基于地面激光点云的地物轮廓提取方法技术

本发明专利技术提供的基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，将突破了传统单点测量方式的、基于面的空间测量引入城市测量应用中，提高城市测量效率。作为城市最主要的空间实体，地物特别是建筑物的三维信息是城市重要的基础地理信息，具有重要的应用价值，整个扫描过程数据采集效率高，无需专门布设地面控制点，扫描测量受外界环境影响小，测量精度高，不仅提高了建筑物空间数据获取的自动化程度，而且扫描的点云可详细表达建筑物真实的三维信息以及细部结构，利用点云数据获取准确的轮廓信息，重构建筑物的三维模型，具有交互性能强、智能化程度高、可扩展性高、提取速度快、轮廓提取精度高等优势。

【技术实现步骤摘要】
基于地面激光点云的地物轮廓提取方法
本专利技术涉及一种点云的地物轮廓提取方法，特别涉及一种基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，属于地物轮廓提取

技术介绍
随着社会进步和科技发展，人们对自身生活环境的认知需要更精确的描述和场景重构，将感兴趣的空间信息数字化并建立数据库，来对现实世界的规划管理及其他方面提供服务，这种需求的增长正与测绘行业的发展相辅相承，测绘经过几十年的发展，由传统测绘发展到数字测绘，再到信息化测绘，测绘目标不再仅仅局限于地理数据，而是各种各样的专题和空间数据，测绘产品也不仅仅是地图数据，而是各种综合数据库及基于这些数据的服务。近些年来，测绘与移动互联网的结合越来越紧密，无论是在数据采集、数据管理还是产品发布以及应用方面，变得更加信息化、智能化。城市信息化是一种趋势化的浪潮，城市的三维重构需要以海量空间数据为基础，这些数据在地域上需要覆盖整个城市，而且要考虑重点的地物要素与细节，数据获取不仅要满足高精度、高效率的要求，还需要考虑数据的时效性。传统的数据获取主要依靠人工地面测绘，效率低下且数据包含的信息不全面；后来摄影测量成为城市三维空间数据获取的主要手段，它虽然提高了作业效率，但数据采集受到天气以及环境的严重制约，后期的内业处理和成图任务也非常繁重。三维激光扫描是一种全自动、高精度的立体数据采集技术，通过非接触测量的方式，快速采集大型场景或者实体目标的三维空间坐标和数据，并经后期的数据处理重构其三维模型。三维激光扫描在重构城市地物尤其是建筑物方面有独特的优势，是建立智慧城市的重要技术。但三维激光扫描所获取的点云数据量极为庞大且掺杂着其他冗余信息，如何快速的从这些庞大的数据中去除噪声，提取建筑轮廓并快速建立相应的三维模型，具有非常重要的研究价值和广阔的应用空间。伴随数字城市和智慧城市战略的兴起，快速获取城市各种地理要素的空间数据并建立三维模型，已成为眼下迫切的需求，地物特别是建筑物是城市最主要的要素之一，现有技术的地物轮廓提取主要存在以下缺陷需要改进：第一，传统测绘以经纬仪、水准仪、全站仪等测量手段为主，测量模式为基于单个点的测量，其特点为操作简单、成本低，后期数据处理较快，成果直观，但需消耗人力较多，自动化程度低；后来的智能全站仪、摄影测量等新仪器和技术的出现，弥补了传统测绘自动化程度低的缺点，提高了作业效率，但仍是基于单点数据的采集，得到的是离散数据，且对作业中控制点的精度要求很高；而地面三维激光扫描技术与这些传统的测量技术相比，有许多优势：一是数据的采样率高，三维激光扫描仪突破了传统的单点测量模式，运用激光脉冲测量，能在短时间内获取目标物海量的空间数据信息，大幅提高了作业效率；二是数据采集的精度高，传统的摄影测量所测得点的坐标要根据像控点的坐标通过转换得到，根据摄影测量结果建立的模型，其精度受到像控点精度和坐标变换的制约，而三维激光扫描仪的测量精度不仅本身高于摄影测量中的解析点，而且其数据精度均匀分布；三是自动化程度高，三维激光扫描仪采用非接触式测量，在进行数据采集时并不需要接触目标物体，避免到达那些不容易达到的物体或者区域，而能够实时自动获取被测物体表面三维点云数据，不受时间与空间的限制。四是对外界环境要求低，三维激光扫描仪本身稳定性好，不需要预设专门的测量靶标和标志，不管在白天还是夜间，都能在复杂场景和空间中完成对目标物体的快速精准的格网式扫描测量，应用范围广泛；五是能结合多源传感器采集数据，不仅得到目标物表面的点位坐标，还可以采集相应的纹理以及色彩信息，使扫描系统获取被测物体更全面的信息，建模结果更加精细且与真实接近，提高了三维激光扫描在工程中的应用价值，但三维激光扫描运用到地物轮廓提取上还存在明显需要改进的地方；第二，将激光点云这种突破了传统单点测量方式的、基于面的空间测量引入城市测量应用中，会在很大程度上提高城市测量效率，为实现智慧城市提供新的测量手段和技术方法，作为城市最主要的空间实体，地物特别是建筑物的三维信息是城市重要的基础地理信息，具有重要的应用价值，人们普遍寻求智能、自动化和高效的城市管理方法以及服务，城市建筑物准确的三维空间信息正是实现这些目标的数据基础。传统的单点测量法采集数据的效率低，劳动强度大，难以反映建筑物的三维信息，不满足高效率的要求；而摄影测量和遥感法通过卫星以及航空图像的方法提取建筑物轮廓，前期地面控制点的布设复杂且任务繁重，数据处理时特征提取、特征匹配过程计算量大、内业耗时长且自动化程度低，结果也无法反映真实的三维信息，不能满足现代化测绘的要求；第三，现有技术要构建一个通用可行的地物轮廓提取却异常艰难和复杂，早期一般都是基于单个点的测量，因提取规则都是基于手工建立的，需要花费大量的时间和资源，而且容易产生错误，导致可移植能力较差；现有技术重点放在单点数据的采集上，地面激光点云的地物轮廓提取技术不成熟，不能够满足行业需求，同时地面激光点云存在交互性能弱、智能化程度低、可扩展性低、提取速度慢、地物轮廓提取精度低等缺陷。
技术实现思路
本专利技术提供的基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，突破了传统单点测量方式的、基于面的空间测量引入城市测量应用中，提高城市测量效率，为实现智慧城市提供新的测量手段和技术方法。作为城市最主要的空间实体，地物特别是建筑物的三维信息是城市重要的基础地理信息，具有重要的应用价值，整个扫描过程数据采集效率高，无需专门布设地面控制点，扫描测量受外界环境影响小，测量精度高，不仅提高了建筑物空间数据获取的自动化程度，而且扫描的点云可详细表达建筑物真实的三维信息以及细部结构，将三维激光扫描技术应用到地物测量，利用点云数据获取准确的轮廓信息，重构建筑物的三维模型，有重要的研发价值和广阔的市场运用空间，具有交互性能强、智能化程度高、可扩展性高、提取速度快、轮廓提取精度高等优势。为达到以上技术效果，本专利技术所采用的技术方案如下：基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，基于地面固定式和移动式三维扫描方式，结合扫描数据特点和地物的几何特征，提出不同的轮廓提取方法以及应用，主要包括：一是提出用不同的方法进行地物轮廓提取的方案，地面固定式扫描在数据采集过程中，精扫时框选了扫描范围，扫描的点云除极少数噪声或者遮挡外，全部是地物表面上的点，采用基于随机抽样一致法的平面分割方法快速得到地物的各个立面的点云及立面的解析方程，并利用面面求交的方法，得到地物的轮廓；地面移动式扫描采集的点云数据包含其他多种类型的地物，提出利用平面投影法，将空间三维点云投影到XY平面，利用地物立面的投影点密度显著偏大的特点，得到立面的投影点并拟合得到直线，为地物的几何位置边界，边界的端点即为轮廓线的位置；二是基于地物轮廓提取得到的特征点以及特征线，提出利用地物轮廓线快速建立简单模型的方法，利用提取的特征点和特征线，结合地物各个立面的空间拓扑关系，重构出地物的几何模型框架，地物的高度通过搜索z轴的最大值以及地面高程作差得到，纹理数据通过CCD相机采集而经后处理得到，将处理得到的纹理数据粘贴到地物几何模型框架的立面上，得到地物的简单三维模型；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，其特征在于，基于地面固定式和移动式三维扫描方式，结合扫描数据特点和地物的几何特征，提出不同的轮廓提取方法以及应用，主要包括：/n一是提出用不同的方法进行地物轮廓提取的方案，地面固定式扫描在数据采集过程中，精扫时框选了扫描范围，扫描的点云除极少数噪声或者遮挡外，全部是地物表面上的点，采用基于随机抽样一致法的平面分割方法快速得到地物的各个立面的点云及立面的解析方程，并利用面面求交的方法，得到地物的轮廓；地面移动式扫描采集的点云数据包含其他多种类型的地物，提出利用平面投影法，将空间三维点云投影到XY平面，利用地物立面的投影点密度显著偏大的特点，得到立面的投影点并拟合得到直线，为地物的几何位置边界，边界的端点即为轮廓线的位置；/n二是基于地物轮廓提取得到的特征点以及特征线，提出利用地物轮廓线快速建立简单模型的方法，利用提取的特征点和特征线，结合地物各个立面的空间拓扑关系，重构出地物的几何模型框架，地物的高度通过搜索z轴的最大值以及地面高程作差得到，纹理数据通过CCD相机采集而经后处理得到，将处理得到的纹理数据粘贴到地物几何模型框架的立面上，得到地物的简单三维模型；/n三是提出利用点云投影密度进行点云数据粗差的去除及地物粗分类的应用，将投影点密度按照地物的特征划分为不同的区间，然后将不同密度的点云进行分类，密度小的点云是地面上的点和一些离散的噪声点，作为数据中的粗差去除，密度大的点分布在地物的立面上，进行平面分割或者平面投影提取地物的轮廓线；通过点云投影密度进行分类得到的地物立面点云，其提取的建筑物的轮廓与直接通过平面投影提取到的轮廓线差异很小，分类后投影密度大的点都是地物表面上的点，利用点云投影密度进行粗差去除以及地物粗分类可靠，利用点云投影密度法为平面分割以及平面投影提取地物轮廓作数据准备。/n...

【技术特征摘要】
1.基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，其特征在于，基于地面固定式和移动式三维扫描方式，结合扫描数据特点和地物的几何特征，提出不同的轮廓提取方法以及应用，主要包括：
一是提出用不同的方法进行地物轮廓提取的方案，地面固定式扫描在数据采集过程中，精扫时框选了扫描范围，扫描的点云除极少数噪声或者遮挡外，全部是地物表面上的点，采用基于随机抽样一致法的平面分割方法快速得到地物的各个立面的点云及立面的解析方程，并利用面面求交的方法，得到地物的轮廓；地面移动式扫描采集的点云数据包含其他多种类型的地物，提出利用平面投影法，将空间三维点云投影到XY平面，利用地物立面的投影点密度显著偏大的特点，得到立面的投影点并拟合得到直线，为地物的几何位置边界，边界的端点即为轮廓线的位置；
二是基于地物轮廓提取得到的特征点以及特征线，提出利用地物轮廓线快速建立简单模型的方法，利用提取的特征点和特征线，结合地物各个立面的空间拓扑关系，重构出地物的几何模型框架，地物的高度通过搜索z轴的最大值以及地面高程作差得到，纹理数据通过CCD相机采集而经后处理得到，将处理得到的纹理数据粘贴到地物几何模型框架的立面上，得到地物的简单三维模型；
三是提出利用点云投影密度进行点云数据粗差的去除及地物粗分类的应用，将投影点密度按照地物的特征划分为不同的区间，然后将不同密度的点云进行分类，密度小的点云是地面上的点和一些离散的噪声点，作为数据中的粗差去除，密度大的点分布在地物的立面上，进行平面分割或者平面投影提取地物的轮廓线；通过点云投影密度进行分类得到的地物立面点云，其提取的建筑物的轮廓与直接通过平面投影提取到的轮廓线差异很小，分类后投影密度大的点都是地物表面上的点，利用点云投影密度进行粗差去除以及地物粗分类可靠，利用点云投影密度法为平面分割以及平面投影提取地物轮廓作数据准备。


2.根据权利要求1所述的基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，其特征在于，本发明地物的形体特征描述为三部分：几何位置边界、立面结构、屋顶结构；几何位置边界是地物平面位置和占地面积、形状的综合表现形式；立面结构涵盖人们视觉能捕获到的地物要素，主要包括门、窗、阳台灯；地面三维激光扫描难以获取完整的屋顶结构；本发明常见地物的重要要素用语义描述为：
一是几何位置边界，几何位置边界为墙面与地面的交线，交线的端点即为墙角点，几何位置边界所构成的平面线框为几何对称和规则的四边形或多边形；
二是立面，立面为地物墙面所在的空间位置，立面与水平面垂直，其法向量与Z轴垂直，立面与立面之间垂直相交，其交线为地物的立面轮廓线，轮廓线与地面相交的端点为墙角点；
三是窗户，窗户是立面上最重要的特征要素，窗户和墙面不在同一个平面内，和墙面所在平面有深度差异，但在实际分割中难以区分这种较小的深度差异，将窗户归类到墙面所在的平面内，窗户的面积比墙面小且不与地物边缘相交；
四是阳台，阳台是墙面的附属结构，能扫描到的阳台包含正面、底面及两个侧面，它们与墙面的深度差异与窗户相比较明显，可以区分；阳台的正面比墙面深度浅且地面与墙面垂直相交，即法向量在Z轴方向，侧面的面积较小且同样与墙面所在立面垂直；阳台整体包含在墙面所在范围内，底面高出地面且正面与侧面的顶点不超出屋顶与墙面的交线；
五是门，门表现为门洞形式，门洞与窗户类似，其与墙面的深度差异难以区分，将门洞归到墙面所在的立面中，门洞的底部与地面相交；
六是屋顶，屋顶的空间位置为地物的最高处且与地物的各立面相交，其交线为水平线，平面屋顶与水平面平行；前后斜顶分为前后两个相交的倾斜平面，其交线在地物的中线上，两个倾斜平面关于交线空间对称，即前后两个倾斜屋顶平面的倾角和面积相等。


3.根据权利要求1所述的基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，其特征在于，地物形体特征分析为：
一是地物中点的特征，以点的三维坐标的形式表现，对这些特征点进行描述必须获取特征点的三维坐标，如果能计算出特征点的三维坐标，就能确定特征点的空间位置，即地物的空间位置，对地物特征点的提取是求取该点三维坐标的过程；三维激光扫描获取的是地物表面点的三维坐标，特征点与地物表面众多其他点混杂在一起，凭借单一手段难以快速找到特征点；地物的形体特征点多数为实点，少部分为虚点，虚点隐藏或者依赖特定的结构存在；三维激光扫描的X方向是起始扫描方向，它是任意方向且不能照准某个特定点，不论实点还是虚点都不能通过直接测量获取，必须通过数学和几何的方法获取；获取特征点根据地物中的点、线、面之间的拓扑关系求得，地物的特征点是特征线的交点，特征线与面的交点，不同面之间的交点；实点根据以上方法，通过求取特征线或者面的交点求得，虚点通过拟合某些面或者规则几何形状，通过解析几何的方式求得；
二是地物中线的特征，分为直线和曲线，但多以直线为主，很少出现自由曲线；地物中线的特征包括线在空间中的位置、线行及线的长度，描述线的特征必须求出线在空间坐标系中的解析方程；三维空间中解析方程能描述线的所有特征，而线的端点即为特征点，如果求出特征点的位置则限定了特征线的变量区间，线的长度也可以相应的求出；在边缘处的特征线即轮廓线，突出的轮廓线是直线且Z轴方向相同或者相反；同特征点的求法相同，特征线通过地物中线、面的拓扑关系求得，通过求面与面的相交线得到；特征线通过拟合的方法求得，利用三维激光扫描得到的散点数据提取边缘点，将边缘点拟合成特征线求得解析方程；隐藏在结构中的虚线不能通过测量直接得到，必须通过解析几何的方式求得，根据扫描的点云数据拟合该地物实体求得解析几何方程，算出对应的特征虚线的轴线方程；
三是地物中面的特征，主要包括平面和简单曲面，描述地物中面的特征包括空间位置、法线方向、形状、面积，对这些特征的描述是求这个特征面的解析方程；三维激光扫描以得到的是地物表面的点云坐标，三维激光扫描有采样间隔，得到的一个面上的点有限，求面的解析方程是拟合出这个面，将具有共同几何特征的点归类到一个最佳平面上并求得这个平面的参数方程，规则的曲面通过简单的二次曲面方程拟合。


4.根据权利要求1所述的基于地面激光点云的地物轮廓提取方法，其特征在于，地物轮廓线为地物墙面所在的立面之间的相交线，地物的各个立面中不存在曲面，只由平面或者近似平面结构组成，它的轮廓线无法通过扫描直接测得，必须对扫描所得到的点云数据进行分析处理，利用特征提取的方法和地物中点、线、面的拓扑关系求取轮廓线；
本发明提出两种思路：第一种方法是在去噪环节，提出一种能去除窗户透射产生的噪声的去噪方法，这样平面分割得到的虚假立面少；第二种方法是根据分割时提取的立面上的点总数进行区分，一般虚假立面上的点总是很少，而真实立面上的点的总数则很多，二者不在一个数量级；本发明选用平面上点最多的两个立面进行分析，利用随机抽样一致法分割地物平面，随机抽样一致法分割地物平面时，每次能分割出地物中内点最多的面并将这些内点从初始点云数据中分离，分离后的点再作为下一次分割后的初始数据，对于分离出的内点，利用最小拟合法得到最佳平面的参数方程。


5...

【专利技术属性】
技术研发人员：扆亮海，何克慧，
申请(专利权)人：扆亮海，
类型：发明
国别省市：浙江;33