[发明专利]基于地面三维激光点云实现地质体产状自动提取的方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维点云与影像分割技术和构造地质科学领域，特别是一种高精度、高密度、包含空间和颜色信息的三维激光点云实现地质体产状自动提取的方法。

背景技术

岩体结构面的优势产状和几何信息是评价岩体结构面发育的重要指标，特别是结构面中规模小、数据量大且随机分布的节理和裂隙，其优势产状是评价岩体稳定性的重要参数。野外实地测量不但耗时耗力，而且在一些危险地区，人员无法到达。三维激光扫描是一种远距离非接触的全自动立体扫描技术，又被称为“实景复制技术”。获取的点云数据精度高且数据量大，涵盖目标的三维空间位置和真彩色信息，目前已在数字地质露头、地质工程等领域得到应用。Gigli and Casagli(2011)和刘昌军等(2011)都提出了基于三维点云数据提取地质体产状的方法，他们的基本思想是利用结构面上多个点的空间坐标来拟合平面，并根据平面方程计算地质体产状。

然而目前研究仅限于出露地质体产状的人机交互测量，无法实现地质体未出露面产状的提取。野外，地质体经历了剥蚀和沉积等过程，其出露面不能真实代表其。例如岩层面产状的提取，表层的岩层(出露)因为外力作用已经变得破碎不平整，因此要准确计算岩层的产状，我们需要测量两地层之间的接触面，而该接触面是未出露的；又如作为火山作用与深部地幔性质、演化及壳幔相互作用的纽带的岩墙，工作者需要测量它与围岩接触面来计算岩墙产状，其产状有助于计算岩浆超压，研究岩浆动力学及侵位机制。因此在实际测量工作中，获取地质体未出露面产状具有更重要的意义。此外，目前对三维点云数据的研究大多未涉及其颜色信息RGB。鉴于以上情况，充分利用点云数据的空间位置和颜色信息，在出露地质体产状提取的基础上，结合影像分割技术，ENVI EX(http://www.esrichina.com.cn/2010/1029/123.html)是目前普遍运用的分割软件之一，边界拐点检测技术，类似的工作包括利用8k(k＝2，3，4…)邻域链码和道格拉斯-普克(Douglas-Peuker)抽稀算法(http://www.baike.com/wiki/抽稀)检测边界拐点，进一步实现地质体出露面和未出露面产状的自动提取，具有重要的实用价值。

Riegl VZ100(www.riegl.com)是一种目前应用广泛的三维激光扫描仪，其有效扫描距离最大可达1400m，距工作站点100m内点间距为5mm，水平扫描范围为0°～360°，垂直扫描范围为-40°～60°。通过不同站位的多角度扫描，可以获取覆盖实验区的全部点云数据。其配套软件RISCAN PRO可以对三维点云数据进行赋色、配准、去噪等预处理，从而为后续工作提供较好的实验数据。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用点云数据的空间位置和颜色信息，结合三维点云数据处理、影像分割和边界拐点检测技术提供一种地质体出露面和未出露面产状自动提取的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于地面三维激光点云实现地质体产状自动提取的方法，包括如下步骤：

(1)通过三维激光扫描仪采集三维激光点云数据；

(2)对步骤1采集的三维激光点云数据进行预处理，包括赋色、配准、去噪操作；

(3)获取点云数据的txt文本格式，该文本的每一行包含一个点云数据的空间坐标XYZ和颜色信息RGB；根据其空间坐标，采用最近邻法将点云数据重采样到二维图像，即将三维点投影到二维图像上，该图像包含6个图层数据，即点云数据的X、Y、Z、R、G、B；

(4)基于点云数据的颜色信息，对步骤3中获取的二维图像进行分割；采用监督评价方法评价图像分割精度，不断调整分割参数直到分割精度达到阈值；

(5)地质体出露面和未出露面在二维图像上分别表现为面状要素和线状要素，即分割对象和分割边界线，当分割精度达到设定阈值时，对于出露地质体，利用组成该对象的三维点，采用最小二乘法拟合结构面并计算其产状；对于未出露地质体，只能扫描到其边界线上的点云数据，且边界线走向的大角度变化代表其产状的变化，因此其产状的计算较出露面复杂，具体包括以下步骤：

(5.1)利用8k邻域链码和道格拉斯-普克抽稀算法检测边界拐点，其中，k为大于等于2的整数；

(5.2)以拐点为分隔点，根据边界线上点云数据的空间坐标XYZ，利用最小二乘法分段拟合地质体未出露结构面并计算其产状；