評估技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法。

背景技術(shù)：

在高陡邊坡地帶，例如山區(qū)巖質(zhì)邊坡，懸崖峭壁等，小規(guī)模的巖體崩塌是最為常見的滑坡類型，小型巖體崩塌造成滑坡速度快，一旦災(zāi)害發(fā)生，其危害是巨大的。

目前，利用三維激光掃描技術(shù)對各種危巖體滑坡的穩(wěn)定性做了大量研究，其主要研究思路為：首先對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)面識別，然后根據(jù)提取的結(jié)構(gòu)面信息分析監(jiān)測周期內(nèi)危巖體的運動趨勢，這些方案都能實現(xiàn)危巖體滑坡的變形監(jiān)測，但是變形監(jiān)測的結(jié)果僅限于對危巖體局部表面運動情況的分析，獲得的是一維形變量，而要對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，不僅要提取出影響危巖體運動的主要特征如斷裂線等，而且還要分析該特征沿三維方向的位移情況。

linderbergh通過采用區(qū)域增長的方式進(jìn)行面片分隔，然后建立表面模型，根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則計算出面片之間的距離，最后用統(tǒng)計分析的方法分析變形參數(shù)，其優(yōu)點在于能夠檢測出比單點誤差還要小變形，但自然場景下的危巖體表面幾何特性復(fù)雜，尚且沒有合適的經(jīng)驗函數(shù)來描述面片的幾何特性。利用icp算法對不同時期的點云進(jìn)行配準(zhǔn)，以所得到的平移量作為形變量。多時相的點云數(shù)據(jù)粗配準(zhǔn)后，其表面法線方向幾乎一致，未考慮到每個區(qū)域點云相對于參考點云的旋轉(zhuǎn)因子，因此這種方法得到的變形量雖然精度高，但其可靠性低。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對危巖體穩(wěn)定性監(jiān)測，存在監(jiān)測結(jié)果僅限于對危巖體局部表面運動情況的分析，其分析不夠全面的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在對危巖體穩(wěn)定性監(jiān)測的結(jié)果僅限于對危巖體局部表面運動情況的分析，其分析不夠全面的問題。

本發(fā)明實施例提供一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法，包括：

獲取危巖體表面位置的兩期點云數(shù)據(jù)；

對兩期點云數(shù)據(jù)均進(jìn)行植被點數(shù)據(jù)和無關(guān)噪聲點數(shù)據(jù)去除處理；

通過地物特征點對兩期點云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗配準(zhǔn)，并通過icp算法對兩期點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精配準(zhǔn)；

采用克里金插值方法，將兩期點云數(shù)據(jù)分別生成兩個危巖體表面模型；

對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點集按照每一點的z值進(jìn)行灰度量化處理，將兩個危巖體表面模型分別生成兩個危巖體表面深度圖像；

采用邊緣檢測算子，對兩個危巖體表面深度圖像分別進(jìn)行特征線提??；并根據(jù)危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點與危巖體表面深度圖像中像素點的對應(yīng)關(guān)系，分別獲取兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合；

根據(jù)兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合，通過計算兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合中相應(yīng)點的變形量，確定危巖體在監(jiān)測周期內(nèi)的穩(wěn)定性。

較佳地，所述對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點集按照每一點的z值進(jìn)行灰度量化處理，將兩個危巖體表面模型分別生成兩個危巖體表面深度圖像；包括：

對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點進(jìn)行搜索，確定危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最大z值和最小z值；

根據(jù)最大z值和最小z值，通過公式(1)，確定危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的每個三維坐標(biāo)點的像素灰度值；

將危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的三維坐標(biāo)點中的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)；其中，危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)點與危巖體表面深度圖像的像素點對應(yīng)；

根據(jù)危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的每個三維坐標(biāo)點的像素灰度值和危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)，確定危巖體表面深度圖像；

公式(1)如下所示：

其中，gi為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點灰度值；zi為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點高程值；zmax為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最大z值；zmin為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最小z值。

較佳地，所示采用邊緣檢測算子，對兩個危巖體表面深度圖像分別進(jìn)行特征線提取；包括：

利用高斯濾波器對危巖體表面深度圖像進(jìn)行平滑處理；

確定危巖體表面深度圖像的幅值和方向；

對危巖體表面深度圖像的幅值進(jìn)行最大化抑制處理；

通過雙閾值算法跟蹤危巖體表面深度圖像邊緣。

本發(fā)明實施例中，提供一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：該方法結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)提取出危巖體表面的斷裂特征線，然后比較兩期特征線三維坐標(biāo)的變化情況來分析地質(zhì)危巖體的穩(wěn)定程度，能夠提取危巖體滑坡表面線狀特征，獲取的是三維形變量，可以分別從x，y，z三個方向的變形情況分析巖體內(nèi)部穩(wěn)定性，提高了可靠性；對于提取出特征線的三維坐標(biāo)，在x，y，z三個方向分析其位移情況，全面直觀地反映了危巖體在監(jiān)測周期內(nèi)的運動情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種線狀特征提取用于地質(zhì)危巖體穩(wěn)定性評估方法流程圖。如圖1所示，該方法包括：

步驟s101，獲取危巖體表面位置的兩期點云數(shù)據(jù)。

步驟s102，對兩期點云數(shù)據(jù)均進(jìn)行植被點數(shù)據(jù)和無關(guān)噪聲點數(shù)據(jù)去除處理。

需要說明的是，危巖體表面植被生長茂盛，為了保證結(jié)果的精度，需要剔出植被點云和無關(guān)噪聲點。

需要說明的是，去除噪聲點和植被點是在采集完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入cyclone軟件中，應(yīng)用該軟件的切面編輯功能去除明顯的植被點和噪聲點。

步驟s103，通過地物特征點對兩期點云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗配準(zhǔn)，并通過icp算法對兩期點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精配準(zhǔn)。

需要說明的是，本發(fā)明采用依據(jù)特征點和icp算法相結(jié)合的配準(zhǔn)方法。這是由危巖體所處的地形環(huán)境決定的，高邊坡危巖體表面無法布設(shè)長期有效的標(biāo)靶，三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)時，距離標(biāo)靶距離較遠(yuǎn)，返回信號弱，因此提取出的標(biāo)靶中心誤差較大。而該配準(zhǔn)方法，首先依據(jù)選擇巖體表面的明顯特征點完成粗配準(zhǔn)，使得多期數(shù)據(jù)基本處于同一參考坐標(biāo)系中，然后應(yīng)用icp配準(zhǔn)算法完成精配準(zhǔn)。

需要說明的是，由于采集的兩期點云數(shù)據(jù)不在同一參考系下，所以對采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)是在采集兩期數(shù)據(jù)后進(jìn)行的，對兩期點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)時，首先依據(jù)選擇巖體表面的明顯特征點完成粗配準(zhǔn)，使得兩期數(shù)據(jù)基本處于同一參考坐標(biāo)系中，然后應(yīng)用icp配準(zhǔn)算法完成精配準(zhǔn)。本發(fā)明中由于危巖體無法布設(shè)標(biāo)靶，故通過選取地物特征點進(jìn)行粗配準(zhǔn)然后應(yīng)用icp配準(zhǔn)方法實現(xiàn)精配準(zhǔn)。

進(jìn)一步，粗配準(zhǔn)是在兩期點云數(shù)據(jù)上選取同名特征點將第二期點云坐標(biāo)與第一期點云坐標(biāo)統(tǒng)一。配準(zhǔn)原理使用三個以上的點解算剛體變換的七個參數(shù)：三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、三個平移參數(shù)、和一個縮放參數(shù)，即每個點有三個條件，要解算七個參數(shù)至少需要七個條件，利用多余觀測平差解算七參數(shù)，兩個點之間的變換關(guān)系如下:

其中，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，定義如下：

由于選取的同名特征點不一定是同一個點，可能存在偏差，所以要進(jìn)行icp精配準(zhǔn)。

進(jìn)一步，icp算法是目前應(yīng)用廣泛的點云配準(zhǔn)算法，它通過迭代優(yōu)化矩陣，在每次迭代過程中，對目標(biāo)點集上的每個點，在參考點集中尋找最近點作為對應(yīng)點，由此計算相應(yīng)的坐標(biāo)變換向量，將其用于目標(biāo)點集上，得到新的目標(biāo)點集并進(jìn)入下次迭代過程，直到誤差收斂，最終得到優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換矩陣，實現(xiàn)兩個點集的精確配準(zhǔn)。

需要說明的是，因為不同時期獲取的兩期點云數(shù)據(jù)不在同一坐標(biāo)參考系中，配準(zhǔn)就是以第一期點云的坐標(biāo)為參考坐標(biāo)系，將第二期點云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到該參考坐標(biāo)系下，只有將兩期點云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，比較才有意義。

步驟s104，采用克里金插值方法，將兩期點云數(shù)據(jù)分別生成兩個危巖體表面模型。

需要說明的是，與自然鄰點法相比，克里金插值法不會因為數(shù)據(jù)缺失引起表面模型邊緣出現(xiàn)鋸齒狀。

需要說明的是，在實際掃描過程中，一般很難保證掃描的危巖體里面恰好與掃描儀橫向掃描面內(nèi)的坐標(biāo)軸(x軸或y軸)垂直，那么在點云表面內(nèi)插之前需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，保證危巖體里面與橫向掃描面內(nèi)的某一坐標(biāo)軸能與立面垂直。

進(jìn)一步，針對于表面起伏不大的危巖體，將掃描的點云數(shù)據(jù)投影到掃描平面內(nèi)，得到一系列離散的點，利用這些離散點擬合出一條直線，根據(jù)直線的斜率求得直線與x軸之間的夾角θ，對于每一個數(shù)據(jù)點(xi，yi，zi)，利用下式對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)(xi，yi，zi)即相當(dāng)于將點云數(shù)據(jù)繞z軸旋轉(zhuǎn)角度θ。同時，由于危巖體表面與水平面近似垂直，為了符合常規(guī)的表達(dá)方式，即危巖體數(shù)字表面模型的建立以z方向為準(zhǔn)，還需要對坐標(biāo)系進(jìn)行變換，將z軸與y軸進(jìn)行對調(diào)，從而完成對數(shù)據(jù)的初始處理。

步驟s105，對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點集按照每一點的z值進(jìn)行灰度量化處理，將兩個危巖體表面模型分別生成兩個危巖體表面深度圖像。

較佳地，對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度量化處理，將兩個危巖體表面模型分別生成兩個危巖體表面深度圖像，具體包括：

對危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點進(jìn)行搜索，確定危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最大z值和最小z值。

根據(jù)最大z值和最小z值，通過公式(1)，確定危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的每個三維坐標(biāo)點的像素灰度值。

公式(1)如下所示：

其中，gi為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點灰度值；zi為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點高程值；zmax為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最大z值；zmin為規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點中的最小z值。

將危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的三維坐標(biāo)點中的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)；其中，危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)點與危巖體表面深度圖像的像素點對應(yīng)。

根據(jù)危巖體表面模型中的規(guī)則格網(wǎng)中的每個三維坐標(biāo)點的像素灰度值和危巖體表面深度圖像的二維坐標(biāo)，確定危巖體表面深度圖像。

需要說明的是，對內(nèi)插得到的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)點進(jìn)行搜索，得到最大z值和最小z值，依據(jù)公式(1)對各個高程進(jìn)行量化，得到每個格網(wǎng)點的像素灰度值；同時將規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維點坐標(biāo)中的x與y坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為危巖體表面深度影像的二維坐標(biāo)，其中，坐標(biāo)點與像素點一一對應(yīng)，如此就生成了同規(guī)則格網(wǎng)大小相同的危巖體表面深度影像。

步驟s106，采用邊緣檢測算子，對兩個危巖體表面深度圖像分別進(jìn)行特征線提??；并根據(jù)危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)的三維坐標(biāo)點與危巖體表面深度圖像中像素點的對應(yīng)關(guān)系，分別獲取兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合。

較佳地，采用邊緣檢測算子，對兩個危巖體表面深度圖像分別進(jìn)行特征線提取；具體包括：

利用高斯濾波器對危巖體表面深度圖像進(jìn)行平滑處理。

確定危巖體表面深度圖像的幅值和方向。

對危巖體表面深度圖像的幅值進(jìn)行最大化抑制處理。

通過雙閾值算法跟蹤危巖體表面深度圖像邊緣。

需要說明的是，邊緣提取的過程是先檢測出灰度的不連續(xù)性，然后將不連續(xù)的邊緣像素連接起來，成為物體完整的特征。常用的邊緣檢測算子有roberts算子，sobel算子，prewitt算子，laplacian算子，canny算子。本專利采用的是canny算子。相比于其他算子canny算子的邊緣檢測性和抗噪性都是最好的。

需要說明的是，規(guī)則格網(wǎng)中的每一個數(shù)據(jù)點的位置都可以使用其在格網(wǎng)數(shù)據(jù)中的行列號p[i,j]表示，對應(yīng)的三維坐標(biāo)為p[i,j](x,y,z)，其對應(yīng)的像素點在深度圖像中的行列號同樣為[i,j]，因此當(dāng)在深度影像中提取出某一確定的特征線時，可以根據(jù)該特征線在深度圖像中的位置，從而在格網(wǎng)數(shù)據(jù)中找到相應(yīng)的行列號，得到特征線的三維坐標(biāo)集合。

需要說明的是，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對危巖體表面進(jìn)行特征提取，將量化生成的深度圖像進(jìn)行特征提取，規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織形式與深度圖像的數(shù)據(jù)組織形式是相同的，每一個像素點對應(yīng)規(guī)則格網(wǎng)的一個三維坐標(biāo)點，依據(jù)這個關(guān)系可以提取出各特征線的三維坐標(biāo)。

步驟s107，根據(jù)兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合，通過計算兩個危巖體表面模型中規(guī)則格網(wǎng)特征線的三維坐標(biāo)點集合中相應(yīng)點的變形量，確定危巖體在監(jiān)測周期內(nèi)的穩(wěn)定性。

需要說明的是，兩期點云數(shù)據(jù)通過步驟s106可以提取出各自的特征線三維坐標(biāo)點集，那么就可以通過相應(yīng)點之間的坐標(biāo)來計算每個點的變形量，同時兩條特征線中所有點對的變形量刻畫了整條特征線在監(jiān)測周期內(nèi)的運動情況。

需要說明的是，本發(fā)明結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)提取出危巖體表面的斷裂特征線，然后比較兩期特征線三維坐標(biāo)的變化情況來分析地質(zhì)危巖體的穩(wěn)定程度，能夠提取危巖體滑坡表面線狀特征，獲取的是三維形變量，可以分別從x，y，z三個方向的變形情況分析巖體內(nèi)部穩(wěn)定性，提高了可靠性；對于提取出特征線的三維坐標(biāo)，在x，y，z三個方向分析其位移情況，全面直觀地反映了危巖體在監(jiān)測周期內(nèi)的運動情況。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。