[发明专利]一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法

权利要求书

1.本发明公开了一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，该方法基于激光雷达扫描技术获取隧道表面的点云数据，对点云数据进行空间配准、隧道表面附属物滤除以及强度校正等处理，从而得到隧道表面的强度图像；基于隧道表面校正后的强度数据，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域；所述方法主要包括以下三步：1)数据采集：利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站扫描，从而获得隧道表面的点云数据(三维坐标数据和强度数据)，并对多站的点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等预处理操作；2)强度校正：基于标准漫反射板的点云数据，建立距离效应校正模型，对隧道表面强度数据进行距离效应校正，基于微平面漫反射物理模型对距离效应校正后的强度数据进行入射角效应校正，从而获得隧道表面校正后的强度数据；(3)渗水区域提取：利用隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像；最后，基于隧道表面校正后强度图像的强度值差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域。

2.按照权利要求1所述的一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，其特征在于利用地基激光雷达系统对隧道表面以及标准漫反射板进行多站激光扫描，获取多站点云数据，并对多站点云数据进行孤立噪声点去除以及空间配准等处理；在对标准漫反射板进行多站扫描过程中，需使激光光束与标准漫反射板的平面法线之间的夹角(即激光入射角)保持不变，而每站之间的距离间隔相等且较小，从而保证每站间隔范围内，强度值与距离成线性关系。

3.按照权利要求1所述的一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，其特征在于利用相同入射角等距离间隔条件下采集得到的标准漫反射板的激光雷达强度数据，建立距离效应校正模型，并利用该模型对激光雷达强度数据进行校正以消除距离效应的影响，获得距离效应校正后的激光雷达强度数据；然后，基于激光辐射传输原理以及微平面漫反射物理模型，建立激光雷达强度数据的入射角效应校正模型，利用建立的入射角效应校正模型消入射角效应的影响，从而获得距离和入射角效应校正后的激光雷达强度数据；其激光雷达强度数据的校正过程如下：

(1)距离效应校正

假设在某一固定入射角θ_s条件下，采集标准漫反射板不同距离下的强度值，其中漫反射板与激光雷达系统之间的距离值为R_s＝{R₀,R₁,R₂,…,R_n}，且R_min＝R₀＜R₁＜R₂…＜R_n＝R_max(R_min和R_max为激光雷达系统测量距离的最小值和最大值)。对被测目标在反射率为ρ、距离为R_x以及入射角为θ_x时，进行数据采集，获得的强度值记为I_dB(R_x,θ_x,ρ)。采用分段线性插值的方法求得距离为R_x、入射角为θ_s以及目标反射率为ρ_s下的强度值I_dB(R_x,θ_s,ρ_s)：

其中，R_i＜R_x＜R_i+1,i＝1,2,…n-1。则距离效应校正后的强度数据I_dis(R_x,θ_x,ρ)可表示为：

I_dis(R_x,θ_x,ρ)＝F₂(θ_x)+F₃(ρ)＝I_dB(R_x,θ_x,ρ)-I_dB(R_x,θ_s,ρ_s)+F₂(θ_s)+F₃(ρ_s)

由于θ_s为某一固定入射角，ρ_s为参考目标的反射率，则F₂(θ_s)和F₃(ρ_s)在本章中为固定的常量，I_dis(R_x,θ_x,ρ)其仅与入射角效应和目标表面属性相关。

(2)入射角效应校正

基于激光辐射传输原理以及微平面漫反射物理模型，采用Oren-Nayar模型对入射角度效应进行校正，因此入射角效应校正模型可表示为：

因此，对入射角效应进行消除后，被测目标距离和入射角效应校正后的强度值I_c可表示为：

在利用该模型进行校正前，需要求取隧道表面的粗糙度参数σ_slope。求取隧道表面粗糙度参数σ_slope步骤如下：首先，从隧道表面手动选取面积较小的M个同质区域，并求出该同质区域的强度均值，记为然后，对所有的同质区域进行距离效应校正，得到后距离校正后的强度值最后，对距离校正后的强度值进行入射角效应校正，得到角度校正后的强度值记为其中表面粗糙度参数σ_slope以1°为角间隔，从0°到90°依次增加，最后利用目标函数O(σ_slope)最小化，即可得到最优的隧道表面粗糙度参数(σ_slope)_optimal。

4.按照权利要求1所述的一种基于激光雷达扫描的隧道表面渗水区域提取方法，其特征在于基于隧道表面的几何特征滤除隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像；最后，基于隧道表面校正后强度图像的强度值差异，采用阈值法提取出隧道表面的渗水区域；渗水区域提取过程如下：

(1)滤除隧道表面的附属物

将隧道表面分成K部分，每部分可近似拟合成平面，基于隧道表面凸起的附属物与拟合平面之间的距离阈值从而隧道表面的附属物，并将隧道表面的三维点云数据投影映射到二维平面，从而获得隧道表面校正后的强度图像。

(2)基于阈值法提取渗水区域

首先，人工选取若干块隧道表面非渗水区域；然后，求取所有被选区域内点云校正后的强度均值及其标准差值(Std)；最后，基于拉依达判别准则，采用阈值法对隧道表面是否漏水进行判断，判断依据如下：

以强度值作为确定渗水区域和非渗水区域的阈值，强度值大于或等于为非渗水区域点，强度值小于为渗水区域，从而得到隧道表面的渗水区域图像。