CN113376639A - 基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，包括以下步骤；步骤S1、利用声呐从不同方位对桥墩基础冲刷区地形进行完整扫描成像，采集n组基础冲刷地形声像图；步骤S2、对采集的声像图以相同间距截取多个分析截面；步骤S3、提取图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，转换至三维空间中，并以扇弧表述声呐波束扇面；步骤S4、根据同一分析截面内一组测点扇弧相对位置关系，识别其中的冲刷地形轮廓形态；步骤S5、对各地形轮廓形态进行逐一识别，分别提取出空间散点三维坐标数据；步骤S6、采用克里金插值法对空间散点数据进行插值拟合，完成基础冲刷地形的三维重构；本发明能实现对桥墩基础冲刷区地形的三维还原的目的。

Description

基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法
技术领域
本发明涉及水下桥墩基础冲刷地形检测技术领域，尤其是基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法。
背景技术
桥墩基础长期处于复杂的水环境中，在冲刷作用下使河床不断下切，基础埋深减小，形成基础冲刷病害。当遇到洪水期间冲刷作用更加强烈，老旧桥梁受到长期局部冲刷作用下，存在重大安全隐患，在洪水剧烈冲刷下极易发生倾覆。因此，对桥墩基础冲刷进行定期检测，掌握桥墩基础冲刷状况，可以为桥梁工程的结构状态安全评估、冲刷范围河床的预防处理等提供信息和支持。
传统的基础冲刷检测装置安装费用及维护成本高，在洪水期间容易受到杂物影响而使装置失效，且测量的数据较为离散,检测效率低。声呐设备相比于传统的检测装置更易于安装，单次对基础冲刷扫描成像可以获取多个冲刷深度数据，检测效率高，且可以通过移动测点位置对桥墩不同方位的基础冲刷地形进行探测，从而获得不同方位基础冲刷地形的侧向轮廓，但是采集的声学图像只能反映波束覆盖某一区域地形冲刷轮廓，难以完整还原桥墩基础周围冲刷整体的地形地貌信息。
因此，需要一种基于机械扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法。
发明内容
本发明提出基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，能实现对桥墩基础冲刷区地形的三维还原，达到从三维空间中直接查看基础冲刷地形地貌的目的。
本发明采用以下技术方案。
基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，所述方法包括以下步骤；
步骤S1、利用机械扫描声呐设备从不同方位对桥墩基础冲刷区地形进行完整扫描成像，采集得到不同方位下的n组基础冲刷地形声像图；
步骤S2、对采集的各组声像图以相同间距截取多个分析截面；
步骤S3、提取图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间中，并以扇弧表述声呐波束扇面；
步骤S4、根据同一分析截面内一组测点扇弧相对位置关系，识别该分析截面内的冲刷地形轮廓形态；
步骤S5、对不同方位、不同分析截面的地形轮廓形态进行逐一识别，分别提取出轮廓曲线上关键点三维坐标，得到所需的空间散点三维坐标数据；
步骤S6、采用克里金插值法对空间散点数据进行插值拟合，完成基础冲刷地形的三维重构。
所述步骤S3中，提取声像图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间的具体步骤如下：
步骤3a、在距离声呐中心为
Figure BDA0003169315390000021
的分析截面
Figure BDA0003169315390000022
内，标记成像条带的上下边缘点为M、N，原始声呐中心点
Figure BDA0003169315390000023
和上下边缘点M、N距离分别为
Figure BDA0003169315390000024
波束扇面的大开角角度θ；
步骤3b、以上边缘点M为圆心，
Figure BDA0003169315390000025
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA0003169315390000026
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA0003169315390000027
等效声呐中心点
Figure BDA0003169315390000028
超出原始声呐中心所在平面的高度
Figure BDA0003169315390000029
以超出声呐所在平面距离
Figure BDA00031693153900000210
的等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000211
为圆心，以
Figure BDA00031693153900000212
为半径、波束扇面大开角角度θ作扇弧，得到上边缘点M在三维空间对应的扇弧
Figure BDA00031693153900000213
以下边缘点N为圆心，
Figure BDA00031693153900000214
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA00031693153900000215
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000216
高于原始声呐中心所在平面距离
Figure BDA00031693153900000217
以
Figure BDA00031693153900000218
为圆心，以
Figure BDA00031693153900000219
为半径、角度θ作扇弧，得到下边缘点N在三维空间对应于扇弧
Figure BDA00031693153900000220
其中，上标i表示桩号，第一个下标j表示一组测点相对桥墩的所在方位，第二个下标k表示一组测点下的具体测点，k取0、1、2分别表示一组测点中的左、中、右测点；
步骤3c、对一组测点中另外两个测点也采用相同的参数转换方式，得到同一分析截面内一组测点成像图对应的三维空间中的扇弧相对位置关系。
步骤S4中，根据同一分析截面内参数转换得到的一组测点对应的扇弧相对位置关系识别冲刷区地形轮廓形态时，具体步骤如下：
步骤4a、根据一组扇弧相对位置关系判定地形类型属于凹陷地形、隆起地形、连续地形、不确定地形中的哪一种，其中不确定地形需要结合相邻方位下确定的地形轮廓曲线对地形类型进行进一步判断；
步骤4b、筛选可用于形成地形轮廓曲线的关键点，按以下条件进行筛选，1)地形类型属于凹陷地形、隆起地形或连续地形；2)拟合的地形轮廓曲线位于两扇弧范围之间，且相邻扇面内交集部分为地形轮廓曲线必经过区域；3)各测点还原的上下扇弧线上均至少有一个地形轮廓点；
步骤4c、在满足上述条件下确定出各个扇弧线上地形轮廓曲线各个关键点，通过平滑曲线将各个关键点进行连接，得到该分析截面下波束覆盖区的地形轮廓曲线。
在步骤4a中，若在比较两侧辅助测点波束上侧扇弧边缘点和声呐所在平面距离时，距离较大值小于另一侧辅助检测点下侧扇弧边缘点到声呐所在平面的距离，即用公式表达为L02＞l00＞l02；且两侧波束上侧扇弧中点连线a00a02，中间波束上侧扇弧中点a01位于连线a00a02的下方，即可确定地形类型为凹陷地形类型。
所述步骤S6中，将得到的大量的空间散点数据通过克里金插值法进行插值拟合处理，实现桥墩基础冲刷区地形三维重构，得到基础冲刷等高线图和三维可视化图，能在三维空间中直观查看桥墩基础冲刷区的地形地貌信息。
本发明的有益效果在于：本发明所述方案，能通过声呐扫描成像，直观反映出桥墩基础周围冲刷区地形地貌信息，便于在三维空间中直接查看桥墩基础冲刷状况。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的流程示意图；
附图2是本发明所述方法中，声呐桥墩基础冲刷地形成像分析截面截取的示意图；
附图3是本发明所述方法中，声像图提取参数转换至三维空间的示意图；
附图4是按本发明所述方法，根据一组测点下的扇弧相对位置关系来识别凹陷地形轮廓的示意图。
具体实施方式
如图所示，基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，所述方法包括以下步骤；
步骤S1、利用机械扫描声呐设备从不同方位对桥墩基础冲刷区地形进行完整扫描成像，采集得到不同方位下的n组基础冲刷地形声像图；
步骤S2、对采集的各组声像图以相同间距截取多个分析截面；
步骤S3、提取图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间中，并以扇弧表述声呐波束扇面；
步骤S4、根据同一分析截面内一组测点扇弧相对位置关系，识别该分析截面内的冲刷地形轮廓形态；
步骤S5、对不同方位、不同分析截面的地形轮廓形态进行逐一识别，分别提取出轮廓曲线上关键点三维坐标，得到所需的空间散点三维坐标数据；
步骤S6、采用克里金插值法对空间散点数据进行插值拟合，完成基础冲刷地形的三维重构。
所述步骤S3中，提取声像图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间的具体步骤如下：
步骤3a如图3中的a所示，、在距离声呐中心为
Figure BDA0003169315390000041
的分析截面
Figure BDA0003169315390000042
内，标记成像条带的上下边缘点为M、N，原始声呐中心点
Figure BDA0003169315390000043
和上下边缘点M、N距离分别为
Figure BDA0003169315390000044
Figure BDA0003169315390000045
波束扇面的大开角角度θ；
步骤3b、以上边缘点M为圆心，
Figure BDA0003169315390000046
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA0003169315390000047
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA0003169315390000048
等效声呐中心点
Figure BDA0003169315390000049
超出原始声呐中心所在平面的高度
Figure BDA00031693153900000410
以超出声呐所在平面距离
Figure BDA00031693153900000411
的等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000412
为圆心，以
Figure BDA00031693153900000413
为半径、波束扇面大开角角度θ作扇弧，得到上边缘点M在三维空间对应的扇弧
Figure BDA0003169315390000051
以下边缘点N为圆心，
Figure BDA0003169315390000052
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA0003169315390000053
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA0003169315390000054
高于原始声呐中心所在平面距离
Figure BDA0003169315390000055
以
Figure BDA0003169315390000056
为圆心，以
Figure BDA0003169315390000057
为半径、角度θ作扇弧，得到下边缘点N在三维空间对应于扇弧
Figure BDA0003169315390000058
其中，上标i表示桩号，第一个下标j表示一组测点所在方位，第二个下标k表示一组测点下的具体测点，k取0、1、2分别表示一组测点中的左、中、右测点；
以图为例：步骤3b以图3中的b、c展示为：原始声呐中心点
Figure BDA0003169315390000059
和该分析截面的上下边缘点M、N距离分别为
Figure BDA00031693153900000510
以上边缘点M为圆心，
Figure BDA00031693153900000511
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA00031693153900000512
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000513
等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000514
超出原始声呐中心所在平面的高度
Figure BDA00031693153900000515
以超出声呐所在平面距离
Figure BDA00031693153900000516
的等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000517
为圆心，以
Figure BDA00031693153900000518
为半径、波束扇面大开角角度θ作扇弧，得到图三(c)上边缘点M在三维空间对应于扇弧
Figure BDA00031693153900000519
同样地，以下边缘点N为圆心，
Figure BDA00031693153900000520
为半径作圆弧，和分析截面
Figure BDA00031693153900000521
交点即为等效声呐中心点
Figure BDA00031693153900000522
高于原始声呐中心所在平面距离
Figure BDA00031693153900000523
以
Figure BDA00031693153900000524
为圆心，以
Figure BDA00031693153900000525
为半径、角度θ作扇弧，得到下边缘点N在三维空间对应于扇弧
Figure BDA00031693153900000526
其中，上标i表示桩号，第一个下标j表示一组测点相对桥墩的方位，第二个下标k表示一组测点下的具体测点，k取0、1、2分别表示一组测点中的左、中、右测点。
步骤3c、对一组测点中另外两个测点也采用相同的参数转换方式，得到同一分析截面内一组测点成像图对应的三维空间中的扇弧相对位置关系。
步骤S4中，根据同一分析截面内参数转换得到的一组测点对应的扇弧相对位置关系识别冲刷区地形轮廓形态时，具体步骤如下：
步骤4a、根据一组扇弧相对位置关系判定地形类型属于凹陷地形、隆起地形、连续地形、不确定地形中的哪一种，其中不确定地形需要结合相邻方位下确定的地形轮廓曲线对地形类型进行进一步判断；
步骤4b、筛选可用于形成地形轮廓曲线的关键点，按以下条件进行筛选，1)地形类型属于凹陷地形、隆起地形或连续地形；2)拟合的地形轮廓曲线位于两扇弧范围之间，且相邻扇面内交集部分为地形轮廓曲线必经过区域；3)各测点还原的上下扇弧线上均至少有一个地形轮廓点；
步骤4c、在满足上述条件下确定出各个扇弧线上地形轮廓曲线各个关键点，通过平滑曲线将各个关键点进行连接，得到该分析截面下波束覆盖区的地形轮廓曲线。
如图3所示，在步骤4a中，若在比较两侧辅助测点波束上侧扇弧边缘点和声呐所在平面距离时，距离较大值小于另一侧辅助检测点下侧扇弧边缘点到声呐所在平面的距离，即用公式表达为L02＞l00＞l02；且两侧波束上侧扇弧中点连线a00a02，中间波束上侧扇弧中点a01位于连线a00a02的下方，即可确定地形类型为凹陷地形类型。
如图4所示，当满足地型类型确定为凹陷地形类型时，拟合的地形轮廓曲线位于两扇弧范围之间，且相邻扇弧面内交集部分，即图4中A01C01D00c00和c02C02D01B01区域为地形轮廓曲线必经过区域；则各测点还原的上下扇弧线上均至少有一个地形轮廓点。
所述步骤S6中，将得到的大量的空间散点数据通过克里金插值法进行插值拟合处理，实现桥墩基础冲刷区地形三维重构，得到基础冲刷等高线图和三维可视化图，能在三维空间中直观查看桥墩基础冲刷区的地形地貌信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方法，这些具体实施方法是基于整体构思下的不同实现方式，而本发明的保护范围并不仅限于此。仅用于解释说明本发明的功能及使用方法，而并非对于本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出各种变化或替代，也应属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
步骤S1、利用机械扫描声呐设备从不同方位对桥墩基础冲刷区地形进行完整扫描成像，采集得到不同方位下的n组基础冲刷地形声像图；
步骤S2、对采集的各组声像图以相同间距截取多个分析截面；
步骤S3、提取图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间中，并以扇弧表述声呐波束扇面；
步骤S4、根据同一分析截面内一组测点扇弧相对位置关系，识别该分析截面内的冲刷地形轮廓形态；
步骤S5、对不同方位、不同分析截面的地形轮廓形态进行逐一识别，分别提取出轮廓曲线上关键点三维坐标，得到所需的空间散点三维坐标数据；
步骤S6、采用克里金插值法对空间散点数据进行插值拟合，完成基础冲刷地形的三维重构。
2.根据权利要求1所述的基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，其特征在于：所述步骤S3中，提取声像图中分析截面内地形成像条带上下边缘的关键参数，根据声学成像原理将提取参数转换至三维空间的具体步骤如下：
步骤3a、在距离声呐中心为
Figure FDA0003169315380000011
的分析截面
Figure FDA0003169315380000012
内，标记成像条带的上下边缘点为M、N，原始声呐中心点
Figure FDA0003169315380000013
和上下边缘点M、N距离分别为
Figure FDA0003169315380000014
波束扇面的大开角角度θ；
步骤3b、以上边缘点M为圆心，
Figure FDA0003169315380000015
为半径作圆弧，和分析截面
Figure FDA0003169315380000016
交点即为等效声呐中心点
Figure FDA0003169315380000017
等效声呐中心点
Figure FDA0003169315380000018
超出原始声呐中心所在平面的高度
Figure FDA0003169315380000019
以超出声呐所在平面距离
Figure FDA00031693153800000110
的等效声呐中心点
Figure FDA00031693153800000111
为圆心，以
Figure FDA00031693153800000112
为半径、波束扇面大开角角度θ作扇弧，得到上边缘点M在三维空间对应的扇弧
Figure FDA00031693153800000113
以下边缘点N为圆心，
Figure FDA00031693153800000114
为半径作圆弧，和分析截面
Figure FDA00031693153800000115
交点即为等效声呐中心点
Figure FDA00031693153800000116
高于原始声呐中心所在平面距离
Figure FDA0003169315380000021
以
Figure FDA0003169315380000022
为圆心，以
Figure FDA0003169315380000023
为半径、角度θ作扇弧，得到下边缘点N在三维空间对应于扇弧
Figure FDA0003169315380000024
其中，上标i表示桩号，第一个下标j表示一组测点相对桥墩的所在方位，第二个下标k表示一组测点下的具体测点，k取0、1、2分别表示一组测点中的左、中、右测点；
步骤3c、对一组测点中另外两个测点也采用相同的参数转换方式，得到同一分析截面内一组测点成像图对应的三维空间中的扇弧相对位置关系。
3.根据权利要求1所述的基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，其特征在于：步骤S4中，根据同一分析截面内参数转换得到的一组测点对应的扇弧相对位置关系识别冲刷区地形轮廓形态时，具体步骤如下：
步骤4a、根据一组扇弧相对位置关系判定地形类型属于凹陷地形、隆起地形、连续地形、不确定地形中的哪一种，其中不确定地形需要结合相邻方位下确定的地形轮廓曲线对地形类型进行进一步判断；
步骤4b、筛选可用于形成地形轮廓曲线的关键点，按以下条件进行筛选，1)地形类型属于凹陷地形、隆起地形或连续地形；2)拟合的地形轮廓曲线位于两扇弧范围之间，且相邻扇面内交集部分为地形轮廓曲线必经过区域；3)各测点还原的上下扇弧线上均至少有一个地形轮廓点；
步骤4c、在满足上述条件下确定出各个扇弧线上地形轮廓曲线各个关键点，通过平滑曲线将各个关键点进行连接，得到该分析截面下波束覆盖区的地形轮廓曲线。
4.根据权利要求3所述的基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，其特征在于：在步骤4a中，若在比较两侧辅助测点波束上侧扇弧边缘点和声呐所在平面距离时，距离较大值小于另一侧辅助检测点下侧扇弧边缘点到声呐所在平面的距离，即用公式表达为L02＞l00＞l02；且两侧波束上侧扇弧中点连线a00a02，中间波束上侧扇弧中点a01位于连线a00a02的下方，即可确定地形类型为凹陷地形类型。
5.根据权利要求1所述的基于扫描声呐成像的桥墩基础冲刷区地形三维重构方法，其特征在于：所述步骤S6中，将得到的大量的空间散点数据通过克里金插值法进行插值拟合处理，实现桥墩基础冲刷区地形三维重构，得到基础冲刷等高线图和三维可视化图，能在三维空间中直观查看桥墩基础冲刷区的地形地貌信息。
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