【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及潮滩沙纹微地貌领域，特别是涉及一种基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法。
技术介绍
1、沙纹是水动力塑造的最小地貌单元，波长约0.1至1米，波高约0.01至0.1米，在全球淤泥质潮滩地貌特征系统内广泛分布，沙纹地貌演变研究是海岸动力学、泥沙运动力学领域的重要课题。泥沙通量是决定潮滩冲淤稳定性、预测潮滩地貌演变趋势的重要指标，而泥沙通量极大地依赖床面形态特征，沙纹的起伏形态改变床面粗糙度，增强水体紊动和泥沙再悬浮，对泥沙通量的贡献可达平床条件的两倍，对大尺度河口海岸地貌演变的影响不容忽视。因此，准确提取潮滩沙纹形态特征对河口海岸近底水动力、泥沙输运乃至大尺度长周期地貌演变至关重要。
2、潮滩沙纹形态特征受底沙中值粒径、复杂流速动力条件、水深、生物膜等影响，在潮滩上呈现极大的空间和时间上的形态差异，这种差异性也导致了沙纹形态特征独特的复杂性，给沙纹形态特征的准确提取带来很大的困难。此外，由于沙纹地貌形态的尺度小(波长和波高)，测量精度需要达到毫米级别，给测量技术及提取方法提出了巨大的挑战，目前测量方面主要依赖高精度的激光雷达，对沙纹形态特征的提取依赖简单的阈值方法和人工提取方法，造成对沙纹形态的测量费用昂贵，同时，特征参数提取的方法缺乏、准确性低。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种提取效率及准确性好的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法。
2、技术方案：为实现上述目的，本专利技术所述的一种基
3、s1：获取潮滩床面沙纹的三维空间点云数据；
4、s2：对三维空间点云数据进行空间网格插值及初步进行平滑处理；
5、s3：从平滑处理后的三维空间点云数据中选取未受扰动区域，采用平面对该区域内三维空间点云数据进行拟合，以构建旋转矩阵对三维空间点云数据进行空间旋转；
6、s4：将旋转之后的三维空间点云数据再次进行空间网格插值及再次平滑处理；
7、s5：对再次平滑处理后的三维空间点云数据进行快速傅里叶变换分析，以提取沙纹形态的主导波长和方向；
8、s6：根据沙纹的主导波长和方向，在未受扰动区域内选取该主导方向上的若干断面，并提取该断面内的特征值；
9、s7：计算特征值的频率分布，将频率分布最大值所对应的特征值作为该区域沙纹微地貌形态的特征参数。
10、s1所述的获取三维空间点云数据的方法为：在研究区域内，利用无人机摄影潮滩床面沙纹的图像，使用photoscan软件从图像中获取潮滩床面沙纹的三维空间点云数据，并存储为xyz格式，利用matlab软件中load函数将xyz格式文件导入至matlab软件中进行后续步骤处理。
11、s2所述对三维空间点云数据进行空间网格插值，用于将数据的经纬度坐标转化为距离坐标，并对距离坐标内的三维空间点云数据采用平滑函数smooth进行初步平滑处理，具体方法为：
12、选取三维空间点云数据中x轴和y轴坐标的最小值和最大值作为空间网格x轴和y轴的边界，选取散点的平均间距为空间网格的间距，使用meshgrid函数建立空间网格，使用griddata插值函数将三维空间点云数据通过线性插值方法插值至建立的空间网格；
13、利用s1中photoscan软件提供的三维空间点云数据经纬度与距离的换算系数，将x、y轴坐标转化为距离坐标；同时根据实际标尺长度，对距离坐标进行进一步转换成与研究区域内潮滩床面沙纹真实的距离一致。
14、s3所述的从平滑处理后的三维空间点云数据中选取未受扰动区域，是指从已进行平滑处理后的距离坐标内三维空间点云数据中选取1m*1m面积的未受扰动区域，作进一步断面分析，具体方法为：
15、构建空间平面对该区域内三维空间点云数据进行拟合，空间平面表达式为：
16、y＝ax+by+c，
17、其中，a，b，c为拟合平面获取的系数；
18、基于参数a、b，构建分别绕x轴和y轴旋转的旋转矩阵α和β，绕x轴旋转时，控制各散点x轴坐标不变，将点云数据y轴坐标和z轴坐标构成的数据矩阵与β相乘；绕y轴旋转时，控制散点y轴坐标不变，将点云数据x轴坐标和z轴坐标构成的数据矩阵与α相乘，以此消除坡度对沙纹形态特征提取的影响；
19、旋转矩阵α和β为：
20、
21、
22、s4所述的再次平滑处理的方法为：采用滑动平均方法再次对插值后的三维空间点云数据进行平滑化处理，滑动平均的窗口选择为18。
23、s5所述的提取沙纹形态的主导波长的方法为：根据傅里叶变换结果选取能量峰值对应的x轴和z轴方向上的波数，求得主导波长：
24、
25、其中，kx为峰值所对应的x轴方向波数，ky为峰值所对应的y轴方向波数。
26、s5所述的提取沙纹形态的主导方向的方法为：根据傅里叶变换结果选取能量峰值对应的x轴和z轴方向上的波数，求得主导方向：
27、
28、其中，kx为峰值所对应的x轴方向波数，ky为峰值所对应的y轴方向波数。
29、s6所述的特征值包括：各断面沙纹波长、高度、迎水面长度和背水面长度；
30、提取该断面内的特征值的方法为：从若干断面提取沙纹峰和谷的位置，根据提取的峰和谷，划分沙纹段、沙纹迎水面和背水面，并计算各断面沙纹波长、高度、迎水面长度和背水面长度。
31、所述提取沙纹峰和谷位置的方法为：给定两个阈值：垂向距离阈值和水平方向距离阈值，若根据坡度提取的相邻的峰和谷之间高度方向上和水平方向上小于对应阈值，则对该数据进行剔除，进行循环计算，直到最终获得的峰和谷均满足阈值要求；
32、其中，选取的水平方向阈值为0.8倍的主导波长；垂向距离阈值为0.8倍的平均波高。
33、所述迎水面和背水面划分方法为：根据相邻点之间的高度差划分迎水面和背水面。
34、有益效果：本专利技术具有如下优点：1、本方法通过无人机进行倾斜摄影获取潮滩底床的三维空间点云数据，满足高精度数据采集的要求，同时，无人机倾斜摄影具有较高的空间分辨率和时间分辨率，能为潮滩微地貌形态研究提供更为精细的数据支持；
35、2、本方法对采集到的三维空间点云数据进行了一系列数据处理，包括坐标转换、数据平滑、二维平面拟合、旋转矩阵等，有效消除地形坡度等因素的影响，准确高效地提取潮滩沙纹微地貌形态特征，此外，通过计算主导波长和主导方向，可以更为精确地描述沙纹的分布规律和演化趋势；
36、3、本方法综合所有断面提取的特征值及其频率分布，将频率分布最大值所对应的特征值作为该区域沙纹微地貌形态的特征参数，从而为实际海岸潮滩的沙纹形态演变、底床粗糙度以及近底水动力特性研究提供重要依据。
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1.一种基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S1所述的获取三维空间点云数据的方法为：在研究区域内，利用无人机摄影潮滩床面沙纹的图像，使用Photoscan软件从图像中获取潮滩床面沙纹的三维空间点云数据，并存储为xyz格式，利用Load函数将xyz格式文件导入至Matlab软件中。
3.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S2所述对三维空间点云数据进行空间网格插值，用于将数据的经纬度坐标转化为距离坐标，并对距离坐标内的三维空间点云数据采用平滑函数Smooth进行初步平滑处理，具体方法为：
4.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S3所述的从平滑处理后的三维空间点云数据中选取未受扰动区域，是指从已进行平滑处理后的距离坐标内三维空间点云数据中选取1m*1m面积的未受扰动区域，作进一步断面分析，具体方法为：
6.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S5所述的提取沙纹形态的主导波长的方法为：根据傅里叶变换结果选取能量峰值对应的x轴和z轴方向上的波数，求得主导波长：
7.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S5所述的提取沙纹形态的主导方向的方法为：根据傅里叶变换结果选取能量峰值对应的x轴和z轴方向上的波数，求得主导方向：
8.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，S6所述的特征值包括：各断面沙纹波长、高度、迎水面长度和背水面长度；
9.根据权利要求8所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，所述提取沙纹峰和谷位置的方法为：给定两个阈值：垂向距离阈值和水平方向距离阈值，若根据坡度提取的相邻的峰和谷之间高度方向上和水平方向上小于对应阈值，则对该数据进行剔除，进行循环计算，直到最终获得的峰和谷均满足阈值要求；
10.根据权利要求8所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，所述迎水面和背水面划分方法为：根据相邻点之间的高度差划分迎水面和背水面。
...【技术特征摘要】
1.一种基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，s1所述的获取三维空间点云数据的方法为：在研究区域内，利用无人机摄影潮滩床面沙纹的图像，使用photoscan软件从图像中获取潮滩床面沙纹的三维空间点云数据，并存储为xyz格式，利用load函数将xyz格式文件导入至matlab软件中。
3.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，s2所述对三维空间点云数据进行空间网格插值，用于将数据的经纬度坐标转化为距离坐标，并对距离坐标内的三维空间点云数据采用平滑函数smooth进行初步平滑处理，具体方法为：
4.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，s3所述的从平滑处理后的三维空间点云数据中选取未受扰动区域，是指从已进行平滑处理后的距离坐标内三维空间点云数据中选取1m*1m面积的未受扰动区域，作进一步断面分析，具体方法为：
5.根据权利要求1所述的基于三维空间点云数据的潮滩沙纹微地貌形态特征提取方法，其特征在于，s4所述的再次平滑处理的方法为：采用滑动平均方法再次对插值后的三维空间点云...
【专利技术属性】
技术研发人员：靳闯，龚政，程婷，陈欣迪，徐贝贝，葛冉，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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