本发明属于钢筋混凝土结构性能检测，具体地说，涉及一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法、系统、介质及设备。
背景技术：
1、钢筋混凝土结构是目前土建、桥梁、港口以及特种结构等工程领域中最常见的结构形式之一。然而，受长期使用和服役环境的影响，钢筋混凝土结构中的钢筋容易发生锈蚀，从而使受力钢筋出现延性降低和过早屈服等问题，这对其结构性能和使用寿命产生了极大的影响。同时，由于服役环境的变化、混凝土保护层和钢筋钝化膜的非均匀性，在实践中经常观察到沿钢筋长度方向分布的非均匀锈蚀以及坑蚀特征，这对钢筋的破坏模式、力学性能有影响，钢筋锈蚀的随机性增加了锈蚀钢筋混凝土构件的破坏概率。因此，钢筋锈蚀形貌特征的提取是混凝土中钢筋锈蚀研究的重要内容。
2、随着技术的发展，测量钢筋截面损失的方法从传统的称重法、排水法到如今的三维扫描测量法。借助三维扫描仪，可以精确、有效地测量钢筋剩余截面面积和锈蚀坑的尺寸等锈蚀形貌特征。现有技术存在的问题是仅通过对光圆钢筋的锈蚀特征进行提取分析，以此表征钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀程度及锈蚀模式。然而，带肋钢筋由于与混凝土材料之间具备良好的粘结性能，在实际工程中应用更为广泛。带肋钢筋的周期性肋形增加了钢筋轮廓的不规则性，同时也影响了钢筋锈蚀的不均匀性，是锈蚀钢筋混凝土结构性能评估中不可忽视的重要因素。
3、因此，如何对初始轮廓不规则的带肋钢筋锈蚀表面有效地过滤掉周期性肋形的影响，从而准确地提取出带肋钢筋的坑蚀特征，成为锈蚀钢筋混凝土结构性能评估的不可或缺一环，这有利于研究钢筋类型对锈蚀模式的影响，能更好地了解实际工程中钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的发展。
技术实现思路
1、发明的第一目的在于克服现有技术中存在的缺点与不足，提供一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，解决带肋钢筋轮廓不规则的问题，实现对锈蚀带肋钢筋的坑蚀特征的准确提取。
2、本发明的第二目的为提供一种带肋钢筋坑蚀特征提取系统。
3、本发明的第三目的为提供一种存储介质。
4、本发明的第四目的为提供一种计算设备。
5、本发明的目的通过下述技术方案实现：一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，包括步骤：
6、s1、获取锈蚀带肋钢筋的点云数据，并进行预处理，得到锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)；
7、s2、对所述锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)进行去包络处理，分离得到锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)和去下包络曲面c(r,θ,z)；
8、s3、对所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)进行功率谱密度估计，得到锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的二维功率谱密度图；
9、s4、根据二维功率谱密度图设计带阻滤波器并滤除所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)的残余横肋信号，得到滤波后的锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面cbs(r,θ,z)，结合锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)，计算得到锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)；
10、s5、对锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)进行去趋势处理，得到锈蚀带肋钢筋的坑蚀特征曲面p(r,θ,z)；
11、s6、通过图像分割算法对所述坑蚀特征曲面p(r,θ,z)提取锈蚀坑，得到锈蚀坑的几何特征。
12、优选的，步骤s1具体包括：
13、s11、通过三维扫描技术获取锈蚀带肋钢筋表面形貌的三维点云坐标数据，通过三维建模软件生成锈蚀带肋钢筋的三维实体模型；
14、s12、沿着锈蚀带肋钢筋的轴向方向、以预设长度l为间隔截取锈蚀带肋钢筋的若干横截面；建立以锈蚀带肋钢筋的长度方向为z轴，锈蚀带肋钢筋的横截面为(x,y)平面的锈蚀带肋钢筋的三维直角坐标系，则横截面的数据点的三维直角坐标表示为(x,y,z)，再通过坐标变换得到横截面的数据点的三维极坐标(r,θ,z)：
15、
16、
17、其中，r为锈蚀钢筋横截面的数据点对应的半径，θ为锈蚀钢筋横截面的数据点对应的角度；
18、s13、将所有锈蚀带肋钢筋的横截面的数据点在三维极坐标系中形成锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)。
19、优选的，步骤s2具体包括：
20、s21、对所述锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)求导，以数据间隔d找三维曲面a(r,θ,z)的所有极小值点a(rlow,θlow,zlow)，所述极小值点a(rlow,θlow,zlow)满足公式(3)和公式(4)：
21、(z0-zlow)2+(θ0-θlow)2≤d2， 公式(3)，
22、rlow<r0， 公式(4)，
23、其中，a(r0,θ0,z0)为三维曲面a(r,θ,z)中满足公式(3)的坐标点，数据间隔d满足lr＜d＜2lr，lr为与所述锈蚀带肋钢筋具有相同直径的未锈蚀带肋钢筋的横肋间距；
24、s22、以所述所有极小值点作为下包络面的端点，通过三次方样条插值处理，得到锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)；
25、s23、根据锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)及锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)计算得到去下包络曲面c(r,θ,z)：
26、c(r,θ,z)＝a(r,θ,z)-b(r,θ,z)， 公式(5)。
27、优选的，步骤s3具体包括：
28、s31、将所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)沿θ轴方向分成m段锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号曲线其中i为顺序编号，i＝1,2,3…m，m≥360；
29、s32、通过welch功率谱估计方法分别对各段锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号曲线进行功率谱密度估计，得到对应的m段功率谱密度曲线，将m段功率谱密度曲线按顺序编号i＝1,2,3…m组合得到锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的二维功率谱密度图。
30、优选的，步骤s4具体包括：
31、s41、根据锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的二维功率谱密度图，得到所述残余横肋信号的主重复周期t和二次谐波的频率ω2，其中t＝1/ω1，ω1为二维功率谱密度图中沿频率增大方向的首个频率带所对应的主频率，ω2为沿频率增大方向的第二个频率带所对应的频率；
32、s42、分别以主频率ω1和二次谐波的频率ω2为中心设计一对二阶巴特沃斯带阻滤波器，所述二阶巴特沃斯带阻滤波器的频带宽度bw根据二维功率谱密度图确定，所述二阶巴特沃斯带阻滤波器的传递函数hj(s)为：
33、
34、其中，s为复频率变量，ωj为带阻滤波器的中心频率，j＝1和j＝2时分别表示锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的主频率ω1和二次谐波的频率ω2，ζj为阻尼比，ζj的计算公式为：
35、
36、s43、通过步骤s42中的一对二阶巴特沃斯带阻滤波器滤除所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)的残余横肋信号，得到滤波后的锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面cbs(r,θ,z)；
37、s44、将所述锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)及滤波后的锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面cbs(r,θ,z)相加，得到锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)：
38、abs(r,θ,z)＝b(r,θ,z)+cbs(r,θ,z)，公式(8)。
39、优选的，步骤s5具体包括：
40、s51、将所述锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)沿θ轴方向分成m段锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲线其中i为顺序编号，i＝1,2,3…m，m≥360；
41、s52、通过预设的趋势模型，根据最小二乘法分别对每段锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲线拟合出趋势线其中i为顺序编号，i＝1,2,3…m，m≥360，并将m段趋势线按照顺序编号排列得到锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓趋势曲面u(r,θ,z)；
42、s53、将所述锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)减去锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓趋势曲面u(r,θ,z)，得到锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓的去趋势曲面d(r,θ,z)；
43、s54、选出锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓的去趋势曲面d(r,θ,z)中r大于0的数据点，将该数据点的r值取0，并对去趋势曲面d(r,θ,z)进行平滑处理，得到坑蚀特征曲面p(r,θ,z)。
44、优选的，步骤s6中，所述图像分割算法包括分水岭分割法，具体包括：对所述坑蚀特征曲面p(r,θ,z)沿θ轴方向延展并进行分水岭分割处理，提取得到各个锈蚀坑，并计算各个锈蚀坑的几何特征，几何特征包括面积、长度、宽度和深度。
45、一种带肋钢筋坑蚀特征提取系统，具体包括：
46、数据预处理模块，用于获取锈蚀带肋钢筋的点云数据，并进行预处理，得到锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)；
47、去包络处理模块，用于对所述锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面a(r,θ,z)进行去包络处理，分离得到锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)和去下包络曲面c(r,θ,z)；
48、功率谱密度估计模块，用于对所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)进行功率谱密度估计，得到锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的二维功率谱密度图；
49、滤波模块，用于根据二维功率谱密度图设计带阻滤波器并滤除所述锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面c(r,θ,z)的残余横肋信号，得到滤波后的锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面cbs(r,θ,z)，结合锈蚀带肋钢筋的下包络曲面b(r,θ,z)，计算得到锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)；
50、去趋势处理模块，用于对锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面abs(r,θ,z)进行去趋势处理，得到锈蚀带肋钢筋的坑蚀特征曲面p(r,θ,z)；
51、图像分割模块，用于通过图像分割算法对所述坑蚀特征曲面p(r,θ,z)提取锈蚀坑，得到锈蚀坑的几何特征。
52、一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法。
53、一种计算设备，包括处理器及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法。
54、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
55、(1)本发明通过坐标变换在三维极坐标系中形成锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面，简化锈蚀带肋钢筋的几何特征描述，能够通过极坐标中径向距离和方位角的变化来清晰表示坑蚀的深度和分布，便于更为直观地识别和提取锈蚀带肋钢筋的坑蚀分布特性。
56、(2)本发明通过去包络法从锈蚀带肋钢筋表面轮廓的三维曲面中分离出锈蚀带肋钢筋的下包络曲面和去下包络曲面，有效抑制剩余内径曲面和残余横肋信号曲面之间的相互影响，获得横肋信号周期特征更为显著的去下包络曲面。
57、(3)本发明通过二维功率谱密度估计方法识别出锈蚀带肋钢筋的残余横肋信号的主重复周期及其二次谐波的频率，从而通过设计带阻滤波器来滤除锈蚀带肋钢筋的去下包络曲面中的残余横肋信号，获得锈蚀带肋钢筋的去肋表面轮廓曲面，便于更准确地描述和分析锈蚀带肋钢筋的坑蚀特征。
58、(4)本发明通过去趋势处理不仅排除了非均匀锈蚀对锈蚀坑识别的影响，还使得提取出来的锈蚀坑几何特征更加准确可靠，相较于现有的锈坑特征提取技术，本发明在区分相邻锈蚀坑和计算锈蚀坑尺寸时极大提高精确性。
59、(5)本发明提供了一种基于去包络法和频域滤波的带肋钢筋坑蚀特征提取方法，解决了带肋钢筋初始轮廓不规则的问题，能够有效识别带肋钢筋的锈蚀模式并准确提取坑蚀特征，为更好地对锈蚀钢筋混凝土进行性能评估提供技术支撑。
1.一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s1具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s3具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s4具体包括：
6.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s5具体包括：
7.根据权利要求1所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法，其特征在于，步骤s6中，所述图像分割算法包括分水岭分割法，具体包括：对所述坑蚀特征曲面p(r,θ,z)沿θ轴方向延展并进行分水岭分割处理，提取得到各个锈蚀坑，并计算各个锈蚀坑的几何特征，几何特征包括面积、长度、宽度和深度。
8.一种带肋钢筋坑蚀特征提取系统，其特征在于，具体包括：
9.一种存储介质，其特征在于，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括处理器及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种带肋钢筋坑蚀特征提取方法。
