基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，包括以下步骤：(1)根据多墓墩的空间布局设置若干个LiDAR扫描仪的测站，使各测站获取的LiDAR点云数据能够拼接出完整的多墓墩空间范围；(2)各测站获取包含非中心墓葬边界轮廓的LiDAR点云数据；(3)在物方坐标系下，对各测站所获取的LiDAR点云数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取；(4)根据处理好的LiDAR点云数据，确定各非中心墓葬主方向线；(5)根据得到的所有主方向线，计算中心墓葬的区域位置。本发明专利技术克服了目前具有向心结构的“一墩多墓”还是基于手工量测和人工判定、无法定量化和科学化研究的局限性，可实现的多墓墩向心结构的数字定量化判断和中心墓葬区域位置的自动解算。

【技术实现步骤摘要】
基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法
本专利技术涉及一种多墓墩向心结构计算方法，特别是设计一种基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法。
技术介绍
土墩墓是江南地区周代墓葬中最为主要的一类墓葬形式，发现数量巨大，具有向心结构的“一墩多墓”是其中比较常见的现象。所谓的向心结构是指围绕整个土墩的中心，在其周围不同层面上排列多座墓葬，每座墓葬方向均大致朝向土墩的中心，中心墓葬与周围墓葬布局明确，并展示出明显的主从关系。当前考古学上对土墩墓的向心性主要是基于传统测量手段手绘的地层线和遗迹轮廓，依据目测来判定，很少有真实数据和科学方法的验证。这种方式很难准确快速的记录结构复杂的墓葬发掘现场，工作效率较低，甚至会对现场造成破坏。而且分析方式多采用从地形地貌基础上初拟遗址和墓葬分布关系，从地方志、前期文物普查等文字资料中提取有效信息。这种分析方式不够严谨科学，存在一定的局限性。再加上考古现场环境复杂，考古的不可逆性以及人为因素、自然因素等的影响，传统考古测绘和分析方法已经不能完全满足当今数字化考古的需求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，解决目前具有向心结构的“一墩多墓”还是基于手工量测和人工判定、无法定量化和科学化研究的局限性，基于获取的三维点云数据，可实现的多墓墩向心结构的数字定量化判断和中心墓葬区域位置的自动解算。技术方案：本专利技术所述的基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，包括以下步骤：(1)根据多墓墩的空间布局设置若干个LiDAR扫描仪的测站，使各测站获取的LiDAR点云数据能够拼接出完整的多墓墩空间范围；(2)各测站获取包含非中心墓葬边界轮廓的LiDAR点云数据；(3)在物方坐标系下，对各测站所获取的LiDAR点云数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取；(4)根据步骤(3)中处理好的LiDAR点云数据，确定各非中心墓葬主方向线；(5)根据步骤(4)中得到的所有主方向线，计算中心墓葬的区域位置。进一步的，所述步骤(5)中的计算方法为：(1)在所有主方向线中，依次遍历判断第i条主方向线与第j条主方向线是否构成平行关系，如果构成平行关系，则第i条主方向线、第j条主方向线和剩余的主方向线不组成三角形，其中1≤i≠j≤n，n为所有的主方向线的数量；(2)上述步骤(1)中遍历判断完成后，不组成三角形的数量总计为m，得到用于计算向心结构的三角形数为(3)计算得到各三角形相应的内切圆圆心坐标及半径；(4)将各三角形对应的个内切圆依次与除三角形三条边之外的其余主方向线进行位置判断，遍历求得各个内切圆圆心与其余每条主方向线间的距离；(5)若所得的距离大于此内切圆的半径，则不符合条件，最后筛选出满足与其余主方向线相交或相切的最小内切圆，此内切圆所在区域即为中心墓葬的区域位置。为了满足精度、完整度和效率的要求，步骤(1)中设置的测站个数为3个。进一步的，步骤(4)中确定各非中心墓葬主方向线的方法为PCA主成分分析算法。进一步的，步骤(3)中使用的物方坐标系为局部物方坐标系。有益效果：本方法能够将三维激光扫描技术应用于土墩墓考古数据采集，在获取了精确的墓葬三维点云数据的基础上，基于GIS空间数据处理方法，得出了研究墓葬空间形态的分析计算方法，能够准确找到中心墓葬的位置区域，并且避免了对墓葬进行大规模盲目挖掘，有利于保护和记录考古发掘现场，极大地提高了考古的数字化技术水平。附图说明图1是本方法的整体流程图；图2是本实施例研究区的示意图；图3是本实施例土墩墓原始点云和配准拼接示意图；图4是本实施例中心墓葬区域位置确定示意图；图5是本实施例中计算结果和中心墓葬实际位置对比图。具体实施方式由于具有向心结构的四周墓葬大致呈现同一方向，且墓主头向均大致朝中心，因此理论上，具有向心结构的所有墓葬方向线应汇聚于一点，但是，由于墓葬建造和考古发掘过程中难免存在误差，所以我们设计了如图1所示的计算方法来确定中心位置区域，包括以下步骤：(1)根据多墓墩的空间布局设置若干个LiDAR扫描仪的测站，使各测站获取的LiDAR点云数据能够拼接出完整的多墓墩空间范围。由于激光扫描仪点云数据密度较大，能满足一般考古时空分析的需要，所以对于所有水平方向扫描范围为0°至360°的扫描仪，通常设置均匀分布的3个测站就可以满足精度、完整度和效率各方面要求。(2)各测站获取包含非中心墓葬边界轮廓的LiDAR点云数据。(3)在局部物方坐标系下，对各测站所获取的LiDAR点云数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取。(4)根据步骤(3)中处理好的LiDAR点云数据，基于PCA主成分分析算法，确定各非中心墓葬主方向线。(5)在所有主方向线中，依次遍历判断第i条主方向线与第j条主方向线是否构成平行关系，如果构成平行关系，则第i条主方向线、第j条主方向线和剩余的主方向线不组成三角形，其中1≤i≠j≤n，n为所有的主方向线的数量。(6)上述步骤(5)中遍历判断完成后，不组成三角形的数量总计为m，得到用于计算向心结构的三角形数为C为排列组合中的组合数符号。(7)计算得到各三角形相应的内切圆圆心坐标及半径。(8)将各三角形对应的个内切圆依次与除三角形三条边之外的其余主方向线进行位置判断，遍历求得各个内切圆圆心与其余每条主方向线间的距离。(9)若所得的距离大于此内切圆的半径，则不符合条件，最后筛选出满足与其余主方向线相交或相切的最小内切圆，此内切圆所在区域即为中心墓葬的区域位置。如图2所示，本实施例选取位于江苏省句容市以南的天王镇农林村的寨花头土墩墓D2为例，该土墩墓墓葬及相关遗迹丰富，从墓葬规格和出土器物来看，断定年代约为春秋中期至中期之末；共发现墓葬27座、灰坑3座、器物群2个，除M22(22号墓葬)为中心墓葬外，其余墓葬均分布于土墩四周且朝向土墩中心，是座具有典型向心结构的一墩多墓式土墩墓。实际操作流程如下：(1)准备工作：如图3所示，根据土墩墓分布区域和现场情况进行激光扫描仪测站的布设，采集各测站点云数据；(2)点云数据处理：对取得的数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取；配准拼接是基于一般LiDAR点云处理软件都具备的依据相邻测站同名点的多测站坐标系转换，进行自动配准方法；去噪主要是手工操作；基于区域生长算法(Regiongrowingsegmentation)进行点云分割；最后从墓葬点云中提取平面模型，进而计算凸多边形的方法获得每个墓葬轮廓边界。(3)墓葬的主方向线提取：由于同层墓葬间高差较小，为了更好体现墓葬的方位关系，本研究中只考虑墓葬的平面坐标信息，即基于墓葬点云的(x，y)坐标集，利用PCA主成分分析算法确定墓葬主方向线，即各墓葬的主方向平面直线方程。并根据考古学中对墓葬朝向的定义，结合发掘中记录的墓主头位，确定朝向土墩墓中心的方向为主方向，代表墓葬的方向；(4)中心区域计算：根据上述算法，确定中心墓葬区域位置。本实施例样本数据中12条主方向线没有平行线，每三条主方向线组成一个三角形，共得到个三角形，最后遍历计算、判断后得到中心的内切圆。如图4所示，直线为主方向线，圆圈为最小共同区域，即中心墓葬区域位置。如图5所示，通过实际位置验证本方法的效果。目标内切圆半径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)根据多墓墩的空间布局设置若干个LiDAR扫描仪的测站，使各测站获取的LiDAR点云数据能够拼接出完整的多墓墩空间范围；(2)各测站获取包含非中心墓葬边界轮廓的LiDAR点云数据；(3)在物方坐标系下，对各测站所获取的LiDAR点云数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取；(4)根据步骤(3)中处理好的LiDAR点云数据，确定各非中心墓葬主方向线；(5)根据步骤(4)中得到的所有主方向线，计算中心墓葬的区域位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)根据多墓墩的空间布局设置若干个LiDAR扫描仪的测站，使各测站获取的LiDAR点云数据能够拼接出完整的多墓墩空间范围；(2)各测站获取包含非中心墓葬边界轮廓的LiDAR点云数据；(3)在物方坐标系下，对各测站所获取的LiDAR点云数据进行配准拼接、去噪、分割和边界轮廓提取；(4)根据步骤(3)中处理好的LiDAR点云数据，确定各非中心墓葬主方向线；(5)根据步骤(4)中得到的所有主方向线，计算中心墓葬的区域位置。2.根据权利要求1所述的基于LiDAR点云数据的多墓墩向心结构计算方法，其特征在于所述步骤(5)中的计算方法为：(1)在所有主方向线中，依次遍历判断第i条主方向线与第j条主方向线是否构成平行关系，如果构成平行关系，则第i条主方向线、第j条主方向线和剩余的主方向线不组成三角形，其中1≤i≠j≤n，n为所有的主方向线的数量...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨林，沈姜威，
申请(专利权)人：南京泛在地理信息产业研究院有限公司，南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32