基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统，方法包括获取待测区域在不同时间段内的第一期点云数据和第二期点云数据；确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差；根据航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，并利用Z坐标改正数改正对应航带；根据改正航带后的第一期点云数据和第二期点云数据确定待测区域的地表沉降量。本发明专利技术能够提升点云数据航带间的相对精度，使其能够进行沉降量的差分计算，所得沉降监测结果更为精确。确。确。

【技术实现步骤摘要】
基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统


[0001]本专利技术公开了一种基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统，属于沉降监测


技术介绍

[0002]地表沉降监测是地质灾害防治与预警的基础工作。传统地表沉降监测受制于监测范围小、点位密度低和施测周期长等不足，对地质灾害宏观特征及时空演化过程的监测能力有限。
[0003]机载激光雷达可快速获取大区域激光点云数据，能真实反应地表的三维信息，因此，可以将其应用于地表沉降监测中。但是由于激光雷达获得点云的三维坐标总存在误差，这些误差是由多个来源引起的，如激光测距误差、传感器安装误差、位置和定位系统(POS)系统误差等，导致利用激光点云数据确定的地表沉降量不准确。
[0004]为减小点云的三维坐标误差，现有技术中通常是利用激光雷达条带调整(LSA)消除误差，但大多数最先进的LSA方法假设POS足够精确。但这只是理想状态，由于机载激光雷达飞行范围广，整体的LSA方法很难聚焦特定的研究区域，也没有考虑系统误差，使得点云坐标误差较大，其精度无法满足地表沉降监测需求。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于，提供一种基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统，以现有地表监测形变中由于点云坐标误差较大，存在的监测结果不精确的技术问题。
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种基于激光点云数据的地表沉降监测方法，包括：
[0007]步骤1、获取待测区域在不同时间段内的第一期点云数据和第二期点云数据；
[0008]步骤2、确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差；
[0009]步骤3、根据所述航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，并利用所述Z坐标改正数改正对应航带；
[0010]步骤4、根据改正航带后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据确定所述待测区域的地表沉降量。
[0011]优选地，所述步骤2具体包括：
[0012]步骤21、获取每期点云数据内相邻两个航带的重叠部分，将重叠部分内上方航带中的每个点记为P
i
，下方航带中的每个点记为P
j
；
[0013]步骤22、确定每一个P
i
与距其最近的多个P
j
构成的拟合平面之间的距离，将所述距离记为P
i
点的点云偏差值；
[0014]步骤23、根据多个P
i
点的点云偏差值和对应的X轴坐标值，确定所述航带偏差。
[0015]优选地，所述步骤23具体包括：
[0016]根据多个P
i
点的点云偏差值和对应的X轴坐标值，利用多项式拟合的方法，确定航带偏差常数；
[0017]根据所述航带偏差常数，确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差。
[0018]优选地，根据所述航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，具体包括：
[0019]根据第一公式确定每条航带的Z坐标改正数，所述第一公式为：
[0020][0021]式中，V为每条航带的偏差误差，A为系数矩阵，为每条航带的Z坐标改正数，l为航带偏差的期望值。
[0022]优选地，所述Z坐标改正数包括稳定航带的Z坐标改正数和不稳定航带的Z坐标改正数则和根据第二公式确定，所述第二公式为：
[0023][0024]式中，M＝N
22
‑
N
21
N
11
‑
N
12
，，为A1的转置，
‑
为求逆矩符号，P为权矩阵，l为航带偏差的期望值，A1和A2为系数矩阵A分解后的矩阵。
[0025]优选地，所述步骤4具体包括：
[0026]根据改正航带后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据，利用M3C2算法确定所述待测区域的地表沉降量。
[0027]优选地，在所述步骤1之后，还包括：
[0028]剔除所述第一期点云数据和所述第二期点云数据中的离群点；
[0029]利用八叉树方法分别对剔除离群点后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据进行重采样；
[0030]相应的，步骤2具体为：
[0031]确定重采样后的每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差。
[0032]优选地，在利用八叉树方法分别对剔除离群点后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据进行重采样之后，还包括：
[0033]获取重采样后所述第一期点云数据和所述第二期点云数据中点的点源ID；
[0034]根据所述点源ID分别对所述第一期点云数据和所述第二期点云数据进行航带拆分。
[0035]优选地，根据所述点源ID分别对所述第一期点云数据和所述第二期点云数据进行航带拆分之后，还包括：
[0036]利用点云地面点滤波方法分别对航带拆分后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据进行滤波，得到所述第一期点云数据中的地面点和所述第二期点云数据中的地面点；
[0037]相应的，所述步骤2具体为：
[0038]确定每期地面点中每条航带在Z坐标方向的航带偏差。
[0039]本专利技术的第二方面提供了一种基于激光点云数据的地表沉降监测系统，包括：
[0040]数据获取模块，所述数据获取模块用于获取待测区域在不同时间段内的第一期点
云数据和第二期点云数据；
[0041]偏差确定模块，所述偏差确定模块用于确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差；
[0042]航带改正模块，所述航带改正模块用于根据所述航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，并利用所述Z坐标改正数改正对应航带；
[0043]沉降确定模块，所述沉降确定模块用于根据改正航带后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据确定所述待测区域的地表沉降量。
[0044]本专利技术的基于激光点云数据的地表沉降监测方法及系统，相较于现有技术，具有如下有益效果：
[0045]本专利技术的方法及系统，可以在没有飞行质量数据的前提下，提升点云数据航带间的相对精度，使其能够进行沉降量的差分计算，所得地表沉降监测结果更为精确。
附图说明
[0046]图1为本专利技术实施例中基于激光点云数据的地表沉降监测方法的流程示意图；
[0047]图2为本专利技术实施例中基于激光点云数据的地表沉降监测系统的结构示意图；
[0048]图3为不同方法的面域差分结果对比图，其中(a)为未经过处理的点云差分结果图，(b)为ICP方法相邻航带配准的点云差分结果图，(c)为本专利技术拟稳平差得到的结果图；
[0049]图4为利用剖线a对图3进行剖线分析的结果图，其中(a)为未经过处理的点云差分结果对应的剖线图，(b)为ICP方法相邻航带配准的点云差分结果对应的剖线图，(c)为本专利技术拟稳平差得到的结果对应的剖线图；
[0050]图5为利用剖线b对图3进行剖线分析的结果图，其中(a)为未经过处理的点云本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光点云数据的地表沉降监测方法，其特征在于，包括：步骤1、获取待测区域在不同时间段内的第一期点云数据和第二期点云数据；步骤2、确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差；步骤3、根据所述航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，并利用所述Z坐标改正数改正对应航带；步骤4、根据改正航带后的所述第一期点云数据和所述第二期点云数据确定所述待测区域的地表沉降量。2.根据权利要求1所述的基于激光点云数据的地表沉降监测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤21、获取每期点云数据内相邻两个航带的重叠部分，将重叠部分内上方航带中的每个点记为P
i
，下方航带中的每个点记为P
j
；步骤22、确定每一个P
i
与距其最近的多个P
j
构成的拟合平面之间的距离，将所述距离记为P
i
点的点云偏差值；步骤23、根据多个P
i
点的点云偏差值和对应的x轴坐标值，确定所述航带偏差。3.根据权利要求2所述的基于激光点云数据的地表沉降监测方法，其特征在于，所述步骤23具体包括：根据多个P
i
点的点云偏差值和对应的x轴坐标值，利用多项式拟合的方法，确定航带偏差常数；根据所述航带偏差常数，确定每期点云数据中每条航带在Z坐标方向的航带偏差。4.根据权利要求1所述的基于激光点云数据的地表沉降监测方法，其特征在于，根据所述航带偏差，确定每条航带的Z坐标改正数，具体包括：根据第一公式确定每条航带的Z坐标改正数，所述第一公式为：式中，V为每条航带的偏差误差，A为系数矩阵，为每条航带的Z坐标改正数，l为航带偏差的期望值。5.根据权利要求4所述的基于激光点云数据的地表沉降监测方法，其特征在于，所述Z坐标改正数包括稳定航带的Z坐标改正数和不稳定航带的Z坐标改正数则和根据第二公式确定，所述第二公式为：式中，M＝N
22
‑
N
21
N
11
‑
N
12
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵超英，娄建起，李光荣，严明，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：