一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法技术

本发明专利技术提供了一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，涉及隧洞检测技术领域，S1、通过激光扫描仪扫描隧洞断面轮廓，获得隧洞表观病害的点云特征，同时通过全景相机记录输水隧洞全景图像，获得隧洞表观病害的图像特征；S2、对所述隧洞表观病害的点云特征和图像特征进行提取；S3、将点云特征和图像特征进行融合，建立点云中每个点与图像中像素的对应关系，将点云中的候选病害区域传递到图像中；S4、将图像中的候选病害区域作为裂缝种子点，通过生长与连通算法，将裂缝种子点填满图像中的病害区域和干扰区域，将病害区域和干扰区域的点云特征和图像特征输入到分类器中进行分类识别，识别出裂缝。识别出裂缝。识别出裂缝。

【技术实现步骤摘要】
一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法


[0001]本专利技术涉及隧洞检测
，具体的，本专利技术涉及一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法。

技术介绍

[0002]长距离输水隧洞是引调水工程的主要建筑，在建设和使用的过程中由于岩层性质、温度应力、水流冲刷等原因不可避免地产生病害和老化缺陷，输水隧洞病害影响隧洞内部安全，随着时间的推移可能进一步加剧，初期较小的裂缝会逐渐发展扩大，如果不能及时对细小裂缝检测发现并加以修补，会造成输水隧洞断裂垮塌、管路沉降、有压管道爆管等事故，威胁城市的稳定和发展，社会危害特别严重，因此，需要定期检测输水隧洞病害，掌握隧洞的服役状态。
[0003]输水隧洞裂缝检测面临的一个主要难题是检测现场环境复杂，输水隧洞通常深埋地下，有以下特点:(1)检测时间受限，输水隧洞检测前必须暂停运行，将隧洞内积水排空，停水检修时间被受水城市水库库容决定；(2)检测环境恶劣，隧洞内不布置照明设施，运行一段时间后，洞壁有淤泥和水生物附着，底板湿滑，行走困难；(3)隧洞长度超长、直径大，输水隧洞的长度普遍超长，多起伏，使检测更费时、费力；(4)入口较小，限制了输水隧洞病害检测装备的体积，大型设备不便进入。而目前对输水隧洞病害检测仍采用人工普查法，上述输水隧洞的特点决定了人工普查法的过程费时、费力、检测精度差，不能实现对病害发展过程的数字化监控，更不能进行科学分析和研究，不能满足我国现有长距离输水隧洞病害检测的要求。
[0004]目前，国内外对输水隧洞裂缝的检测比较成熟的方法目前大都是基于图像处理技术，从裂缝的灰度纹理特征出发对裂缝进行识别和评价，但是，输水隧洞图像中通常存在诸如低对比度、不均匀照明和严重噪声污染等问题，导致不能有效地检测出裂缝。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，以解决上述的技术问题。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方法是：一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其改进之处在于：包括以下的步骤：S1、通过激光扫描仪扫描隧洞断面轮廓，获得隧洞表观病害的点云特征，同时通过全景相机记录输水隧洞全景图像，获得隧洞表观病害的图像特征；S2、对所述隧洞表观病害的点云特征和图像特征进行提取，提取的点云特征表示为：，为点云特征，分别为扫描断面内候选病害点的位置、宽度、深度、发射强度和空间关系，L和S分别为候选病害区域的长度和形状；提取的图像特征表示为：，其中为图像特征，G表示图像灰度；S3、将点云特征和图像特征进行融合，建立点云中每个点与图像中像素的对应关系，将点云中的候选病害区域传递到图像中；S4、将图像中的候选病害区域作为裂缝种子点，通过生长
与连通算法，将裂缝种子点填满图像中的病害区域和干扰区域，将病害区域和干扰区域的点云特征和图像特征输入到分类器中进行分类识别，识别出裂缝。
[0007]在上述方法中，所述步骤S2中，所述隧洞表观病害的图像特征包括颜色特征。
[0008]在上述方法中，所述步骤S2中，对所述隧洞表观病害的点云特征进行提取，包括以下的步骤：S201、通过扫描断面修正和断面滤波，将扫描断面与标准断面配准，定位连续扫描断面上的候选病害点；S202、通过点云聚类将连续扫描断面上的候选病害点聚类成一个个离散的候选病害区域；S203、提取连续扫描断面内候选病害点的特征，包括反射强度I、位置P、宽度W、深度D和空间关系SR，以及候选病害区域的长度L和形状S，提取的点云特征表示为：，为点云特征。
[0009]在上述方法中，所述步骤S201中，所述扫描断面修正采用分段椭圆拟合算法，将扫描断面修正到隧洞横断面上。
[0010]在上述方法中，所述步骤S201中，所述扫描断面滤波采用小波变换算法，将扫描断面变换成连续半径分布波形，半径上的高频分量即表示扫描断面上的异常点。
[0011]在上述方法中，所述步骤S201中，所述将扫描断面与标准断面配准，采用迭代最近点算法，将扫描断面与标准断面进行匹配。
[0012]在上述方法中，所述步骤S3，包括以下的步骤：S31、计算激光测点在全景相机坐标系下的柱面等距投影坐标为：；全景相机采用鱼眼镜头，以全景相机的投影中心为原点，每一个离散的激光测点与坐标原点都将构成一条对应的三维向量光线，建立以原点为球心，以为半径的球面模型，沿方向将激光测点投影到球面模型上，形成球面极坐标系下的投影点，建立以为投影半径，以过原点的竖直方向直线为轴心的投影圆柱模型，其中为激光测点在球面坐标系下投影点的极坐标，为激光测点在柱面等距投影坐标系下的坐标，为激光测点与坐标原点的距离；S32、计算全景图像像点在全景相机坐标系下的柱面等距投影坐标为：；全景相机采用鱼眼镜头，将鱼眼成像模型等效为一个半球面，以全景相机的投影中心为原点，建立以原点为球心，以为半径的球面模型，对于球面极坐标系下的像点，其中表示入射角，表示像点在相平面的投影角，为鱼眼镜头的焦
距，根据鱼眼镜头等距投影公式可知像高；S33、通过互信息方法，求解互信息的最大值，计算激光测点与全景图像像素的对应关系，将病害候选区域传递到全景图像中。
[0013]在上述方法中，所述步骤S33，包括以下的步骤：S331、定义与的互信息MI为：；激光测点包含位置和反射强度两种属性，点云原始反射强度经过转换后在柱面等距投影下表示为，全景图像像点在柱面等距投影下表示为，是点云反射强度点集中的点，是全景相机灰度点集中的点，是和的联合分布，和分别为和的边际分布，表示的微元，表示y的微元；S332、获得的最大值，此时I和G几何对齐；S333、计算激光点云和全景图像之间的对应关系；S334、将病害候选区域传递到全景图像中。
[0014]在上述方法中，所述步骤S331中，所述和的联合分布采用高斯混合模型和核密度估计来计算。
[0015]在上述方法中，所述步骤S331中，所述和的边际分布利用两个数据集的重叠部分的边缘直方图来计算。
[0016]本专利技术的有益效果是：提取了可用于隧洞表观病害识别的几何特征和外观特征，解决了输水隧洞表面病害多特征描述的问题，利用激光反射强度图像和灰度图像的相似性，基于互信息匹配反射强度图像和灰度图像，再结合激光反射强度图像与激光点云的映射关系，实现点云和灰度图像的融合，实现了隧洞裂缝的几何特征和外观特征的融合；通过提取裂缝的三维特征解决了二维图像输水隧洞裂缝检测中光照不均、异物干扰、伤损信息较弱、低对比度导致的裂缝误检率高的问题，并且利用三维特征定位二维图像中裂缝种子点，提高了二维图像中寻找裂缝种子点的准确度和效率；通过三维点云中的裂缝种子点生长和连通二维图像中的裂缝，实现了从低精度三维点云到高精度二维图像的切换，解决了三维点云中裂缝检测精度低的难题；综合利用三维点云中裂缝特征显著的优势和二维图像精度高的优势，实现了对输水隧洞表面裂缝的检测，尤其是对低对比度、细小裂缝的检测具有更显著的优势。
附图说明
[0017]附图1为本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：包括以下的步骤：S1、通过激光扫描仪扫描隧洞断面轮廓，获得隧洞表观病害的点云特征，同时通过全景相机记录输水隧洞全景图像，获得隧洞表观病害的图像特征；S2、对所述隧洞表观病害的点云特征和图像特征进行提取，提取的点云特征表示为：，为点云特征，分别为扫描断面内候选病害点的位置、宽度、深度、发射强度和空间关系，L和S分别为候选病害区域的长度和形状；提取的图像特征表示为：，其中为图像特征，G表示图像灰度；S3、将点云特征和图像特征进行融合，建立点云中每个点与图像中像素的对应关系，将点云中的候选病害区域传递到图像中；S4、将图像中的候选病害区域作为裂缝种子点，通过生长与连通算法，将裂缝种子点填满图像中的病害区域和干扰区域，将病害区域和干扰区域的点云特征和图像特征输入到分类器中进行分类识别，识别出裂缝。2.如权利要求1所述的一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述隧洞表观病害的图像特征包括颜色特征。3.如权利要求1所述的一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，对所述隧洞表观病害的点云特征进行提取，包括以下的步骤：S201、通过扫描断面修正和断面滤波，将扫描断面与标准断面配准，定位连续扫描断面上的候选病害点；S202、通过点云聚类将连续扫描断面上的候选病害点聚类成一个个离散的候选病害区域；S203、提取连续扫描断面内候选病害点的特征，包括反射强度I、位置P、宽度W、深度D和空间关系SR，以及候选病害区域的长度L和形状S，提取的点云特征表示为：，为点云特征。4.如权利要求3所述的一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：所述步骤S201中，所述扫描断面修正采用分段椭圆拟合算法，将扫描断面修正到隧洞横断面上。5.如权利要求3所述的一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：所述步骤S201中，所述扫描断面滤波采用小波变换算法，将扫描断面变换成连续半径分布波形，半径上的高频分量即表示扫描断面上的异常点。6.如权利要求3所述的一种融合激光点云与全景图像的隧洞病害检测方法，其特征在于：所述步骤S201中，所述将扫描断面与标准断...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清泉，熊智敏，朱家松，朱松，元鹏鹏，
申请(专利权)人：深圳市智源空间创新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：