基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，包括如下步骤：在河道上架设激光雷达、采集目标区域内的点云、聚类提取河岸线点云、获取河岸线点云的二维投影点云、基于凹包算法得到河岸轮廓的点云坐标、创建水面高程表；所创建的水面高程表中，横向表头表示河道中河岸轮廓的位置，竖向表头表示相应位置处的x坐标、z坐标。本发明专利技术相比传统方法不仅能测得河岸线的水平位置，还可获取其相对高度，在此基础上进一步拟合出精确的河水水平面方程，为水文测量和船只超高预警系统提供信息支持。提供信息支持。提供信息支持。

【技术实现步骤摘要】
基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，属于河流水文测绘


技术介绍

[0002]对河岸线及河水平面高度的实时测量，可以有效的获取水文变化信息，在抗洪抢险、船只高度预警和保护桥梁等方面有着重要作用。过去对河水面高度的测量常采用人工方式进行：如人工水尺观测，为了应对较大范围的水位波动，通常会布设多把水尺组成一组，确保高低水位都能测到。还有各类水位计为主的间接观测方式，如：浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计。但这些方法测量过程都较为复杂，此外也有基于二维图像的河岸线提取方法研究，使用的边缘检测方法包括Sobel算子、Canny算子、Roberts算子、Prewitt算子等，基本原理是通过微分算子计算像素阶跃性变化，通过对灰度跃变的分析来确定图像中的边缘，最终提取出河岸水线。但图像识别容易受外界光线的影响，夜晚无法工作。河面对光线的反射也会影响对河岸线的提取。更关键的是由于维度映射，二维图像提取的河岸线没有高度信息，因此提取出的河岸线轮廓在一些场合没有实际意义。例如在船只超高预警系统中，无法为实时计算船在水平面上的高度变化提供基准。
[0003]随着近年来激光雷达的发展普及，对物体三维点云信息的获取变得越来越便捷，针对点云的研究已成为当今计算机视觉
的研究热点。激光雷达输出的三维点云相对二维图像有很多优势：它能获得精确的目标三维几何信息，能避免维度转换造成的数据丢失，受外界光照变化和成像距离影响较小等。。/>
技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，本专利技术提出一种基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度的测量方法，相比传统方法不仅能测得河岸线的水平位置，还可获取其相对高度，在此基础上进一步拟合出精确的河水水平面方程，为水文测量和船只超高预警系统提供信息支持。
[0005]为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]一种基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、在河道上架设激光雷达；
[0008]步骤二、采集目标区域内的点云：采用步骤一所架设的激光雷达采集目标区域内的点云；
[0009]步骤三、聚类提取河岸线点云：利用欧式聚类原理，将河岸线附近的点云簇提取出来，以获得河岸线点云；
[0010]步骤四、获取河岸线点云的二维投影点云：将步骤三所得到的河岸线点云一一投影到垂直于河道水面的竖直面XOZ内，从而得到对应的河岸线二维投影点云；
[0011]步骤五、基于凹包算法得到河岸轮廓的点云坐标：采用凹包算法处理河岸线的二
维投影点云，以创建河岸线的二维投影点云的凹包络线，进而得到河岸轮廓的点云坐标；
[0012]步骤六、创建水面高程表：基于步骤五得到的河岸轮廓的点云坐标，创建水面高程表；所创建的水面高程表中，横向表头表示河道中河岸轮廓的位置，竖向表头表示相应位置处的x坐标、z坐标。
[0013]优选地，步骤一中所述的在河道上架设激光雷达具体包括：在河道桥梁的中间位置架设激光雷达，并以激光雷达所在的三维空间建立XYZ三维坐标系，其中：XYZ三维坐标系的坐标原点O设置在激光雷达机身上，X向为河道水面的竖向，Y向为河道水面的横向，Z向为垂直于河道水面的方向。
[0014]优选地，步骤二在利用激光雷达采集到目标区域内的点云后，根据激光雷达输出点云的y坐标值正负，将点云分成左侧点云和右侧点云2个部分。
[0015]优选地，步骤三中，在对河岸线附近的点云簇进行聚类提取时，需要对左侧点云和右侧点云分别进行处理，从而获得对应的左、右侧河岸线点云。
[0016]优选地，步骤四中，在进行河岸线点云的二维投影时，需要将左、右侧河岸线点云分别投影到XOZ垂直平面，以得到左、右侧河岸线的三维点云在XOZ垂直平面上的二维投影点云。
[0017]优选地，步骤五中，采用凹包算法处理河岸线的二维投影点云时，需要分别针对左、右侧河岸线的二维投影点云创建凹包络线，从而得到左、右侧河岸线的点云坐标。
[0018]优选地，步骤六中，所创建的水面高程表，包括针对左侧河水面的左侧水面高程表以及针对右侧河水面的右侧水面高程表。
[0019]优选地，在完成步骤六所述的水面高程表的创建后，还包括步骤Ⅰ：船体超限预警，具体包括如下步骤：
[0020]步骤
Ⅰ‑
1：生成左、右河岸线轮廓直线方程
[0021]左河岸线轮廓直线方程满足：
[0022]A1x+B1y+C1＝0
[0023]右河岸线轮廓直线方程满足：
[0024]A2x+B2y+C2＝0
[0025]式中：A1、B1、C1为常数，通过选取步骤六所述的左侧水面高程表中河岸轮廓的四个点云坐标来拟合获得；
[0026]A2、B2、C2为常数，通过选取步骤六所述的右侧水面高程表中河岸轮廓的四个点云坐标来拟合获得；
[0027]步骤
Ⅰ‑
2：计算船体到左、右河岸线的距离d
[0028]分别计算出船体相对于左、右河岸线的距离d1、d2，以判断船体相对于左、右河岸线的邻近程度；
[0029]船体相对于左河岸线的距离d1满足：
[0030][0031]船体相对于右河岸线的距离d2满足：
[0032][0033]式中：(x0,y0)表示船体点云的质心位置；
[0034]步骤
Ⅰ‑
3：计算船体所在位置水面的高度
[0035]在计算船体所在位置水面的高度z
水
前，先根据船体相对于左、右河岸线的邻近程度来选择相应的水面高程表：当船体更靠近左侧河岸线时，计算船体所在位置水面的高度z
水
时选择左侧水面高程表，反之，则选择右侧水面高程表；
[0036]船体所在位置水面的高度z
水
通过下式计算：
[0037][0038]式中：(x1,z1)、(x2,z2)为选定的水面高程表中河岸轮廓的两个点云坐标；
[0039]步骤
Ⅰ‑
4：预测船体行驶到桥下时水位增加高度
[0040]Δh＝|
‑
h0‑
z
水
|
[0041]式中：h0表示激光雷达相对于安装位置处下方的水面的距离；
[0042]步骤
Ⅰ‑
5：超限报警判断
[0043]计算船体在桥下的预期高度h后，将预期高度h与预设的阈值进行比较，以确定是否发出警报；船体在桥下的预期高度h计算公式：
[0044]h＝Δh+z
max
[0045]式中：z
max
表示当前船体点云簇中最大的z坐标值。
[0046]优选地，在完成步骤六所述的水面高程表的创建后，还包括步骤Ⅱ，创建河水的水平面方程：
[0047]Ax+By+Cz+D＝0
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在河道上架设激光雷达；步骤二、采集目标区域内的点云：采用步骤一所架设的激光雷达采集目标区域内的点云；步骤三、聚类提取河岸线点云：利用欧式聚类原理，将河岸线附近的点云簇提取出来，以获得河岸线点云；步骤四、获取河岸线点云的二维投影点云：将步骤三所得到的河岸线点云一一投影到垂直于河道水面的竖直面XOZ内，从而得到对应的河岸线二维投影点云；步骤五、基于凹包算法得到河岸轮廓的点云坐标：采用凹包算法处理河岸线的二维投影点云，以创建河岸线的二维投影点云的凹包络线，进而得到河岸轮廓的点云坐标；步骤六、创建水面高程表：基于步骤五得到的河岸轮廓的点云坐标，创建水面高程表；所创建的水面高程表中，横向表头表示河道中河岸轮廓的位置，竖向表头表示相应位置处的x坐标、z坐标。2.根据权利要求1所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤一中所述的在河道上架设激光雷达具体包括：在河道桥梁的中间位置架设激光雷达，并以激光雷达所在的三维空间建立XYZ三维坐标系，其中：XYZ三维坐标系的坐标原点O设置在激光雷达机身上，X向为河道水面的竖向，Y向为河道水面的横向，Z向为垂直于河道水面的方向。3.根据权利要求2所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤二在利用激光雷达采集到目标区域内的点云后，根据激光雷达输出点云的y坐标值正负，将点云分成左侧点云和右侧点云2个部分。4.根据权利要求3所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤三中，在对河岸线附近的点云簇进行聚类提取时，需要对左侧点云和右侧点云分别进行处理，从而获得对应的左、右侧河岸线点云。5.根据权利要求4所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤四中，在进行河岸线点云的二维投影时，需要将左、右侧河岸线点云分别投影到XOZ垂直平面，以得到左、右侧河岸线的三维点云在XOZ垂直平面上的二维投影点云。6.根据权利要求5所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤五中，采用凹包算法处理河岸线的二维投影点云时，需要分别针对左、右侧河岸线的二维投影点云创建凹包络线，从而得到左、右侧河岸线的点云坐标。7.根据权利要求6所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，步骤六中，所创建的水面高程表，包括针对左侧河水面的左侧水面高程表以及针对右侧河水面的右侧水面高程表。8.根据权利要求1所述的基于三维激光点云的河岸线和河水平面高度测量方法，其特征在于，在完成步骤六所述的水面高程表的创建后，还包括步骤Ⅰ：船体超限预警，具体包括如下步骤：步骤
Ⅰ‑
1：生成左、右河岸线轮廓直线方程左河岸线轮廓直线方程满足：
A1x+B1y+C1＝0右河岸线轮廓直线方程满足：A2x+B2y+C2＝0式中：A1、B1、C1为常数，通过选取步骤六所述的左侧水面高程表中河岸轮廓的四个点云坐标来拟合获得；A2、B2、C2为常数，通过选取步骤六所述的右侧水面高程表中河岸轮廓的四个点云坐标来拟合获得；步骤
Ⅰ‑
2：计算船体到左、右河岸线的距离d分别计算出船体相对于左、右河岸线的距离d1、d2，以判断船体相对于左、右河岸线的邻近程度；船体相对于左河岸线的距离d1满足：船体相对于右河岸线的距离d2满足：式中：(x0,y0)表示船体点云的质心位置；步骤
Ⅰ‑
3：计算船体所在位置水面的高度在计算船体所在位置水面的高度z
水
前，先根据船体相对于左、右河岸线的邻近程度来选择相应的水面高程表：当船体更靠近左侧河岸线时，计算船体所在位置水面的高度z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄磊，陈玥，李赵春，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：