《測繪學報》
構建與學術的橋梁 拉近與權威的距離
數碼影像與TLS點云數據融合提取地質結構面方法研究
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據融合處理及應用。E-mail:rongchunzhang@njupt.edu.cn
Research on rock surface extraction based on the integration of digital image and TLS point cloud data
ZHANG Rongchun1,2
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、礦采等基礎工程建設領域發展步伐的加快，工程地質勘查工作面臨任務重、時間緊、難度高等各種新問題。傳統接觸式巖體結構面獲取方式已不能滿足地質勘測快速、準確、精細的要求。以TLS點云或數碼影像作為數據源的非接觸式主動測量方法在數據形式、數據采集和處理等方面具有各自的特點，將兩種數據融合可實現空間信息與光學信息的優勢互補，對地質信息提取研究具有實際價值。本文針對現有影像與點云提取地質信息存在的問題，以完整、準確和自動化特點為目的，對巖體結構面信息融合提取方法進行研究，主要內容和結論如下：
(1) 對異源數據配準簡化處理方法進行研究。針對傳統海量數據簡化方法效率低、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據配準簡化處理方法。分別利用運動恢復結構思想和基于點云局部曲率構建尺度空間的3D SIFT特征提取方法提取影像和TLS點云對應的3D關鍵點。試驗結果表明，所提取的3D關鍵點有效保留了研究區域主要特征，并實現數據簡化，以此作為配準數據源，大大提高了異源數據配準效率。
(2) 對顧及結構面特征的異源多尺度數據配準算法進行研究。針對地質對象特征提取困難，傳統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。結合旋轉影像局部特征描述符與主成分分析估計點云的關鍵尺度；將四點一致基擴展為廣義超四點一致基，并引入結構面特征作為約束條件，得到一種適用于尺度不統一的異源點云G-Super4PCS數據配準算法。試驗表明，該算法有效避免了常規配準算法對規則特征信息的依賴，對于來自不同傳感器或具有不同參考系的異源多尺度數據，可以高效、快速、高精度地實現自動化配準。
(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合，提出一種適用于異源多維數據的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系，融合像素位置、顏色、產狀、空間坐標多重特征建立融合距離度量模型，準確、高效的實現超像素分割。試驗結果表明，該方法能夠將結構面分解為若干超像素區域集合，并且可以較好地契合結構面邊緣，為進一步的超像素合并及結構面精細提取提供可靠的預處理結果。
(4) 對地質結構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果為多重過分割，無法準確、唯一地表達完整結構面問題，提出了基于局部產狀語義和2D-3D一致性準則的結構面精細融合提取方法。基于局部產狀語義進行超像素分級優化合并，并根據2D-3D一致性準則對多重結果進行融合。與單一數據源及地質人員手動編錄結果對比試驗表明，本文所提方法能夠更全面、準確、高效、自動化的提取結構面；利用密度峰值聚類對融合提取結果進行優勢結構面產狀統計，與極點圖、等密度圖統計結果的一致性證明了該方法應用于結構面產狀統計的可行性。
【引文格式】張榮春. 數碼影像與TLS點云數據融合提取地質結構面方法研究. 測繪學報，2020，49(3)：400-400. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190103
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