地震地质 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (3): 739-755.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.03.013
宋冬梅1)(), 王浩1),*(), 冯家兴2), 单新建3), 王斌1)
收稿日期:
2023-02-14
修回日期:
2023-03-29
出版日期:
2024-06-20
发布日期:
2024-07-19
通讯作者:
*王浩, 男, 1997年生, 硕士, 主要从事三维激光点云地物提取方面的研究, E-mail: z20160115@s.upc.edu.cn。
作者简介:
宋冬梅, 女, 1973年生, 2003年于中国科学院沈阳应用生态研究所获景观生态学专业博士学位, 教授, 现主要研究方向为海洋灾害遥感与遥感影像智能算法研究, E-mail: songdongmei@upc.edu.cn。
基金资助:
SONG Dong-mei1)(), WANG Hao1),*(), FENG Jia-xing2), SHAN Xin-jian3), WANG Bin1)
Received:
2023-02-14
Revised:
2023-03-29
Online:
2024-06-20
Published:
2024-07-19
摘要:
断裂带与地震、 滑坡等自然灾害的发生有着密切关系, 精准提取断裂带不仅可为地震断层的定量化研究提供指导, 还可为地震灾害风险评估及防震减灾决策的制定提供科学依据。针对现有方法中LiDAR点云断裂带提取不完整、 连续性差及错误率高等问题, 文中提出了一种基于 RS-Conv 的多尺度神经网络LiDAR点云断裂带提取方法, 以便更好地解决复杂地形区域的断裂带自动提取问题。该方法首先构建不同空间尺度的邻域点集, 从而更全面地考察点云的局部几何结构特征。考虑到RS-Conv算子能够很好地表征中心点与邻域点的空间关系, 文中以RS-Conv算子作为卷积模块构建了多尺度神经网络模型, 以提取出LiDAR点云不同尺度的深层次特征, 对其进行堆叠并输入到全连接层, 以完成对断裂带点的提取。最后, 在ISPRS点云数据集、 川滇点云数据集和鲜水河数据集上对文中所述方法与张量分解方法和Deep Neural Networks(DNN)方法进行了对比实验, 结果表明, 文中方法的分类精度最高, 分类总误差最低仅为0.3%, 较其他方法降低了0.91%~2.79%, 证实了该方法在点云断裂带提取方面的优越性。
宋冬梅, 王浩, 冯家兴, 单新建, 王斌. 基于RS-Conv的多尺度神经网络LiDAR点云断裂带提取方法[J]. 地震地质, 2024, 46(3): 739-755.
SONG Dong-mei, WANG Hao, FENG Jia-xing, SHAN Xin-jian, WANG Bin. A FRACTURE ZONE EXTRACTION METHOD FOR LIDAR POINT CLOUD BASED ON MULTI-SCALE NEURAL NETWORK WITH RS-CONV[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2024, 46(3): 739-755.
图 3 邻域搜索二维示意图 a 邻域搜索; b kNN算法(k=3); c RPIB算法(k=3)。灰色点为预处理后的LiDAR点云, 橙色点为中心点, 蓝色点为kNN策略选择的邻域点, 绿色点为RPIB策略选择的邻域点; 红色圆圈代表以中心点为中心、 以r为邻域半径的邻域范围
Fig. 3 Two-dimensional schematic diagram of the neighborhood search.
图 4 多尺度邻域搜索二维示意图 灰色点为预处理后的LiDAR点云, 橙色点为中心点; 红色圆圈对应小尺度半径的邻域范围, 蓝色圆圈对应中尺度半径的邻域范围, 黄色圆圈对应大尺度半径的邻域范围, 红色、 蓝色, 黄色点分别为相应的邻域点
Fig. 4 Two-dimensional schematic diagram of multi-scale neighborhood search.
分类结果 | 预测 | |||
---|---|---|---|---|
断裂带点 | 非断裂带点 | |||
真值 | 断裂带点 | a | b | |
非断裂带点 | c | d | ||
Ⅰ类误差 | c/(c+d) | |||
Ⅱ类误差 | b/(a+b) | |||
总误差 | (b+c)/(a+b+c+d) |
表1 分类结果的混淆矩阵及误差计算方法
Table1 The confusion matrix of classification results and error calculation method
分类结果 | 预测 | |||
---|---|---|---|---|
断裂带点 | 非断裂带点 | |||
真值 | 断裂带点 | a | b | |
非断裂带点 | c | d | ||
Ⅰ类误差 | c/(c+d) | |||
Ⅱ类误差 | b/(a+b) | |||
总误差 | (b+c)/(a+b+c+d) |
模型 | 邻域点搜索策略 | 邻域点个数 | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|
MS RS-Conv | kNN | 64、128、256 | 1.27 | 98.73 |
64、128、512 | 0.52 | 99.48 | ||
64、256、1024 | 1.24 | 98.76 | ||
RPIB | 64、128、256 | 1.46 | 98.54 | |
64、128、512 | 0.99 | 99.01 | ||
64、256、1024 | 1.51 | 98.49 |
表 2 基于不同搜索策略与邻域点个数的断裂带点提取结果展示
Table2 Results of fracture zone points extraction based on different search strategies and the number of neighborhood points
模型 | 邻域点搜索策略 | 邻域点个数 | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|
MS RS-Conv | kNN | 64、128、256 | 1.27 | 98.73 |
64、128、512 | 0.52 | 99.48 | ||
64、256、1024 | 1.24 | 98.76 | ||
RPIB | 64、128、256 | 1.46 | 98.54 | |
64、128、512 | 0.99 | 99.01 | ||
64、256、1024 | 1.51 | 98.49 |
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
Samp51 | 张量分解 | 1.22 | 9.31 | 2.82 | 97.18 |
DNN | 0.46 | 4.95 | 1.35 | 98.65 | |
MS RS-Conv | 0.41 | 2.56 | 0.86 | 99.14 | |
Samp53 | 张量分解 | 2.43 | 17.37 | 3.83 | 96.17 |
DNN | 1.07 | 11.39 | 2.03 | 97.97 | |
MS RS-Conv | 0.19 | 10.27 | 1.04 | 98.96 |
表3 3种断裂带提取方法在ISPRS数据集上的性能比较
Table3 Performance comparison of three fracture zone extraction methods on ISPRS dataset
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
Samp51 | 张量分解 | 1.22 | 9.31 | 2.82 | 97.18 |
DNN | 0.46 | 4.95 | 1.35 | 98.65 | |
MS RS-Conv | 0.41 | 2.56 | 0.86 | 99.14 | |
Samp53 | 张量分解 | 2.43 | 17.37 | 3.83 | 96.17 |
DNN | 1.07 | 11.39 | 2.03 | 97.97 | |
MS RS-Conv | 0.19 | 10.27 | 1.04 | 98.96 |
图 9 3种断裂带提取方法在Samp51中的实验结果 绿色为正确分类的非断裂带点; 蓝色为正确分类的断裂带点; 黄色为错误分类的非断裂带点; 红色为错误分类的断裂带点
Fig. 9 The results of three fracture zone extraction methods on Samp51.
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
CD_1 | 张量分解 | 1.15 | 1.47 | 1.32 | 98.68 |
DNN | 0.77 | 0.97 | 0.88 | 99.12 | |
MS RS-Conv | 0.29 | 0.50 | 0.41 | 99.59 | |
CD_2 | 张量分解 | 1.39 | 1.31 | 1.36 | 98.64 |
DNN | 0.63 | 2.01 | 1.28 | 98.72 | |
MS RS-Conv | 0.21 | 0.52 | 0.36 | 99.64 |
表4 3种断裂带提取方法在川滇数据集上的性能比较
Table4 Performance comparison of three fracture zone extraction methods on Chuandian dataset
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
CD_1 | 张量分解 | 1.15 | 1.47 | 1.32 | 98.68 |
DNN | 0.77 | 0.97 | 0.88 | 99.12 | |
MS RS-Conv | 0.29 | 0.50 | 0.41 | 99.59 | |
CD_2 | 张量分解 | 1.39 | 1.31 | 1.36 | 98.64 |
DNN | 0.63 | 2.01 | 1.28 | 98.72 | |
MS RS-Conv | 0.21 | 0.52 | 0.36 | 99.64 |
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
鲜水河点云断裂带 | 张量分解 | 7.74 | 1.07 | 2.13 | 97.87 |
DNN | 5.11 | 0.91 | 1.58 | 98.42 | |
MS RS-Conv | 1.19 | 0.13 | 0.30 | 99.70 |
表5 3种断裂带提取方法在鲜水河点云数据集上的性能比较
Table5 Performance comparison of three fracture zone extraction methods on Xianshuihe dataset
数据集 | 方法 | Ⅰ类误差/% | Ⅱ类误差/% | 总误差/% | 提取精度/% |
---|---|---|---|---|---|
鲜水河点云断裂带 | 张量分解 | 7.74 | 1.07 | 2.13 | 97.87 |
DNN | 5.11 | 0.91 | 1.58 | 98.42 | |
MS RS-Conv | 1.19 | 0.13 | 0.30 | 99.70 |
[1] |
陈梦莹. 2019. 基于高分辨率无人机航测数据对郯庐断裂带沂沭段活动性的研究[D]. 北京: 中国地质大学.
|
|
|
[2] |
高帅坡. 2017. 基于无人机摄影测量技术的活动构造定量参数提取研究[D]. 北京: 中国地震局地质研究所.
|
|
|
[3] |
郭文周, 邓宇, 何庐山, 等. 2017. 航摄与机载激光雷达技术在河道地形测量中的应用[J]. 水资源研究, 6(6): 7.
|
|
|
[4] |
林洪彬, 刘彬, 张玉存. 2012. 基于多尺度张量分解的点云结构特征提取[J]. 中国机械工程, 23(15): 1833—1839.
|
|
|
[5] |
彭检贵, 马洪超, 王宗跃, 等. 2010. 机载LiDAR点云的双阈值自动提取断裂线方法[J]. 测绘科学技术学报, 27(4): 5.
|
|
|
[6] |
席英杰, 李克文, 徐延辉, 等. 2021. 一种用于地震断层图像识别的SPD-UNet模型[J]. 计算机工程, 47(12): 249—255.
|
|
|
[7] |
谢小平, 白毛伟, 陈芝聪, 等. 2019. 龙门山断裂带北东段活动断裂的遥感影像解译及构造活动性分析[J]. 国土资源遥感, 31(1): 237—246.
|
|
|
[8] |
徐景中, 万幼川, 张圣望. 2008. 基于机载激光雷达点云的断裂线自动提取方法[J]. 计算机应用, 28(5): 1214—1216.
|
|
|
[9] |
徐彦怀. 2016. 基于卫星遥感影像和DEM融合的地质断裂带研究[J]. 测绘与空间地理信息, 39(11): 135—138.
|
|
|
[10] |
张志, 张雪亭. 1999. 基于遥感影像信息的东昆仑活动断裂带研究[J]. 西安工程学院学报, 21(3): 5—8.
|
|
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
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[16] |
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[24] |
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[25] |
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[26] |
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[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[1] | 刘鑫, 王诗柔, 石许华, 苏程, 鲁晨妍, 钱晓园, 孙侨阳, 邓洪旦, 杨蓉, 程晓敢. 深度学习在活动构造与地貌研究中的应用[J]. 地震地质, 2024, 46(2): 277-296. |
[2] | 周少辉, 蒋海昆, 李健, 曲均浩, 郑晨晨, 李亚军, 张志慧, 郭宗斌. 基于深度学习的地震事件分类识别——以山东地震台网记录为例[J]. 地震地质, 2021, 43(3): 663-676. |
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