一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法

技术领域

本发明属于道路空洞探测领域，尤其是涉及一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法。

背景技术

近年来，随着我国大、中型城市立体交通建设迅猛发展，城市道路下部的地下空间规模被不断开发利用，达到空前快速发展阶段。与此同时，也因为地下空间的开凿，造成局部地段水土流失后形成道路病害体，从而引发了城市道路塌陷灾害事故。因此有效防范和减少我国城市道路空洞塌陷灾害的发生，保护城市公众安全和城市的可持续和谐发展，道路病害体的探测与防范治理已经刻不容缓。道路空洞是最常见的一种病害体，严重影响道路稳定性。目前，针对道路空洞的探测通常通过无损物探技术或地质雷达探测方法进行探测。

但现有的物探技术由于重力异常数据不具备深度信息，因此在判断空洞深度信息时，会产生较大误差。现有的地质雷达探测方法虽然对于道路空洞分辨率相对较高，但是仅能得到剖面内部空洞的分布情况，对于剖面外部情况仍然未知，同时探测数据量大，数据处理后为电磁波双程旅行时波形数据，常由于存在多次波、绕射波等波形信息，进而无法准确辨别空洞的边缘位置。且无法对道路空洞进行视磁化率图像分割，无法快速提取空洞边缘位置信息，做不到道路空洞精准定位，亦无法对道路塌陷问题进行提前预警。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法，以通过利用索贝尔算子进行道路空洞视磁化率图像分割，可快速提取空洞边缘位置信息，做到了道路空洞精准定位，对道路塌陷问题进行提前预警。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法，包括以下步骤：

S1、利用大地电导率仪进行面积性探测，得到视磁化率数据，并对视磁化率数据处理后得到视磁化率分布情况彩色图；

S2、读取视磁化率分布情况彩色图数据，将视磁化率分布情况彩色图的彩色图像转换为灰色图像；

S3、利用索贝尔算法识别道路空洞边缘位置，得到梯度模值计算公式；

S4、分割道路空洞边缘：将梯度模值最大值判定为道路空洞边缘处；

S5、利用大地电导率仪通过道路空洞边缘位置信息，确定道路空洞的三维位置，并对探测结果进行钻孔验证。

进一步的，在步骤S1中的所述面积性探测为采用满覆盖模式对道路情况进行探测，所述满覆盖模式为沿南北方向对测线进行布设，采集顺序为S型或平行或网格状。

进一步的，在步骤S1中的所述视磁化率数据为各个测点处视磁化率数据，视磁化率数据网格化后，能够得到视磁化率分布情况彩色图。

进一步的，在步骤S2中的读取视磁化率分布情况彩色图数据时将图片信息保存为8位RGB三维矩阵形式，三个维度分别为红色通道

进一步的，在步骤S2中的彩色图像转换为灰色图像时需通过消除图像色调和饱和度信息同时保留亮度，从而将彩色图像转换为灰度图像，灰度图像的矩阵为：

其中，

进一步的，在步骤S3中的索贝尔算法的算子为离散微分算子，索贝尔算法的算子用以计算图像灰度函数的近似梯度。

进一步的，在步骤S3中的道路空洞边缘位置识别包括以下步骤：

A1、利用索贝尔算子水平边缘检测矩阵、索贝尔算子垂直边缘检测矩阵分别与灰度图像的矩阵做卷积，得到水平方向的梯度幅值与垂直方向的梯度幅值；

A2、通过梯度模值计算公式计算梯度模值。

进一步的，所述索贝尔算子水平边缘检测矩阵、索贝尔算子垂直边缘检测矩阵分别为：

进一步的，所述水平方向的梯度幅值与垂直方向的梯度幅值分别为：

其中，

所述梯度模值计算公式为：

其中，

进一步的，在步骤S5中的确定道路空洞的三维位置包括以下步骤：

B1、将大地电导率仪的有效穿透深度分别设置为2.2米，4.2米和6.7米；

B2、对三个有效穿透深度分别进行空洞边缘分割，确定道路空洞的三维位置。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法具有以下优势：

本发明所述的一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法，利用大地电导率仪进行面积性探测，直接计算出三个不同深度的大地视磁化率，可以快速了解道路空洞分布情；通过利用索贝尔算子进行道路空洞视磁化率图像分割，可快速提取空洞边缘位置信息；利用视磁化率分布情况和索贝尔算法图像分割技术快速提取道路空洞边缘信息，在提高工作效率的同时，做到了道路空洞精准定位，对道路塌陷问题进行提前预警。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的整体方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述的道路空洞视磁化率分布情况示意图；

图3为本发明实施例所述的基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

名词解释：

索贝尔算子：是一种离散性差分算子，即计算灰度图像的水平和垂向梯度，由于求导过程中会对数据噪声有放大作用，该算子即可有效分辨图像边缘位置，通过还具有一定的噪声压制作用。

克里金插值方法：克里金法又称空间自协方差最佳插值法，它是以南非矿业工程师D.G. Krige名字命名的一种最优内插法。该方法以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值。

如图1至图3所示，一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法，包括以下步骤：

S1、利用大地电导率仪进行面积性探测，得到视磁化率数据，并对视磁化率数据处理后得到视磁化率分布情况彩色图；

S2、读取视磁化率分布情况彩色图数据，将视磁化率分布情况彩色图的彩色图像转换为灰色图像；

S3、利用索贝尔算法识别道路空洞边缘位置，得到梯度模值计算公式；

S4、分割道路空洞边缘：将梯度模值最大值判定为道路空洞边缘处；

S5、利用大地电导率仪通过道路空洞边缘位置信息，确定道路空洞的三维位置，并对探测结果进行钻孔验证。

本方法，利用大地电导率仪进行面积性探测，直接计算出三个不同深度的大地视磁化率，可以快速了解道路空洞分布情；通过利用索贝尔算子进行道路空洞视磁化率图像分割，可快速提取空洞边缘位置信息；利用视磁化率分布情况和索贝尔算法图像分割技术快速提取道路空洞边缘信息，在提高工作效率的同时，做到了道路空洞精准定位，对道路塌陷问题进行提前预警。

在本实施例里，一种基于索贝尔算法的道路空洞边缘分割方法，包括以下步骤；

S1、测得视磁化率；利用大地电导率仪进行面积性探测，通过数据处理得到视磁化率分布情况彩色图；

S2、读取图像信息；读取彩色图像数据，将彩色图像转为灰色图像；

S3、道路空洞边缘位置识别；利用索贝尔算子水平边缘检测矩阵、垂直边缘检测矩阵分别与图像做卷积，得到水平与垂直方向的梯度幅值，再计算梯度模值；

S4、分割空洞边缘；梯度模值最大处，即判断为道路空洞边缘处；

S5、确定空洞位置并验证；综合空洞边缘位置信息，确定空洞的三维位置，并对探测结果进行钻孔验证。

所述大地电导率仪为现有技术，大地电导率仪包括信号发射线圈和接收线圈，信号发射线圈工作时发射一个随时间变化的原生磁场，这个磁场就会作用于土壤中微小的含氧化铁矿物颗粒，使它们与原生磁场的磁化方向相同。这些排列整齐的矿物颗粒产生一个次生磁场，比原生磁场小得多，而且磁化方向通常与原生磁场方向相同，原生磁场和次生磁场均被接收线圈接收，次生磁场与原生磁场的比值定义为土壤的视磁化率；

大地电导率仪的优点是对视电导率和视磁化率进行快速非接触测量成像，该仪器是一个多接收线圈，接收线圈与发射线圈的距离分别为1.48米，2.82米和4.49米，在垂直偶极模式下，这相当于有效穿透深度分别为2.2米，4.2米和6.7米。因此可以同时探测出三个深度的视磁化率分布情况。

在步骤S1中的所述面积性探测为采用满覆盖模式对道路情况进行探测，所述满覆盖模式为沿南北方向对测线进行布设，采集顺序为S型或平行或网格状。在本实施例里，满覆盖模式可以实现快速直观地得到道路视磁化率分布情况的目的。

在步骤S1中的所述视磁化率数据为各个测点处视磁化率数据，视磁化率数据网格化后，能够得到视磁化率分布情况彩色图。

在本实施例里，视磁化率数据为各个测点处视磁化率数据，需要利用现有的克里金插值程序，对该散点数据进行网格化，则能够得到道路视磁化率分布情况，并将彩色图保存。散点数据网格化，是指将实际观测离散的视磁化率数据进行规则网格化，网格化方法通常为克里金插值法，得到规则网格后即可用于绘制成图。

在步骤S2中的读取视磁化率分布情况彩色图数据时将图片信息保存为8位RGB三维矩阵形式，三个维度分别为红色通道

在步骤S2中的彩色图像转换为灰色图像时需通过消除图像色调和饱和度信息同时保留亮度，从而将彩色图像转换为灰度图像，灰度图像的矩阵为：

其中，

在本实施例里，S2中的将彩色图像转为灰色图像，即图像灰度化处理功能，通过消除图像色调和饱和度信息同时保留亮度实现将RGB图像或彩色图转换为灰度图像

在步骤S3中的索贝尔算法的算子为离散微分算子，索贝尔算法的算子用以计算图像灰度函数的近似梯度。

在步骤S3中的道路空洞边缘位置识别包括以下步骤：

A1、利用索贝尔算子水平边缘检测矩阵、索贝尔算子垂直边缘检测矩阵分别与灰度图像的矩阵做卷积，得到水平方向的梯度幅值与垂直方向的梯度幅值；

A2、通过梯度模值计算公式计算梯度模值。

所述索贝尔算子水平边缘检测矩阵、索贝尔算子垂直边缘检测矩阵分别为：

所述水平方向的梯度幅值与垂直方向的梯度幅值分别为：

其中，

所述梯度模值计算公式为：

其中，

在本实施例里，S3中道路空洞边缘位置识别过程为，用索贝尔水平和垂直边缘检测矩阵

梯度模值计算公式为

S4中空洞边缘位置即为梯度模

在步骤S5中的确定道路空洞的三维位置包括以下步骤：

B1、将大地电导率仪的有效穿透深度分别设置为2.2米，4.2米和6.7米；

B2、对三个有效穿透深度分别进行空洞边缘分割，确定三个不同深度下的空洞水平边缘位置，即确定道路空洞的三维位置。

在本实施例里，S5中确定空洞位置并验证，大地电导率仪的有效穿透深度分别为2.2米，4.2米和6.7米，对这三个深度分别进行空洞边缘分割，即可确定三个不同深度下的空洞水平边缘位置。

在本申请中，大地电导率测量通常用于堤坝、库区、江湖等渗漏探查、坝基质量检测、地下水勘查、土壤盐分检测等诸多领域，已取得了很好的社会经济效益。大地电导率仪使用两个共面线圈，一个用于发射机，另一个用于接收机。信号发射线圈工作时发射一个随时间变化的原生磁场

目前，基于大地电导率仪已应用于土壤电导率调查等各种地质调查中，对于道路空洞探测仍然是一个未知的领域。因此本申请将大地电导率仪与道路空洞探测相结合，当地下存在空洞时，空洞与周围环境存在将存在明显磁化率差异，这种差异即可通过本方法有效探测。另一方面，通过本方法探测得到的空洞异常无法准确指导其边缘位置，因此针对探测图像的边缘分割技术将有效识别空洞的边缘位置信息。本申请又将索贝尔算子与道路空洞探测相结合，所谓边缘，即是灰度或结构等信息的突变处，边缘是一个区域的结束，也是另一个区域的开始，利用该特征可以有效分割图像。利用差分算子进行图像分割的本质就是对灰度图像进行求导，导数突变位置即可指示为图像边缘位置。索贝尔算子是一种离散性差分算子，即计算灰度图像的水平和垂向梯度，由于求导过程中会对数据噪声有放大作用，该算子即可有效分辨图像边缘位置，通过还具有一定的噪声压制作用。利用索贝尔算子进行道路空洞视磁化率图像分割，可快速提取空洞边缘位置信息，做到了道路空洞精准定位，对道路塌陷问题进行提前预警。

实施例1

1、根据道路地质情况，先利用大地电导率仪进行面积性探测，通过数据处理得到三个不同深度视磁化率分布情况；大地电导率仪可快速、非接触地直接测量地下视磁化率。面积性探测通常根据工区大小采用满覆盖模式，探测仪器为捷克GF公司CMD-Explorer大地电导率仪，采用垂直偶极模式，采样频率1s，测线间距1m，探测深度分别为2.2米、4.2米和6.7米。

2、根据视磁化率测量原理，从大地电导率仪可直接导出三个不同深度的视磁化率数据，对其直接利用克里金插值方法进行网格化即可得到视磁化率分布图，如图2所示。根据道路实际地质情况，初步判断图中标记为A点的部分为道路空洞区域。

3、读取彩色图像数据，将彩色图像转为灰色图像，利用索贝尔算子水平边缘检测矩阵、垂直边缘检测矩阵分别与图像做卷积，得到水平与垂直方向的梯度幅值，再计算梯度模值，梯度模值最大处，即判断为道路空洞边缘处；

4、确定空洞位置并验证；综合空洞边缘位置信息，确定空洞的三维位置，并对探测结果进行钻孔验证。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。