一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法技术

本发明专利技术公开了一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，包括：(1)划分巷道空间区域；(2)根据所划分的巷道空间区域，构造区域树拓扑结构；(3)提取巷道点云中轴线；(4)根据区域树，分别建立巷道点云与中轴线距离之间的对应关系；(5)沿中轴线根据巷道点云与中轴线距离的不同，对巷道点云进行区域分割；(6)确定待查询点所在的分割区域，快速查找待查询点。本发明专利技术可有效提高点云数据的组织管理效率，快速查找待查询点，提高了对围岩形变监测的效率与精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法
本专利技术涉及一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，具体地说是涉及三维点云数据处理、矿井监控领域。
技术介绍
煤矿井下巷道的工作环境具有高危险性，地质条件复杂，容易引发各类灾害，严重威胁到煤矿巷道安全。井下巷道在生产过程中，掘进和施工时常严重威胁巷道周围的岩层和煤炭的稳定性。这些可能受各种影响而使应力状态发生变化的岩体，即被定义为围岩。将三维激光扫描技术应用到井下巷道围岩监控中，具有数据采集精度较高、监测范围广数据采集速度快和受外界环境干扰下等优势。国家在现阶段非常重视新兴技术对煤矿安全的重要作用。为了保障煤矿的安全生产，提出了建设数字矿山的口号。所谓数字矿山，即是通过应用新兴技术，对煤矿生产的各领域进行全面数字化，通过对数据的实时分析对矿山生产进行安全监控、严格管理和提高效率。
技术实现思路
本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，可有效提高点云数据的组织管理效率，针对巷道结构复杂等特点提出了基于区域树的改进型巷道点云分块存储组织管理模式，提高了对围岩形变监测的效率与精度，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，步骤如下：(1)划分巷道空间区域，即根据对巷道和其各分支实测出的边界，将巷道所在的空间分别划分成多个封闭区域；(2)根据所划分的巷道空间区域，构造区域树拓扑结构，即通过树型结构来表达巷道边界线划分的区域，一个所述封闭区域映射一个区域树；(3)提取巷道点云中轴线；(4)根据区域树，分别建立巷道点云与中轴线距离之间的对应关系；(5)沿中轴线根据巷道点云与中轴线距离的不同，对巷道点云进行区域分割；(6)在查询巷道点云数据内的某一点时，在巷道区域树中查找出该点所在的区域对应的标签，以此标签确定其在区域树的某一节点，再在该节点内判断搜索所查询点位于哪个被分割的区域内，最后在该分割区域内搜索即可快速查找出被查询点。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，步骤(2)中，所述区域树包括节点，所述节点包括根节点和子节点，区域树的节点表示区域的内、外边界，即巷道的底板边界，区域树的根节点表示该区域的最外围边界，子节点表示区域内部的孔、岛边界。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，所述区域树节点之间的上下层次关系表示边界的包含关系，同层节点表示边界的并列关系；边界是有方向性的，并对边界方向作如下规定：区域最外围边界的走向为逆时针方向，内部孔洞边界沿顺时针方向，岛边界沿逆时针方向。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，步骤(3)中，采用将巷道点云水平面投影的边缘点进行二次曲线拟合的方法来提取巷道中轴线。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，通过二次曲线拟合提取中轴线的具体方法为：(1)将获取的巷道点云中的一个区域投影至坐标系的XOY面内，通过对投影在平面上的点云数据进行坐标变换，使巷道中轴线与X轴平行；(2)沿X轴方向将所述区域内的点云数据等间距分割成以L为间距的点云段；(3)在分割后的点云段内找出对应Y坐标值最大的点和最小的点，从而得出一系列巷道点云在XOY平面投影中的边缘点集；(4)提取出所选取的点云段的上、下边缘点，对所述的边缘点使用二次连续函数拟合成两条光滑的曲线，并对这两条曲线进行拟合，即可得出巷道的中轴线。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，所述点云数据坐标转换关系为：其中，X,Y,Z为点云数据的三维坐标，θ为坐标系之间的旋转角。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，将所选取的点云段的上、下边缘点的点集分别记为(Xi,Yi,Zi)up与(Xj,Yj,Zj)down，然后拟合出该点集的二次曲线，拟合采用随机采样一致性算法：由上式可得出拟合后的曲线：其中，x,y,z为点云数据的三维坐标。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，步骤(4)中巷道中轴线由一系列的离散点组成，设各离散点x点之间的间距为Δxmm，中轴线可表示为：其中，a1、b1、c1、a2、b2、c2分别为巷道点云中轴线的拟合参数，式中x0为该区域中轴线的起始点；在此基础上，如果能够获取巷道内任何一个点的精确三维坐标所对应的的距离值，则可以以此为基准并沿中轴线建立距离计算标准；若点p(x,y,z)距所在区域的起始点的距离为K0+0，那么便可用最近点搜索方法得出点p(x,y,z)对应于该区域点云的中轴线上某一点pi(xi,yi,zi)，其中p和pi处距离起始点的距离相同：同理，根据上式可计算出区域内任意距离处中轴线上的点的三维坐标。进一步地，根据本专利技术所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，将点云数据沿巷道中轴线进行分割，分割间隔为d，任取其中一中轴线上的点Oi+1(xi+1,yi+1,zi+1)，则过Oi和Oi+1的法平面为：其中：yi'＝2a1·xi+b1zi'＝2a2·xi+b2yi+1'＝2a1·xi+1+b1zi+1'＝2a2·xi+1+b2根据上式，即可求出距起始点距离位于K0+0到K0+d的区域内点云的点集Φi：根据上式计算出所有点的位置，即可将一个区域内的巷道点云分块存储。有益效果：本专利技术是一种基于区域树的井下巷道点云数据的组织管理方法，通过该方法可有效提高点云数据的组织管理效率，针对巷道结构复杂等特点提出了基于区域树的改进型巷道点云分块存储组织管理模式，提高了对围岩形变监测的效率与精度。附图说明图1实测巷道边界线划分区域图；图2巷道所对应的区域树图；图3里程对应图；图4是点云分割示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明和详细描述。本专利技术的方法如下：(1)如图1所示，根据对巷道和其各分支实测出的边界将其所在的空间分别划分成多个封闭区域，通过实测将图中各巷道划分为a，b，c，d四个区域。所有巷道构成一个封闭的区域，图中所标示的部分表示该封闭区域，该区域内含有3个孔洞。(2)将图1中所示区域中，a定为根节点，其余均为子节点，该图所对应的区域树如图2所示。(3)首先需要将获取的巷道点云中的一个区域投影至坐标系的XOY面内,通过对投影在平面上的点云数据进行坐标变换使隧道中轴线与X轴平行。设分割间隔长度为L，然后沿X轴方向将该区域内的点云数据等间距分割成以L为间距的点云段。在分割后的点云块内找出对应Y坐标值最大的点和最小的点，以此可以得出一系列巷道点云在XOY平面投影中的边缘点集。提取出所选取的点云段的上、下边缘点，因为这一系列边缘点为离散点故需对其使用二次连续函数将这些离散点拟合成两条光滑曲线，然后对这两条曲线进行拟合即可得出巷道的中轴线。为了得到更多的边缘点数量以提高中轴线精度，本专利技术将投影到平面上的点云沿X轴进行坐标转换。则转换前后的坐标关系可表示为：其中，θ为坐标系之间的旋转角。将所取得的两条边缘点的点集记为(Xi,Yi,Zi)up与(Xj,Yj,Zj)down，然后拟合出该点集的二次曲线，拟合采用随机采样一致性算法：由上式可得出拟合后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，所述快速查询方法步骤如下：(1)划分巷道空间区域，即根据对巷道和其各分支实测出的边界，将巷道所在的空间分别划分成多个封闭区域；(2)根据所划分的巷道空间区域，构造区域树拓扑结构，即通过树型结构来表达巷道边界线划分的区域，一个所述封闭区域映射一个区域树；(3)提取巷道点云中轴线；(4)根据区域树，分别建立巷道点云与中轴线距离之间的对应关系；(5)沿中轴线根据巷道点云与中轴线距离的不同，对巷道点云进行区域分割；(6)在查询巷道点云数据内的某一点时，在巷道区域树中查找出该点所在的区域对应的标签，以此标签确定其在区域树的某一节点，再在该节点内判断搜索所查询点位于哪个被分割的区域内，最后在该分割区域内搜索即可快速查找出被查询点。

【技术特征摘要】
1.一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，所述快速查询方法步骤如下：(1)划分巷道空间区域，即根据对巷道和其各分支实测出的边界，将巷道所在的空间分别划分成多个封闭区域；(2)根据所划分的巷道空间区域，构造区域树拓扑结构，即通过树型结构来表达巷道边界线划分的区域，一个所述封闭区域映射一个区域树；(3)提取巷道点云中轴线；(4)根据区域树，分别建立巷道点云与中轴线距离之间的对应关系；(5)沿中轴线根据巷道点云与中轴线距离的不同，对巷道点云进行区域分割；(6)在查询巷道点云数据内的某一点时，在巷道区域树中查找出该点所在的区域对应的标签，以此标签确定其在区域树的某一节点，再在该节点内判断搜索所查询点位于哪个被分割的区域内，最后在该分割区域内搜索即可快速查找出被查询点。2.根据权利要求1所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，步骤(2)中，所述区域树包括节点，所述节点包括根节点和子节点，区域树的节点表示区域的内、外边界，即巷道的底板边界，区域树的根节点表示该区域的最外围边界，子节点表示区域内部的孔、岛边界。3.根据权利要求2所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，所述区域树节点之间的上下层次关系表示边界的包含关系，同层节点表示边界的并列关系；边界是有方向性的，并对边界方向作如下规定：区域最外围边界的走向为逆时针方向，内部孔洞边界沿顺时针方向，岛边界沿逆时针方向。4.根据权利要求1所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，步骤(3)中，采用将巷道点云水平面投影的边缘点进行二次曲线拟合的方法来提取巷道中轴线。5.根据权利要求4所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，通过二次曲线拟合提取中轴线的具体方法为：(1)将获取的巷道点云中的一个区域投影至坐标系的XOY面内，通过对投影在平面上的点云数据进行坐标变换，使巷道中轴线与X轴平行；(2)沿X轴方向将所述区域内的点云数据等间距分割成以L为间距的点云段；(3)在分割后的点云段内找出对应Y坐标值最大的点和最小的点，从而得出一系列巷道点云在XOY平面投影中的边缘点集；(4)提取出所选取的点云段的上、下边缘点，对所述的边缘点使用二次连续函数拟合成两条光滑的曲线，并对这两条曲线进行拟合，即可得出巷道的中轴线。6.根据权利要求5所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，所述点云数据坐标转换关系为：其中，X,Y,Z为点云数据的三维坐标，θ为坐标系之间的旋转角。7.根据权利要求6所述的一种基于区域树的井下巷道点云数据的快速查询方法，其特征在于，将所选取的点云段的上、下边缘点的点集分别记为(Xi,Yi,Zi)up与(Xi,Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓阳，乔智，吕红杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11