一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法技术

本发明专利技术涉及一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，属于图形学和可视化技术领域，包括采集隧道三维点云，并对隧道点云数据预处理；去噪点：根据噪声的位置，分为隧道内噪声点和隧道外噪声点，隧道内噪声点根据空间分布情况又分为移动目标造成的离群点和隧道内设施造成附属物噪声点，根据已有的点排列的几何特征和隧道实际情况进行去噪点处理，隧道内噪声和隧道外噪声分别处理；补缝、补面，构面和添加地面。本发明专利技术只依赖于点云数据生成可视化模型，并且能够将点云分成了多个部分处理，可满足大量点云数据处理，效率较高。效率较高。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法


[0001]本专利技术涉及一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，属于图形学和可视化


技术介绍

[0002]隧道作为贯穿山体、河流的交通工程，是城市交通系统的重要组成部分。而隧道内部空间狭小，照明条件差等因素给隧道测量造成一定困难。三维点云激光扫描技术作为一种新型测绘技术具有无需光照、非接触测量、自动化程度高、可实现全面信息采集和作业周期短等优势，被广泛应用于隧道测量。
[0003]目前基于激光扫描大多直接对点云信息进行可视化，效果不够理想；存在的隧道三角网格模型可视化算法，也只能支持少量数据的网格生成。
[0004]在可视化的过程中，最重要的一步是去除采集的数据中车辆、行人、灯管等噪声点。现存的方法大多依赖隧道的设计情况；对于年久、图纸缺失的隧道，采用的方法复杂且效率较低。如何提供一种方法简单、效率高，且只基于点云数据的可视化模型，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，只依赖于点云数据生成可视化模型，并且能够将点云分成了多个部分处理，可满足大量点云数据处理，效率较高。
[0006]术语解释：
[0007]1、包围盒：本专利技术中是指能够完全包围住隧道的虚拟长方体。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，包括：
[0010]步骤1.采集隧道三维点云，并对隧道点云数据预处理；
[0011]首先利用三维激光扫描仪采集隧道三维点云，在采集过程中，坐标系的y轴定义为隧道走向方向，z轴垂直于地面，x轴服从右手法则；
[0012]然后对导出的点云数据进行预处理，导出点云数据时，将点云的坐标信息导出；
[0013]预处理的过程包括：
[0014]1.1、生成点云切片：将点云数据根据隧道走向进行拆分，拆分成3～5米长的点云切片；
[0015]1.2、对每一点云切片进行抽稀处理，处理时多个点云切片采用并行方式单独处理：
[0016]采用现有的栅格化重心抽稀方法对每一点云切片进行抽稀处理，栅格边长的选择取决于对最终网格的精度要求，栅格边长越小，保留的点就越多，生成的网格模型越平滑；
[0017]1.3、确定切片包围盒：取切片点云坐标的最值确定一个长方形包围盒；
[0018]步骤2.去噪点：
[0019]由于隧道情况复杂，采用三维激光扫描仪进行扫描时包括干扰物，根据噪声的位置，分为隧道内噪声点和隧道外噪声点，隧道内噪声点根据空间分布情况又分为移动目标造成的离群点和隧道内设施造成附属物噪声点，根据已有的点排列的几何特征和隧道实际情况进行去噪点处理，隧道内噪声和隧道外噪声分别处理。
[0020]优选的，去除隧道外噪声点的过程为：
[0021]对每一个点云切片，其包围盒在x轴方向的范围已知，在该方向按分米级划分成点云列(点云列优选为0.5米)，统计每列中点的数量，将较少的列进行排除删除(点数少于50的列可认为较少的列)；
[0022]在z轴方向上作同样处理，即在z方向按分米级划分成点云列(点云列宽优选为0.5m)，统计每列中点的数量，将较少的列进行删除(点数少于50的列可认为为较少的列)；
[0023]优选的，去除隧道内噪声点的过程，包括以下步骤：
[0024]a、对每个切片再次进行拆分，在xoz平面上再次拆分成若干行、列，从而形成隧道块，即点云块；
[0025]优选的，行、列的宽度均取0.5m左右，拆分成0.5m*0.5m左右的块，不宜过大，以免后续求得的拟合平面拟合程度不够；
[0026]b、采用主成分分析法(PCA)对每一隧道块进行坐标转换，寻找到拟合平面：
[0027]将步骤a处理得到的点云块中的原始三维数据按列组成3行m列的矩阵X，其中m表示点云块中的点数；
[0028]将矩阵X的每一行(代表同一个轴向上的数据)进行零均值化，即减去这一行的均值；
[0029]求出协方差矩阵其中，C为求得的协方差矩阵，m为点云块中的点数；
[0030]求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量；
[0031]将特征值向量按对应特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取其为矩阵
[0032]Y＝PX即为坐标转换后的数据；
[0033]对Y的每一行数据求平均值，得到一个坐标M；
[0034]特征向量x1,x2与坐标M确定的平面为该块的拟合平面，x3的方向与拟合平面的法向量方向共线；
[0035]划定x3方向的阈值，该阈值的选取依据步骤a中行列宽度的选取，可以选取到厘米级(优选为0.05m)；该步骤可以有效的去除离隧道壁比较近的附属物噪声点。
[0036]c、隧道的几何形状接近于半椭圆型，G和F代表相邻的两个含隧道壁的隧道块中的点，角α和β分别为G、F所在隧道块的拟合平面在xoz平面上的投影与x轴的夹角，当G与F距离很小时，角α和β大小差距很小，所以可以通过β确定α的近似值，从而得到G所在隧道块的近似拟合平面，通过在拟合平面法向量方向划定阈值，可以有效删除灯棍，车辆等离隧道壁有一定距离的离群点；
[0037]对每一隧道块进行以下操作：
[0038]取一隧道块即为O，然后找到该隧道块O的前一块包含隧道壁的隧道块(由于需要
的是包含隧道壁的隧道块，所以“前一块”可能是位于O左侧的隧道块，也可能是位于O下侧的隧道块)，即为O1，根据O1的特征向量组成的矩阵P，计算出本隧道块O1坐标转换后的矩阵Y，与步骤b的过程类似，划定x3所在直线方向的阈值。
[0039]d、由于很多隧道地面包含人行道的原因，地面与隧道之间有高度差，c步骤中的算法只适合从地面起三层以上的数据；对于靠近地面的部分，根据第三层的数据形成的拟合平面，确定这部分的数据斜率范围，从而将隧道壁与地面完全分离。
[0040]优选的，在去噪点之后进行重整数据：
[0041]依据包围盒x轴方向的大小将隧道平均分成左右两边，再将两边对z轴方向按层进行划分(优选为：在z轴方向不变，还是按照0.5m宽的层进行划分)，划分为层数据。
[0042]步骤3.补缝、补面：
[0043]3.1、补缝：相邻切片或相邻层的点云，在分界处划出5％的点为重复点集；
[0044]由于后续需要按层对点进行三角化，使得段与段、层与层之间的面均有缝隙，处理方法是将相邻切片或相邻层的点云，在分界处划出5％的点为重复点集，相邻的两部分均存在该重复点集，从而保证在构面时面是衔接的；
[0045]3.2、补面：对每一层的点云上下10％点进行统计(该值可以根据具体情况设置，不宜过小造成误差)，当该部分点数小于该层的5％，确定该层上部、下部是否存在缺失，对该层的上、下面的层进行搜索，直到搜索到非缺部分，在非缺失层加入重复点集，使得在下一步构面后，整个隧道曲面保持完整、连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，其特征在于，包括：步骤1.采集隧道三维点云，并对隧道点云数据预处理；首先利用三维激光扫描仪采集隧道三维点云，在采集过程中，坐标系的y轴定义为隧道走向方向，z轴垂直于地面，x轴服从右手法则；然后对导出的点云数据进行预处理，导出点云数据时，将点云的坐标信息导出；步骤2.去噪点：由于隧道情况复杂，采用三维激光扫描仪进行扫描时包括干扰物，根据噪声的位置，分为隧道内噪声点和隧道外噪声点，隧道内噪声点根据空间分布情况又分为移动目标造成的离群点和隧道内设施造成附属物噪声点，根据已有的点排列的几何特征和隧道实际情况进行去噪点处理，隧道内噪声和隧道外噪声分别处理；步骤3.补缝、补面；步骤4.构面；步骤5.添加地面：用四边形去构建每一个切片的地面。2.根据权利要求1所述的隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，其特征在于，步骤1中，预处理的过程包括：1.1、生成点云切片：将点云数据根据隧道走向进行拆分，拆分成3～5米长的点云切片；1.2、对每一点云切片进行抽稀处理，处理时多个点云切片采用并行方式单独处理：采用现有的栅格化重心抽稀方法对每一点云切片进行抽稀处理，栅格边长的选择取决于对最终网格的精度要求，栅格边长越小，保留的点就越多，生成的网格模型越平滑；1.3、确定切片包围盒：取切片点云坐标的最值确定一个长方形包围盒。3.根据权利要求2所述的隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，其特征在于，步骤2中，去除隧道外噪声点的过程为：对每一个点云切片，其包围盒在x轴方向的范围已知，在该方向按分米级划分成点云列，点云列为0.5米，统计每列中点的数量，将点数少于50的列进行删除；在z轴方向上作同样处理，即在z方向按分米级划分成点云列，点云列宽为0.5m，统计每列中点的数量，将点数少于50的列进行删除。4.根据权利要求3所述的隧道点云去噪和生成可视化模型的方法，其特征在于，去除隧道内噪声点的过程，包括以下步骤：a、对每个切片再次进行拆分，在xoz平面上再次拆分成若干行、列，从而形成隧道块，即点云块；b、采用主成分分析法对每一隧道块进行坐标转换，寻找到拟合平面：将步骤a处理得到的点云块中的原始三维数据按列组成3行m列的矩阵X，其中m表示点云块中的点数；将矩阵X的每一行进行零均值化，即减去这一行的均值；求出协方差矩阵其中，C为求得的协方差矩阵，m为点云块中的点数；求出协方差矩阵的特征值及对应的特征向量；
将特征值向量按对应特征值大小从上到下按行排列成矩阵，取其为矩阵Y＝PX即为坐标转换后的数据；对Y的每一行数据求平均值，得到一个坐标M；特征向量x1,x2与坐标M确定的平面为该块的拟合平面，x3的方向与拟合平面的法向量方向共线；划定x3方向的阈值，该阈值的选取依据步骤a中行列宽度的选取，选取到厘米级，优选为0.05m；c、隧道的几何形状接近于半椭圆型，G和F代表相邻的两个含隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘健，韩勃，高雪池，王凯，王剑宏，金岩，解全一，常洪雷，
申请(专利权)人：山东高速集团有限公司，
类型：发明
国别省市：