海底管道探测与三维可视化技术的研究与实现

• 作 者: 陈士杰
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2020年12期
• 关键词: 三维重建 声呐图像处理 海底管道探测 Delaunay三角剖分 逐点插入法

海底管道是海洋油气资源的重要运输方式,如果出现悬空甚至破裂的状况,会带来巨大的经济损失和严重的环境污染。针对在复杂的海底环境中能见度低、检测成本高等难点,本文对海底管道的探测和三维可视化技术进行了研究与实现。首先,给出一种从多波束声呐图像中自动检测、识别和提取水下气体的方法,用最大类间方差法选取最佳阈值,分离水下各目标和水体背景,并用特征筛选和改进的局部阈值分割方法,即对原图像和参考图像的差值图像设定阈值,使得阈值与像素点的位置和局部明暗程度有关,从水下目标中分割出气体,该方法在气体目标和水体背景灰度值差异较小的情况下分割效果较好,解决了人工判读声呐图像效率低、准确性差的问题。通过数学形态学的方法提取轮廓,实现对于泄漏气体的定位和泄漏规模的定量估计。其次,从侧扫声呐文件中提取信息并生成二维的侧扫声呐图像,结合探测时的物理几何关系,给出一种计算海底管道悬空高度的方法,并以实测数据验证了其有效性和实用性。结合海底管道的特点,以拟合圆的形式完成三维点云重建。接着,针对海底管道所在区域的海底地形点云中存在孔洞的问题,结合侧扫声呐等间隔采样的特点,对点云均匀切片和投影,通过三次B样条曲线拟合的方式修补孔洞。在此基础上提出一种改进方法,即在拟合前对每个切片的二维投影点列中每三个相邻的型值点进行补点,解决了拟合后点列稀疏、密度不均匀等问题。在海底地形三维网格重建的过程中,对构建Delaunay三角形格网的逐点插入法中的插入点定位和局部优化过程分别进行了改进,在提高构网效率的同时,改善了三维网格模型,尤其是在地形陡峭区域的重建效果。最后,分别生成海底管道和海底地形的三维模型,通过地理位置进行匹配,实现三维融合与仿真,较为直观地显示了探测海域范围内海底管道整体的走向、位置、异常悬空的区域信息及周边环境的可视化,实现了对海底管道的科学监测。