CN115761174B - 一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法、系统及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法、系统及电子设备，包括以下步骤：按照巡护时间，采集堤防护面的测点信息和像素信息；获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；根据坐标梯度值、反射强度梯度值和像素梯度值判断护面块石的稳定状态；根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。本发明通过梯度变化，可以精准监控护面块石的状态信息，进行护面块石的寿命状态预测，提高了监测效果的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法、系统及电子设备。
背景技术
堤防工程对于抵御台风风暴潮和洪水侵袭具有重要作用，堤防工程的安全关系国计民生，是保护人民生命财产的关键工程，其工程安全一致备受重视。
传统的堤防安全检测预警系统主要以接触式测量仪器和图像采集为主，采取传感器与人工观测结合的方式为灾害预警，但这种方法无法实现堤防护面的无接触、全面覆盖监测，而且安放和拆卸仪器有一定的危险性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法及系统，旨在解决现有技术中堤防护面块石失稳破坏情况监测困难的问题。
本发明采取以下技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，应用于堤防工程的安全评估，该方法包括：按照巡护时间，采集堤防护面的测点信息和像素信息；获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态；根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，按照巡护时间，采集堤防护面的测点信息和像素信息的步骤中，测点信息包括堤防护面的三维位置坐标和反射强度，像素信息包括堤防护面的图像。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一的步骤，包括：
建立空间坐标系；
利用三维激光雷达采集堤防护面上多个测点的三维位置坐标和反射强度；
根据三维位置坐标和反射强度，构建三维护面块石地形信息。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二的步骤，包括：
获取堤防护面连续的图像数据
对像素信息按帧分割提取；
对分割提取后的像素信息进行护面块石特征匹配，构建护面块石地形信息二。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化的步骤，包括：
选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息一；
对同一水平位置处的两次垂向坐标计算梯度，得到坐标梯度值；
对同一水平位置处的两次反射强度计算梯度，得到反射强度梯度值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化的步骤，包括：
选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息二；
对同一水平位置处的两次像素坐标计算梯度，得到像素梯度值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态的步骤，包括：
设定护面块石发生位移或跳脱的梯度阈值，所述梯度阈值包括位移梯度阈值和跳脱梯度阈值；
将坐标梯度值和反射强度梯度值与梯度阈值进行对比；
将像素梯度值与梯度阈值进行对比；
当坐标梯度值、反射强度梯度值和像素梯度值均超过梯度阈值时，判断护面块石发生位移或跳脱。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，结合波浪数据计算该选定水域的方向谱的步骤，包括：。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于激光雷达的堤防寿命监测系统，包括，
采集模块，采集堤防护面的测点信息和像素信息；测点信息包括三维位置坐标和反射强度
构建模块一，根据堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；
构建模块二，根据堤防护面的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；
分析模块一，用于分析三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；
分析模块二，用于分析三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；
计算模块，用于根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态；
评估模块，用于根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器301执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述第一方面及其可能的实施方式之一提供的堤防寿命监测方法的步骤。
本发明实施例带来了以下有益效果：
相比现有技术而言，本发明的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法及系统，利用三维激光雷达和相机相互配合，获取具有高精度和高分辨率的堤防护面的测点信息和像素信息，然后对测点信息和像素信息进行计算，分析坐标梯度值、反射强度梯度值和像素梯度，从而判断护面块石的稳定状态，本发明通过梯度变化，可以精准监控护面块石的状态信息，并进行护面块石的寿命状态预测，提高了监测效果的准确性和可靠性。
本发明可操作性强，智能化水平高，可以有效监测护面块石位移来进行堤防安全评估，为海岸防灾减灾提供切实可行的数据信息。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法的流程图。
图2是本发明第一实施方式提供的激光雷达测量护面块石示意图。
图3是本发明第二实施方式提供的一种基于激光雷达的堤防寿命监测系统的模块连接示意图。
图4是本发明第三实施方式提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图于具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施方式
本发明提供了如图1-2所示的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：按照巡护时间，采集堤防护面的测点信息和像素信息。
具体而言：其中，测点信息包括堤防护面的三维位置坐标和反射强度，像素信息包括堤防护面的图像。
由于受到潮汐、天气等情况的影响，海水对堤防护面的冲击力也不相同，为了更准确的采集堤防护面在不同情况下的状态信息，因此采用无人机搭载激光雷达、GPS、INS和相机绕堤防护面按照设定时间进行定时巡航拍照，采集堤防护面的图像信息。
其中设定的时间可以为白天和夜间各巡护一次，同时为了使得激光雷达、GPS、INS和相机采集的信息保持同步，在每次巡护开始前对激光雷达和相机进行联合标定，通过多种采集方式进行同步采集，可以提高采集信息的准确性，同时多元化的图像信息，也便于后续对堤防护面的寿命进行分析。
步骤S2：获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一。
具体而言：三维激光雷达在移动过程中向堤防护面发射多条不重合的激光，每条激光对应一个测点，由于海面与堤防护面连接处会形成高低起伏的波浪，该波浪会持续性冲击堤防护面，同时海洋表面会反射激光，三维激光雷达会再次采集该反射激光，通过该反射激光的三维位置坐标和反射强度，构建三维护面块石地形信息。
S21：建立空间坐标系；
S22：利用三维激光雷达采集堤防护面上多个测点的三维位置坐标和反射强度；
S23：根据三维位置坐标和反射强度，构建三维护面块石地形信息。
步骤S3：获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二。
具体而言：相机在移动过程中会逐帧拍摄堤防护面的照片，提防护面上罗列有块石，为后续监测梯度变化，需要先对未被波浪冲刷前的块石的像素值进行记录。
S31：获取堤防护面连续的图像数据；
S32：对像素信息按帧分割提取；
S33：对分割提取后的像素信息进行护面块石特征匹配，构建护面块石地形信息二。
步骤S4：利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化。
具体而言：由于已经通过三维激光雷达构建好初始护面块石位置与强度特征信息库，后续巡护会对遭受波浪冲刷后的护面块石信息进行记录，通过与初始信息库对比，得到护面块石的损坏状况。
S41：选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息一；
S42：对同一水平位置处的两次垂向坐标计算梯度，得到坐标梯度值；
S43：对同一水平位置处的两次反射强度计算梯度，得到反射强度梯度值。
步骤S5：利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化。
具体而言：由于已经通过相机构建好初始护面块石像素值特征信息库，后续巡护会对遭受波浪冲刷后的护面块石信息进行记录，通过与初始信息库对比，得到护面块石的损坏状况。
S51：选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息二；
S52：对同一水平位置处的两次像素坐标计算梯度，得到像素梯度值。
步骤S6：根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态。
具体而言：雷达的反射强度梯度值和坐标梯度值的变化均由计算得到，块石发生位移时，取对应反射强度和三维坐标的梯度变化范围，定义为位移梯度变化；块石发生跳脱时，取对应反射强度和三维坐标的梯度变化范围，定义为跳脱梯度变化。
像素梯度变化也由计算得到，块石发生位移时，取对应梯度变化范围，定义为位移梯度变化；块石发生跳脱时，取对应梯度变化范围，定义为跳脱梯度变化。
S61：设定护面块石发生位移或跳脱的梯度阈值，所述梯度阈值包括位移梯度阈值和跳脱梯度阈值；
S62：将坐标梯度值和反射强度梯度值与梯度阈值进行对比；
S63：将像素梯度值与梯度阈值进行对比；
S64：当坐标梯度值、反射强度梯度值和像素梯度值均超过梯度阈值时，判断护面块石发生位移或跳脱。
S7：根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
第二实施方式：
如图3所示，本发明的第二实施方式提供了一种基于激光雷达的堤防寿命监测系统，包括，
采集模块201，采集堤防护面的测点信息和像素信息；测点信息包括三维位置坐标和反射强度
构建模块一202，根据堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；
构建模块二203，根据堤防护面的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；
分析模块一204，用于分析三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；
分析模块二205，用于分析三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；
计算模块206，用于根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态；
评估模块207，用于根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
第三实施方式：
如图4所示，本发明的第三实施方式提供一种电子设备，包括：至少一个处理器301；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器302；其中，所述存储器302存储有可被所述至少一个处理器301执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器301执行，以使所述至少一个处理器301能够执行上述一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法。
其中，存储器302和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器302的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。
处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器302可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照巡护时间，采集堤防护面的测点信息和像素信息；
获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；
获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；
利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；
选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息一；
对同一水平位置处的两次垂向坐标计算梯度，得到坐标梯度值；
对同一水平位置处的两次反射强度计算梯度，得到反射强度梯度值；
利用地形特征插值法，计算三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；
选择相邻两次巡护过程中构建的三维护面块石地形信息二；
对同一水平位置处的两次像素坐标计算梯度，得到像素梯度值；
根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态；
设定护面块石发生位移或跳脱的梯度阈值，所述梯度阈值包括位移梯度阈值和跳脱梯度阈值；
将坐标梯度值和反射强度梯度值与梯度阈值进行对比；
将像素梯度值与梯度阈值进行对比；
当坐标梯度值、反射强度梯度值和像素梯度值均超过梯度阈值时，判断护面块石发生位移或跳脱；
根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，其特征在于：所述测点信息包括堤防护面的三维位置坐标和反射强度，所述像素信息包括堤防护面的图像。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，其特征在于，获取堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一，具体为：
建立空间坐标系；
利用三维激光雷达采集堤防护面上多个测点的三维位置坐标和反射强度；
根据三维位置坐标和反射强度，构建三维护面块石地形信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的堤防寿命监测方法，其特征在于，获取堤防护面上护面块石的像素信息，构建三维护面块石地形信息二，具体为：
获取堤防护面连续的图像数据；
对像素信息按帧分割提取；
对分割提取后的像素信息进行护面块石特征匹配，构建护面块石地形信息二。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的基于激光雷达的堤防寿命监测方法的堤防寿命监测系统，其特征在于：包括，
采集模块，采集堤防护面的测点信息和像素信息；测点信息包括三维位置坐标和反射强度
构建模块一，根据堤防护面的测点信息，构建三维护面块石地形信息一；
构建模块二，根据堤防护面的像素信息，构建三维护面块石地形信息二；
分析模块一，用于分析三维护面块石地形信息一中测点信息的梯度变化；
分析模块二，用于分析三维护面块石地形信息二中像素信息的梯度变化；
计算模块，用于根据测点信息和像素信息的梯度变化判断护面块石的稳定状态；
评估模块，用于根据护面块石稳定状态进行堤防护面的寿命评估。
6.一种电子设备，其特征在于：包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述权利要求1至4任一项所述的方法的步骤。
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