一种地下空区三维成像方法技术

本申请实施例提供的一种地下空区三维成像方法

【技术实现步骤摘要】
一种地下空区三维成像方法、系统及可读存储介质


[0001]本申请涉及地下空区探测
，具体而言，涉及一种地下空区三维成像方法
、
系统及可读存储介质
。

技术介绍

[0002]煤炭是我国主要的能源，国家经济的发展与煤炭的开采密切相关，在经济高速发展的今天，煤炭资源被大规模开采
。
我国一半以上的煤矿采用空场采矿法，遗留下来的采空区高达
250
亿立方米，煤矿的开采初期没有进行完善的管理和记录，使得很多采空区位置分布情况不明，具有一定的社会危害性，并对环境造成了不良影响
。
同时，也有可能会对人们的生命安全造成直接的影响，给国家带来巨大的损失
。
[0003]因此，煤矿采空区的探测对我国的稳定发展至关重要，开展地下空区的勘探技术研究对矿山的安全生产具有重要意义
。
目前煤矿采空区的探测手段可分为间接法和直接法两类
。
间接法主要是各种地球物理技术，包括强引力
、
地震
、
电磁
、
放射性
、
综合物探等方法技术；直接法主要是各种地质钻探方法，包括随钻探测，地球物理测井和地下空区扫描等方法技术
。
其中，地球物理方法对于煤矿采空区的探测是比较经济快速的技术手段，可以高效快速地对大范围的地下空区进行探测，但是由于地球物理方法受其他因素的影响，且其解释结果具有多种可能，资料解释的可靠性非常依赖于物探人员的专业技术水平，该方法对采空区的探测精度不高，只适用于大范围的初步探测
。
而地质钻探方法是目前地下采空区探测最为传统的手段，探测精度高，但其施工周期长，成本高，探测范围小，只适合对小范围的地下空区进行探测
。
[0004]综上，可以确定的是不管是地球物理方法还是地质钻探方法，这些方法都只能得到地下空区的一些简单特征，如空区的位置和体积等等，没法实时获取地下空区的三维形态和内部实景，存在地下空区三维成像效果不高的问题
。

技术实现思路

[0005]本申请实施例的目的在基于提供一种地下空区三维成像方法
、
系统及可读存储介质，可以提高地下空区三维成像效果
。
[0006]本申请实施例还提供了一种地下空区三维成像方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
获取地下空区的空区视频图像和空区点云数据；
[0008]S2、
确定姿态变换矩阵，基于所述姿态变换矩阵将所述空区视频图像和所述空区点云数据进行对齐；
[0009]S3、
基于所述空区视频图像进行材质纹理的识别，得到材质纹理信息；
[0010]S4、
对所述空区点云数据进行三角网格划分，形成初始空区三维模型；
[0011]S5、
将所述材质纹理信息映射到所述空区三维模型，形成带有材质纹理属性的目标空区三维模型；
[0012]S6、
基于所属的材质纹理属性，计算所述目标空区三维模型的
BRDF
；
[0013]S7、
模拟全局光照，并基于所求的
BRDF
构建渲染方程；
[0014]S8、
设定从视点发射光线，并基于所述渲染方程进行光线追踪，以获得高亮度的地下空区实景图像
。
[0015]第二方面，本申请实施例还提供了一种地下空区三维成像系统，所述系统包括数据获取模块
、
姿态对齐模块
、
材质纹理识别模块
、
三维重建模块
、
三维成像模块，其中：
[0016]所述数据获取模块，用于获取地下空区的空区视频图像和空区点云数据；
[0017]所述姿态对齐模块，用于确定姿态变换矩阵，基于所述姿态变换矩阵将所述空区视频图像和所述空区点云数据进行对齐；
[0018]所述材质纹理识别模块，用于基于所述空区视频图像进行材质纹理的识别，得到材质纹理信息；
[0019]所述三维重建模块，用于对所述空区点云数据进行三角网格划分，形成初始空区三维模型；
[0020]所述三维重建模块，还用于将所述材质纹理信息映射到所述空区三维模型，形成带有材质纹理属性的目标空区三维模型；
[0021]所述三维成像模块，用于基于所属的材质纹理属性，计算所述目标空区三维模型的
BRDF
；
[0022]所述三维成像模块，还用于模拟全局光照，并基于所求的
BRDF
构建渲染方程；
[0023]所述三维成像模块，还用于设定从视点发射光线，并基于所述渲染方程进行光线追踪，以获得高亮度的地下空区实景图像
。
[0024]第三方面，本申请实施例还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中包括地下空区三维成像方法程序，所述地下空区三维成像方法程序被处理器执行时，实现如上述任一项所述的一种地下空区三维成像方法的步骤
。
[0025]由上可知，本申请实施例提供的一种地下空区三维成像方法
、
系统及可读存储介质，能够通过点云和视频图像联合成像，实时生成地下空区的三维模型，反应地下空区的三维轮廓和空区实景
。
同时还进行了材质纹理的识别，进一步提高成像精度，为后续三维建模提供良好的数据基础，实现准确纹理贴图
。
以及，还模拟了全局光照，基于所求的渲染方程进行光线追踪，能较大加快计算速度，节省算力，更加迅速和实时地生成图像，提高了地下空区三维成像效果
。
[0026]本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解
。
本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书
、
权利要求书
、
以及附图中所特别指出的结构来实现和获得
。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图
。
[0028]图1为本申请实施例提供的一种地下空区三维成像方法的流程图；
[0029]图2为本申请实施例提供的一种地下空区三维成像方法的总体实施流程图；
[0030]图3为本申请实施例提供的一种地下空区三维成像系统的结构示意图
。
具体实施方式
[0031]下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例
。
通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种地下空区三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
获取地下空区的空区视频图像和空区点云数据；
S2、
确定姿态变换矩阵，基于所述姿态变换矩阵将所述空区视频图像和所述空区点云数据进行对齐；
S3、
基于所述空区视频图像进行材质纹理的识别，得到材质纹理信息；
S4、
对所述空区点云数据进行三角网格划分，形成初始空区三维模型；
S5、
将所述材质纹理信息映射到所述空区三维模型，形成带有材质纹理属性的目标空区三维模型；
S6、
基于所属的材质纹理属性，计算所述目标空区三维模型的
BRDF
；
S7、
模拟全局光照，并基于所求的
BRDF
构建渲染方程；
S8、
设定从视点发射光线，并基于所述渲染方程进行光线追踪，以获得高亮度的地下空区实景图像
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述空区视频图像经由摄像头采集所得，所述空区点云数据经由激光雷达
、
声呐采集所得
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述确定姿态变换矩阵，基于所述姿态变换矩阵将所述空区视频图像和所述空区点云数据进行对齐，包括：
S21、
分别对所述空区视频图像和所述空区点云数据进行预处理，得到目标图像和目标点云数据；
S22、
分别从所述目标图像和所述目标点云数据中提取出多个图像特征描述子
、
以及多个点云特征描述子；
S23、
通过特征关联性，将各所述图像特征描述子和所述点云特征描述子进行特征匹配，得到特征匹配对；
S24、
基于所述特征匹配对，估计得到摄像头的姿态变换矩阵；
S25、
基于所述姿态变换矩阵，将所述目标图像和所述目标点云数据进行姿态对齐
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S3
中，所述基于所述空区视频图像进行材质纹理的识别，得到材质纹理信息，包括：
S31、
获取包含不同材质纹理的图像数据集，并基于所述图像数据集构建训练集
、
以及验证集；
S32、
构建初始卷积神经网络，将所述训练集输入至所述初始卷积神经网络中进行模型训练，并在训练结束时，得到目标卷积神经网络；
S33、
基于所述验证集评估所述目标卷积神经网络的性能指标，并基于所得的指标评估结果进行模型调优；
S34、
将所述空区视频图像输入至所得的调优模型中进行处理，基于所得的输出结果确定材质纹理信息
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S4
中，所述对所述空区点云数据进行三角网格划分，形成空区三维模型，包括：
S41、
对所述空区点云数据进行预处理，得到目标点云数据；
S42、
对所述目标点云进行三角化处理，生成初始三角网，所述初始三角网由多个三角网格构成；
S43、
遍历各所述三角网格，遍历过程中，在确定当前遍历网格不满足预设质量条件和
/
或边界条件时，调用网格优化算法优化网格质量和
/
或调用边界处理算法进行网格边界处理；
S44、
遍历结束时，按照预设的数据结构生成目标三角网，并将所述目标三角网作为空区三维模型
。6.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S6
中，所述基于所属的材质纹理属性，计算所述目标空区三维模型的
BRDF
，包括：
S61、
确定所述目标空区三维模型所属的材质纹理属性，所述材质纹理属性包括粗糙材质
、
以及具有光滑高光反射特性的光滑材质中的至少一种；
S62、
在确定所述材质纹理属性所属粗糙材质时，基于下述第一公式计算所述目标空区三维模型的
BRDF
：其中，
f
r
表示所求的双向反射分布函数，
w
i
表示入射光方向，
w
r
表示出射光方向，
ρ
d
表示与材质相关的预设常数；
S63、
在确定所述材质纹理属性所属光滑材质时，基于下述第二公式计算所述目标空区三维模型的
BRDF
：其中，
k
d
表示漫反射系数，
k
s
表示镜面反射系数，
n
表示反光度参数，
θ
h
表示入射光线方向与视线方向的半程向量的夹角
。7.
...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦玉勇，沈鹿易，王子雄，闫雪峰，胡郁乐，韩增强，王益腾，周杰，王超，陈双源，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：