一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描获得的点云数据来提取隧道表面渗水区域；其主要包括以下三步：(1)数据采集：利用地基激光雷达系统对隧道表面进行扫描以获取点云数据，并进行孤立噪声点去除、空间配准等处理；(2)强度校正：基于标准漫反射板的点云数据，建立距离效应校正模型，对隧道表面强度数据进行距离效应校正，基于漫反射物理模型对距离效应校正后的强度数据进行入射角效应校正，从而获得隧道表面校正后的强度数据；(3)渗水区域提取：利用隧道表面几何特征滤除其表面附属物，获得隧道表面校正后的强度图像，基于隧道表面校正后的强度图像，采用阈值法提取隧道表面渗水区域。

A Method of Extracting Water Seepage Area on Tunnel Surface Based on Lidar Scanning

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法
本专利技术公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。
技术介绍
隧道监测是指通过各种传感器采集不同时期的隧道数据，比较其在相同位置上的变化趋势，从而反映隧道表面的渗水、结构变形以及损伤裂缝等状况。由于隧道洞身结构的设计，其抗变形能力有限；隧道周围建筑施工、车辆运行振动等影响因素会导致隧道的形变加剧，存在严重的安全隐患。因此，需要对隧道的安全状况进行定期监测，防止隧道坍塌事故的发生。在隧道监测过程中，一项重要的任务就是隧道表面渗水状况的分析和渗水区域的提取。隧道表面渗水是一种常见的隧道结构危害，其严重影响了隧道内部的安全工作。传统的隧道表面渗水检测手段主要是人工巡检的方法，该种检测手段的检测精度低，巡检工作量较大，人工维护成本高且检测精度易受个人主观判断的影响。此外，也可通过摄影测量方法对隧道表面渗水进行检测；摄影测量技术是通过CCD相机获取隧道表面的二维数字影像数据，并经过相关数字图像处理方法处理后，从而提取出隧道表面渗水区域。但该方法是一种被动式的探测手段，受隧道内部的照明条件以及外界自然环境条件的影响较大。尤其当隧道内部光线较弱且无外界提供的主动照明光源时，该方法的检测效果不佳，甚至失效。近年来，激光雷达扫描技术作为一种快速、高效、高精度的主动式的遥感测量技术，被广泛用于点云滤波、目标特征提取分类以及三维建模等方面。相比于传统的隧道表面渗水检测方法，激光雷达扫描技术具有非接触式测量、高分辨率、高精度等优点，可以获得高精度、高密度的隧道点云数据，用于隧道的变形监测以及三维建模等。激光雷达扫描技术不仅可以获得隧道内部的三维点云数据，还可以记录与隧道表面属性相关的强度数据。由于激光雷达扫描的激光波长处于近红外波段，而水对近红外波段的光线具有较强的吸收，含水量越高的物体对激光能量的吸收越大，从而导致扫描设备接收到的强度值越小。所以渗水区域的激光强度值较不渗水区域的强度值要小。此外，相比于摄影测量技术而言，激光雷达扫描技术是一种主动的探测手段，不受外界环境光照以及背光区域阴影的影响。因此，可以基于激光雷达扫描获得的强度数据实现对隧道渗水区域的检测和提取，结合隧道表面的三维点云信息，可实现隧道表面渗水面积的估计、隧道的三维建模以及隧道结构变形的检测等，能够节省大量人力资源成本，且高效可靠不受人工主观意识影响。本专利技术公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理操作，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。其特征在于利用地基激光雷达系统对隧道表面进行扫描以获取点云数据，并进行点云的孤立点去除、空间配准等处理；对隧道表面的强度数据进行距离效应和入射角效应校正，获得隧道表面校正后的强度数据；利用隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，获得隧道表面校正后的强度图像，基于隧道表面强度图像的强度值的差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。本专利技术专利目的在于解决光照条件不佳环境下隧道表面渗水区域的检测问题，采用激光雷达扫描技术实现了隧道表面渗水区域的高精度检测，在隧道监测、桥梁监测等领域具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术是一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。其采用以下技术方案：本专利技术公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域；所述方法主要包括以下三步：1)数据采集：利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站扫描，从而获得隧道表面的点云数据，并对多站的点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等预处理操作；2)强度校正：基于标准漫反射板的点云数据，建立距离效应校正模型，对隧道表面强度数据进行距离效应校正，基于微平面漫反射物理模型对距离效应校正后的强度数据进行入射角效应校正，从而获得隧道表面校正后的强度数据；(3)渗水区域提取：利用隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像；最后，基于隧道表面校正后强度图像的强度值差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。其中，利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站激光扫描，获取多站点云数据，并对多站点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等处理；在对标准漫反射板进行多站扫描过程中，需使激光光束与标准漫反射板的平面法线之间的夹角(即激光入射角)保持不变，而每站之间的距离间隔相等且较小，从而保证每站间隔范围内，强度值与距离成线性关系。其中，利用相同入射角等距离间隔条件下采集得到的标准漫反射板的激光雷达强度数据，建立距离效应校正模型，并利用该模型对激光雷达强度数据进行校正以消除距离效应的影响，获得距离效应校正后的激光雷达强度数据；然后，基于激光辐射传输原理以及微平面漫反射物理模型，建立激光雷达强度数据的入射角效应校正模型，利用建立的入射角效应校正模型消入射角效应的影响，从而获得距离和入射角效应校正后的激光雷达强度数据；其激光雷达强度数据的校正过程如下：(1)距离效应校正假设在某一固定入射角θs条件下，采集标准漫反射板不同距离下的强度值，其中漫反射板与激光雷达系统之间的距离值为Rs＝{R0,R1,R2,…,Rn}，且Rmin＝R0＜R1＜R2…＜Rn＝Rmax(Rmin和Rmax为激光雷达系统测量距离的最小值和最大值)。对被测目标在反射率为ρ、距离为Rx以及入射角为θx时，进行数据采集，获得的强度值记为IdB(Rx,θx,ρ)。采用分段线性插值的方法求得距离为Rx、入射角为θs以及目标反射率为ρs下的强度值IdB(Rx,θs,ρs)：其中，Ri＜Rx＜Ri+1,i＝1,2,...n-1。由于距离效应和入射角效应对激光回波强度的影响是彼此相互独立的，且可以分别进行校正消除的，则距离效应校正后的强度数据Idis(Rx,θx,ρ)可表示为：Idis(Rx,θx,ρ)＝F2(θx)+F3(ρ)＝IdB(Rx,θx,ρ)-IdB(Rx,θs,ρs)+F2(θs)+F3(ρs)由于θs为某一固定入射角，ρs为参考目标的反射率，则F2(θs)和F3(ρs)在本章中为固定的常量，Idis(Rx,θx,ρ)其仅与入射角效应和目标表面属性相关。(2)入射角效应校正在距离效应消除后，对距离效应校正后的强度值Idis进行入射角效应校正。基于激光辐射传输原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域；所述方法主要包括以下三步：1)数据采集：利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站扫描，从而获得隧道表面的点云数据(三维坐标数据和强度数据)，并对多站的点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等预处理操作；2)强度校正：基于标准漫反射板的点云数据，建立距离效应校正模型，对隧道表面强度数据进行距离效应校正，基于微平面漫反射物理模型对距离效应校正后的强度数据进行入射角效应校正，从而获得隧道表面校正后的强度数据；(3)渗水区域提取：利用隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像；最后，基于隧道表面校正后强度图像的强度值差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域；所述方法主要包括以下三步：1)数据采集：利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站扫描，从而获得隧道表面的点云数据(三维坐标数据和强度数据)，并对多站的点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等预处理操作；2)强度校正：基于标准漫反射板的点云数据，建立距离效应校正模型，对隧道表面强度数据进行距离效应校正，基于微平面漫反射物理模型对距离效应校正后的强度数据进行入射角效应校正，从而获得隧道表面校正后的强度数据；(3)渗水区域提取：利用隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像；最后，基于隧道表面校正后强度图像的强度值差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。2.按照权利要求1所述的一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，其特征在于利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站激光扫描，获取多站点云数据，并对多站点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等处理；在对标准漫反射板进行多站扫描过程中，需使激光光束与标准漫反射板的平面法线之间的夹角(即激光入射角)保持不变，而每站之间的距离间隔相等且较小，从而保证每站间隔范围内，强度值与距离成线性关系。3.按照权利要求1所述的一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，其特征在于利用相同入射角等距离间隔条件下采集得到的标准漫反射板的激光雷达强度数据，建立距离效应校正模型，并利用该模型对激光雷达强度数据进行校正以消除距离效应的影响，获得距离效应校正后的激光雷达强度数据；然后，基于激光辐射传输原理以及微平面漫反射物理模型，建立激光雷达强度数据的入射角效应校正模型，利用建立的入射角效应校正模型消入射角效应的影响，从而获得距离和入射角效应校正后的激光雷达强度数据；其激光雷达强度数据的校正过程如下：(1)距离效应校正假设在某一固定入射角θs条件下，采集标准漫反射板不同距离下的强度值，其中漫反射板与激光雷达系统之间的距离值为Rs＝{R0,R1,R2,…,Rn}，且Rmin＝R0＜R1＜R2…＜Rn＝Rmax(Rmin和Rmax为激光雷达系统测量距离的最小值和最大值)。对被测目标在反射率为ρ、距离为Rx以及入射角为θx时，进行数据采集，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，李小路，徐腾，刘畅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11