《測繪學報》

構(gòu)建與學術(shù)的橋梁 拉近與權(quán)威的距離

數(shù)碼影像與TLS點云數(shù)據(jù)融合提取地質(zhì)結(jié)構(gòu)面方法研究

張榮春^1,2

1.南京郵電大學地理與生物信息學院, 江蘇 南京 210023;2.河海大學地球科學與工程學院, 江蘇 南京 211100

收稿日期：2019-03-27

基金項目：國家自然科學基金(41901401)；江蘇省自然科學基金(BK20190743)；國家重點研發(fā)計劃(2018YFC1508603)；南京郵電大學引進人才科研啟動基金(NY218136)

第一作者簡介：張榮春(1985-), 女, 2017年6月畢業(yè)于河海大學, 獲工學博士學位(指導教師:李浩教授), 研究方向為點云與影像數(shù)據(jù)融合處理及應用。E-mail:rongchunzhang@njupt.edu.cn

Research on rock surface extraction based on the integration of digital image and TLS point cloud data

ZHANG Rongchun^1,2

1.Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China;2.Hohai University, Nanjing 211100, China

First author: ZHANG Rongchun(1985—), female, received her doctoral degree from Hohai University on June 2017, majors in photogrammetry and remote sensing. E-mail: rongchunzhang@njupt.edu.cn.

隨著水電、交通、礦采等基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展步伐的加快，工程地質(zhì)勘查工作面臨任務重、時間緊、難度高等各種新問題。傳統(tǒng)接觸式巖體結(jié)構(gòu)面獲取方式已不能滿足地質(zhì)勘測快速、準確、精細的要求。以TLS點云或數(shù)碼影像作為數(shù)據(jù)源的非接觸式主動測量方法在數(shù)據(jù)形式、數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有各自的特點，將兩種數(shù)據(jù)融合可實現(xiàn)空間信息與光學信息的優(yōu)勢互補，對地質(zhì)信息提取研究具有實際價值。本文針對現(xiàn)有影像與點云提取地質(zhì)信息存在的問題，以完整、準確和自動化特點為目的，對巖體結(jié)構(gòu)面信息融合提取方法進行研究，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

(1) 對異源數(shù)據(jù)配準簡化處理方法進行研究。針對傳統(tǒng)海量數(shù)據(jù)簡化方法效率低、精度差且失真嚴重等問題，提出了基于特征提取思想的異源數(shù)據(jù)配準簡化處理方法。分別利用運動恢復結(jié)構(gòu)思想和基于點云局部曲率構(gòu)建尺度空間的3D SIFT特征提取方法提取影像和TLS點云對應的3D關(guān)鍵點。試驗結(jié)果表明，所提取的3D關(guān)鍵點有效保留了研究區(qū)域主要特征，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)簡化，以此作為配準數(shù)據(jù)源，大大提高了異源數(shù)據(jù)配準效率。

(2) 對顧及結(jié)構(gòu)面特征的異源多尺度數(shù)據(jù)配準算法進行研究。針對地質(zhì)對象特征提取困難，傳統(tǒng)基于同名特征的配準算法難以適用問題，對四點一致基配準算法進行研究并改進。結(jié)合旋轉(zhuǎn)影像局部特征描述符與主成分分析估計點云的關(guān)鍵尺度；將四點一致基擴展為廣義超四點一致基，并引入結(jié)構(gòu)面特征作為約束條件，得到一種適用于尺度不統(tǒng)一的異源點云G-Super4PCS數(shù)據(jù)配準算法。試驗表明，該算法有效避免了常規(guī)配準算法對規(guī)則特征信息的依賴，對于來自不同傳感器或具有不同參考系的異源多尺度數(shù)據(jù)，可以高效、快速、高精度地實現(xiàn)自動化配準。

(3) 對融合影像與TLS點云多重特征的超像素分割方法進行研究。2D SLIC僅利用像素的平面位置和顏色信息進行分割，為使算法更適用于地質(zhì)對象且具有更高的精度，將超像素分割思想與特征融合思想相結(jié)合，提出一種適用于異源多維數(shù)據(jù)的MFF-SLIC混合超像素預分割方法。利用TLS點云與影像1-N多重真映射模型解算空間點與像素點的對應關(guān)系，融合像素位置、顏色、產(chǎn)狀、空間坐標多重特征建立融合距離度量模型，準確、高效的實現(xiàn)超像素分割。試驗結(jié)果表明，該方法能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)面分解為若干超像素區(qū)域集合，并且可以較好地契合結(jié)構(gòu)面邊緣，為進一步的超像素合并及結(jié)構(gòu)面精細提取提供可靠的預處理結(jié)果。

(4) 對地質(zhì)結(jié)構(gòu)面特征精細融合提取方法進行研究。針對超像素混合預分割結(jié)果為多重過分割，無法準確、唯一地表達完整結(jié)構(gòu)面問題，提出了基于局部產(chǎn)狀語義和2D-3D一致性準則的結(jié)構(gòu)面精細融合提取方法。基于局部產(chǎn)狀語義進行超像素分級優(yōu)化合并，并根據(jù)2D-3D一致性準則對多重結(jié)果進行融合。與單一數(shù)據(jù)源及地質(zhì)人員手動編錄結(jié)果對比試驗表明，本文所提方法能夠更全面、準確、高效、自動化的提取結(jié)構(gòu)面；利用密度峰值聚類對融合提取結(jié)果進行優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計，與極點圖、等密度圖統(tǒng)計結(jié)果的一致性證明了該方法應用于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計的可行性。

【引文格式】張榮春. 數(shù)碼影像與TLS點云數(shù)據(jù)融合提取地質(zhì)結(jié)構(gòu)面方法研究. 測繪學報，2020，49(3)：400-400. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190103

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總結(jié)

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