融合激光点云和数字影像的岩体结构面产状测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种融合激光点云和数字影像的岩体结构产状全自动数字化测量方 法，属于工程地质勘察技术领域。
【背景技术】
[0002] 岩体结构面产状测量方法归纳起来主要有四类：
[0003] ①、测线法、窗口统计法即通过皮尺和罗盘人工现场逐一测量结构面产状信息。该 方法在面对实际工程中岩体结构面分布广、数量多、随机性强的特点，低效、费力、耗时使之 难以满足工程需求，而且遇到人迹罕至陡崖险坡受现场条件的影响，测量方法便难以实施， 从而导致测量数据的全面性与代表性也受到限制。
[0004] ②、钻孔定向取芯法（Rosengren, 1968)、孔内照相法（Eoek&Pentz, 1968)、数字全 景钻孔摄像法（王川婴，2001)即通过钻孔取芯后对岩芯中所含结构面产状的量测或通过 孔内摄像对孔壁内侧结构面纹理进行数字图像量测来获取钻孔深度范围内相交的结构面 产状信息。该方法可以获得深部岩体结构面产状信息，但是孔径范围测量尺寸使得该方法 对于长大结构面的测量精度较低，同时钻孔破岩与孔位垂直度也会影响到测量精度。
[0005] ③、摄影测量法（Ross-Brown&At-kinson, 1972 ;Hagan, 1978)即基于数字图像与 摄影测量的基本原理，应用计算机三维成像技术、影像匹配、图像插值、模式识别等多学科 理论与方法相融合，可以获取地物表面的相对坐标空间几何信息，通过计算这些几何信息 可以得到暴露地表岩体结构面产状信息。该方法采用非接触的测量手段，可以不受现场地 形条件的制约，但是该方法精度受摄影图像质量与双目摄像间距控制，同时仍然需要一定 的人工干预，单条岩体结构面的工作效率比精测线法有所提高，而面对实际工程中众多结 构面大量人工干预仍然是无法接受的。
[0006] ④、地面三维激光扫描法（Terrestrial Laser Scanning，简称TLS)，即通过对地 物目标的逐点激光扫描测距可快速获得描述地物表面相对几何坐标信息的高精度点云数 据（激光数据），通过一定人工干预与数据截取可以计算出那些暴露在岩壁表面上的岩体 结构面产状。该方法取消了摄影测量法中相对繁琐的摄影测量算法，提高了测量速度与精 度，但是仍然需要人工干预在海量点云数据中手动截取描述暴露岩体结构面产状的点云数 据，而且该方法对于未暴露岩体结构面或以迹线形式显现的岩体结构面产状是无法测量。
[0007] 综上所述，面对实际工程中岩体结构面数量多、分布广和随机性强等特点，目前技 术瓶颈在于如何兼顾非接触式（取消场地制约）、全自动（取消人工干预）、测量速度快（算 法简洁）、普适性（适合多种赋存环境岩体结构面）。
【发明内容】
[0008] 技术问题：本发明目的在于借助地面三维激光扫描技术的快速精准空间测量手段 和计算机视觉图像识别技术的目标信息自动化筛取，将含有精确几何信息激光点云数据与 目标信息自动化筛取后的数字图像数据进行数据融合与几何配准，提出一种基于TLS三维 激光扫描仪的全自动、非接触式岩体结构产状数字化测量方法，即融合激光点云和数字影 像的岩体结构面产状测量方法。
[0009] 技术方案：主要针对野外岩体结构面的数量多、分布广和随机性强等特征，传统岩 体结构面产状测量方法工作效率低下，甚至遇到人迹罕至陡崖险坡根本无法实施。本发明 借助于地面激光激光的精准空间测量技术和数字影像的计算机视觉识别技术，提出了一种 全自动、非接触式的岩体结构面产状数字化测量方法。
[0010] 融合激光点云和数字影像的岩体结构面产状全自动数字化测量方法，其测量内容 包括了岩体结构面产状的点云数据提取、岩体节理迹线产状的图像数据与点云数据相融合 的提取，其表述方式采用迹线与结构面匹配分组、共同表述的方法。
[0011] 在点云数据的提取中，先用滤波法进行去噪，再对点云数据进行三角剖分从而建 立初步的岩体三维模型，之后充分发挥点云数据精确度高的特点，通过对三角面、三角面法 向量的计算构造出特征矩阵并采用基于高密度联通区域的DBSCAN聚类分析方法对结构面 进行初步分组，随后借由三角面的连通性判别进行结构面的二次分组，最后计算出结构面 的产状；岩石节理迹线需从图像数据中提取出来，先对数字影像进行灰度化处理，再通过 图像混合阈值分割法提取出岩石的轮廓线，经过像素剥离和去除断肢提取出迹线的骨架信 息，最后将迹线标记出来并进行产状计算；结构面和迹线的产状测量完成后，将迹线与结构 面合理分组，通过计算出迹线和结构面之间的位置关系并进行判别归并，用归并后的最终 结果表征岩体结构面的产状信息。
[0012] 由于通过点云数据提取迹线产状是较为困难的，因此本发明融合图像数据和点云 数据进行迹线产状的提取。岩石节理迹线需从图像数据中提取出来，本发明先对数字影像 进行灰度化处理，再通过图像混合阈值分割法提取出岩石的轮廓线，经过像素剥离和去除 断肢提取出迹线的骨架信息，最后将迹线标记出来并进行产状计算。
[0013] 结构面和迹线的产状测量完成后，为更全面、准确地表述岩体结构面产状，本发明 将迹线与结构面合理分组，通过计算出迹线和结构面之间的位置关系并进行判别归并，用 归并后的最终结果表征岩体结构面的产状信息。
[0014] 融合激光点云和数字影像的岩体结构面产状全自动数字化测量过程主要包括如 下步骤：
[0015] 第一步：采集现场数据；
[0016] 第二步：将点云数据和影像数据进行匹配、融合；
[0017] 第三步：对点云数据进行三角剖分，计算出剖分后三角形法相量的参数，对法向量 进行聚类分析；
[0018] 第四步：将聚类分析后的结果进行合并，对合并后的数据进行产状计算；
[0019] 第五步：对影像数据进行矫正、灰度化，然后提取出节理的轮廓线和骨架并在点云 中标记出骨架；
[0020] 第六步：计算迹线对应点云任意三点构成三角形的内角，对迹线进行产状判别并 进行产状计算；
[0021] 第七步：近似拟合提取出的结构面并计算结构面与各迹线的距离，然后按照结构 面和迹线的位置关系将结构面和迹线进行分组；
[0022] 第八步：测量工作完成。
[0023] 有益效果：本发明主要针对野外岩体结构面的数量多、分布广和随机性强等特征， 传统岩体结构面产状测量方法工作效率低下，甚至遇到人迹罕至陡崖险坡根本无法实施。 本发明借助于地面激光激光的精准空间测量技术和数字影像的计算机视觉识别技术，提出 了一种全自动、非接触式的岩体结构面产状数字化测量方法。
[0024] 在激光点云数据处理的过程中，本发明采用基于密度的法向量聚类算法以自动化 的形式提取出主要的结构面产状信息，并通过TIN中三角形的连通性判别将结构面进行分 组。在此过程中，没有现有的K值聚类、模糊聚类等需要人工假定聚类结果组数的缺点，数 据处理结果不受人工干预的影响，因此能自动化识别出各种形状的岩体结构面。
[0025] 在数字影像数据处理的过程中，本发明采用混合全局和局部阈值法提取出迹线的 轮廓线，并通过骨架提取、迹线标记提取出迹线的产状信息。经实践检验，混合全局和局部 阈值法在岩体节理迹线的轮廓线提取方面能够达到较高精度，骨架提取所采用判定条件也 完全适用于迹线处理，而随后的迹线标记更能同时发挥数字影像数据信息丰富与激光点云 数据精度高的优点。
[0026] 综上所述，本发明在产状测量过程中无人工干预，采集数据后结合一系列数字处 理方法能获取高精度的岩体结构面产状信息，是一种全自动、非接触式的岩体结构面产状 数字化测量方法。
【附图说明】
[0027] 图1为本测量方法的技术方案流程图。
【具体实施方式】
[0028] 本发明的融合激光点云和数字影像的岩体结构面产状全自动数字化测量方法，主 要包括现场数据采集、数据融合与配准、点云数据特征提取、点云部分的产状信息获取、影 像特征提取、影像部分的产状信息获取、激光点云与数字影像融合，具体步骤如下：
[0029] 第一步：现场数据采集 [0030] 1)仪器现场安装
[0031] 根据测量区域位置与大小、岩体结构特征以及复杂工程环境对目标对象可能造成 光线遮挡与反射的影响，确定TLS三维激光扫描仪架设测点的站点数量、测站点具体位置 以及仪器架设的高度、扫描角度，并且按照上述要求组装和架设TLS三维激光扫描仪，若需 要对不同站点的扫描数据进行拼接，还需要确定合理的控制点布设位置，以便对不同站点 的点云数据进行配准；
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