专利名称：激光扫描的采样数据的处理方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光测量领域，具体涉及一种激光扫描采样数据的处理方法和装置。
背景技术：
激光扫描作为近年来发展起来的一种新技术，具有探测精度高、成像直观等优 点，在各类空区的精确探测上显示出独到优势。三维激光扫描仪是一种通过激光测距传 感器获取三维激光扫描仪与被测目标表面的各测量点之间的距离，进而获取被测目标的 三维空间形态的设备。三维激光扫描仪可以实现高精度无损测量，在建筑物三维建模、 矿山井下构筑物数字化、文物保护等诸多领域均具有重要应用价值。现有技术中的一种三维激光扫描过程的示意图如图1所示，扫描头的核心部件 可以做360°横向旋转，并收集距离值和扫描角度数据。扫描头每完成一次360°横向扫 描后，按照事先设置的仰角纵向转过一定角度后进行新一轮的扫描。同时，扫描头整体 可以上下移动，扫描整个空区范围的位置信息。由于实际扫描过程中受到空区粉尘污染、水汽、被扫描体表面粗糙、测量系统 误差等因素的影响，三维激光扫描仪测量得到的激光扫描数据(即点云数据)中混有 0.1%-5%的噪声，为空区形态的重构以及曲面拟合等后续处理带来困难，因此，需要对 激光扫描的采样数据进行消除噪声处理。由于空区表面的反射性，空区存在激光扫描不到的死角(比如遮挡)、激光测量 角度的限制等因素的影响，三维激光扫描仪无法测量到空区某些局部的点云数据，采集 到的激光扫描数据常含有孔洞。因此，需要对激光扫描的采样数据进行孔洞修补处理。激光扫描数据的密度取决于激光扫描间隔和扫描距离。对于狭长的空区，由于 纵向扫描角度大，扫描距离远，采集到的激光扫描数据存在明显的稀疏区域。采集数据 的距离值越大，扫描的点密度越低，则激光扫描数据越稀疏。因此，需要对激光扫描的 采样数据进行稀疏数据增补处理。现有技术中的一种对激光扫描数据进行消除噪声、孔洞修补处理的方法为采 用中值滤波方法或图像处理方法来消除激光扫描数据的噪声，采用曲面重建前、曲面重 建中和曲面重建后的修补算法来进行孔洞修补处理。曲面重建前的孔洞修补主要是提取 孔洞的缺陷区域，然后构造曲面进行孔洞区域的数据补测，最后进行曲面重建获得数据 的网格模型。在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中的对激光扫描数据进行消除 噪声、孔洞修补处理的方法至少存在如下问题采用中值滤波方法来消除噪声需要基于 数据的扫描关系，难以处理连续的噪声数据，且计算量非常大。采用图像处理方法来消 除噪声需要找到合适的投影面，在二维平面进行投影，实现的复杂度比较大。基于曲面重建对激光扫描数据进行孔洞修补，计算量较大，且没有描述孔洞边 缘的处理算法。
发明内容
本发明的实施例提供了一种三维激光扫描测量方法和装置，以实现对激光扫描 的采样数据进行有效地消除噪声、孔洞修补和稀疏数据增补处理。一种激光扫描的采样数据的处理方法，包括获取与采样节点同层的设定数量的采样节点对应的距离Range值的平均值，具 有相同纵向扫描角度θ的采样节点为同层的采样节点；当所述采样节点对应的距离Range值和所述平均值之间的差值大于设定的阈值 时，则确定所述采样节点为噪声节点，并标记为缺失节点；否则，确定所述采样节点为 正常节点。一种激光扫描的采样数据的处理装置，包括平均值计算模块，用于获取与采样节点同层的设定数量的采样节点对应的距离 Range值的平均值，具有相同纵向扫描角度θ的采样节点为同层的采样节点；缺失节点判断模块，用于当所述采样节点对应的距离Range值和所述平均值计 算模块所计算出的平均值之间的差值大于设定的阈值时，则确定所述采样节点为噪声节 点，并标记缺失节点；否则，确定所述采样节点为正常节点。由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例基于激光扫描 的采样数据的工作参数，对激光扫描的采样数据进行噪声、孔洞修补和稀疏数据增补处 理。本发明实施例能够准确、快速地确定缺失节点和稀疏区域，并对缺失节点和稀疏区 域进行有效地增补。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。图1为现有技术中的一种三维激光扫描过程的示意图；图2为本发明实施例一提供的一种对激光扫描的采样数据进行噪声、孔洞修补 和稀疏数据增补处理的方法的处理流程图；图3为本发明实施例一提供的一种当90° < β <135°时，做夹角β的角平分 线的示意图；图4为本发明实施例一提供的一种当135° < β <180°时，对夹角β三等分的 示意图；图5为本发明实施例一提供的一种当β > 200°时，做夹角β的角平分线的示 意图；图6为本发明实施例提供的一种三维激光扫描测量装置的具体结构图。
具体实施例方式为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。实施例一该实施例提供的一种对激光扫描的采样数据进行噪声、孔洞修补和稀疏数据增 补处理的方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤步骤21、将每个采样节点对应的横向扫描角度α、纵向扫描角度Θ、距离 Range值和三维空间坐标进行存储。在空区接近中心部位安装激光扫描仪，根据空区形态和大小，调整激光扫描仪 的横向扫描角度间隔及纵向扫描角度间隔，对整个空区进行扫描获取激光扫描数据，该 激光扫描数据中包括多个具有不同序号的采样节点对应的采样数据。对上述激光扫描的采样数据的采样模式进行分析，根据每个采样节点对应的横 向扫描角度α及纵向扫描角度θ确定每个采样节点的三维空间坐标，并对每个采样数据 进行位置标记，具有相同纵向扫描角度θ的采样数据标记为圆周形的一层。上述横向扫描角度α的变化范围在
之间，上述横向扫描角度α的 采样间隔为0.1° ；上述纵向扫描角度Θ的角度变化范围在[-90°，90° ]之间，上述纵 向扫描角度θ的采样间隔为4°。在实际应用中，可以根据空区的大小调节α和θ的 变化范围和采样间隔。将每个采样节点对应的横向扫描角度α、纵向扫描角度θ、距离Range值和三 维空间坐标保存在下述表1所示的采样数据信息表中。表1
权利要求
1.一种激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，包括获取与采样节点同层的设定数量的采样节点对应的距离Range值的平均值，具有相 同纵向扫描角度θ的采样节点为同层的采样节点；当所述采样节点对应的距离Range值和所述平均值之间的差值大于设定的阈值时， 则确定所述采样节点为噪声节点，并标记为缺失节点；否则，确定所述采样节点为正常 节点。
2.根据权利要求1所述的激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，所述的方法 还包括获取缺失节点的横向扫描角度α，当所述缺失节点所在层的相邻层内的所述α角度 范围内存在多个缺失节点，则记录所有的缺失节点，将位于缺失节点两端的正常节点标 记为顶点；继续检查所述顶点所在层的相邻层内的所述α角度范围的缺失节点的情况，如果存 在多个缺失的采样节点，则记录所有的缺失节点，将位于多个缺失的采样节点两端的正 常节点标记为顶点；重复执行上述处理过程，一直到在所述顶点所在层的相邻层内的所述α角度范围 的不存在缺失节点，将所有所述顶点依次用线段连接起来，所有顶点构成一个封闭的孔 洞。
3.根据权利要求2所述的激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，所述的方法 还包括获取所述孔洞的每个内角β，每个内角β为连接3个相邻顶点的两条线段之间的夹角；当所述β ≤ 90°时，不增补所述β对应的3个顶点之间的缺失节点； 当90° <所述夹角β <135°时，做所述夹角β的角平分线P1V1，线段P1V1的长度为
4.根据权利要求1所述的激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，所述的方法 还包括在缺失节点所在的层获取缺失节点的横向扫描角度α的四个相邻的α，根据所述四个相邻的α对应的四个采样节点的三维坐标进行三维加权求和计算，获取增补的采样节点的三维坐标，所述三维加权求和计算的计算方法如下
5.根据权利要求1所述的激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，所述的方法 还包括当在缺失节点所在层内存在多个缺失节点时，则计算出所述多个缺失节点的中间支 撑位的横向扫描角度a a = amin +(amax -amin )/2所述amax和αmin表示所述多个缺失节点的两端采样节点的横向扫描角度；根据所述中间支撑位的横向扫描角度α的四个相邻的α对应的四个采样节点的三维 坐标进行三维加权求和计算，获取增补的采样节点的三维坐标。
6.根据权利要求1所述的激光扫描的采样数据的处理方法，其特征在于，所述的方法 还包括按照缺失节点的横向扫描角度α，将所述缺失节点所在层的采样数据进行分段，计 算分段后的采样数据的Range均值；当所述分段后的采样数据的Range均值与相邻层的相应位置的分段后的采样数据的 Range均值之间的差值大于设定的阈值时，则确定所述缺失节点所在层和相邻层之间为稀 疏区域；在所述缺失节点所在层和相邻层之间基于相邻层相应位置的采集数据，采用加权求 和方法进行层间插值。
7.—种激光扫描的采样数据的处理装置，其特征在于，包括平均值计算模块，用于获取与采样节点同层的设定数量的采样节点对应的距离Range 值的平均值，具有相同纵向扫描角度θ的采样节点为同层的采样节点；缺失节点判断模块，用于当所述采样节点对应的距离Range值和所述平均值计算模 块所计算出的平均值之间的差值大于设定的阈值时，则确定所述采样节点为噪声节点， 并标记缺失节点；否则，确定所述采样节点为正常节点。
8.根据权利要求7所述的激光扫描的采样数据的处理装置，其特征在于，所述的处理 装置还包括第一采样节点增补模块，用于获取缺失节点的横向扫描角度α，当所述缺失节点所在层的相邻层内的所述α角度范围内存在多个缺失节点，则记录所有的缺失节点，将位 于缺失节点两端的正常节点标记为顶点；继续检查所述顶点所在层的相邻层内的所述α角度范围的缺失节点的情况，如果存 在多个缺失的采样节点，则记录所有的缺失节点，将位于多个缺失的采样节点两端的正 常节点标记为顶点；重复执行上述处理过程，一直到在所述顶点所在层的相邻层内的所述α角度范围的 不存在缺失节点，将所述顶点依次用线段连接起来，所有顶点构成一个封闭的孔洞；获取所述孔洞的每个内角β，每个内角β为连接3个相邻的顶点的两条线段之间的 夹角；当所述β 5 90°时，不增补所述β对应的3个顶点之间的缺失节点；当90° <所述夹角β <135°时，做所述夹角β的角平分线P1V1，线段P1V1的长度为
9.根据权利要求7所述的激光扫描的采样数据的处理装置，其特征在于，所述的处理 装置还包括第二采样节点增补模块，用于在缺失节点所在的层获取所述缺失节点的横向扫描角 度α的四个相邻的α，根据所述四个相邻的α对应的四个采样节点的三维坐标进行三维 加权求和计算，获取增补的采样节点的三维坐标，所述三维加权求和计算的计算方法如 下
10.根据权利要求7或8或9所述的激光扫描的采样数据的处理装置，其特征在于， 所述的处理装置还包括稀疏数据增补模块，用于按照缺失节点的横向扫描角度α，将所述缺失节点所在层 的采样数据进行分段，计算分段后的采样数据的Range均值；当所述分段后的采样数据的Range均值与相邻层的相应位置的分段后的采样数据的 Range均值之间的差值大于设定的阈值时，则确定所述缺失节点所在层和相邻层之间为稀 疏区域；在所述缺失节点所在层和相邻层之间基于相邻层相应位置的采集数据，采用加权求 和方法进行层间插值。
全文摘要
本发明的实施例提供了一种激光扫描的采样数据的处理方法和装置。该方法主要包括获取与采样节点同层的设定数量的采样节点对应的距离Range值的平均值，具有相同纵向扫描角度θ的采样节点为同层的采样节点。当所述采样节点对应的距离Range值和所述平均值之间的差值大于设定的阈值时，则确定所述采样节点为噪声节点，并标记为缺失节点；否则，确定所述采样节点为正常节点。利用本发明实施例，可以基于激光扫描的采样数据的工作参数，对激光扫描的采样数据进行噪声、孔洞修补和稀疏数据增补处理。本发明实施例能够准确、快速地确定缺失节点和稀疏区域，并对缺失节点和稀疏区域进行有效地增补。
文档编号G06F19/00GK102012964SQ20101029005
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者余乐文, 刘冠洲, 张元生, 张国英, 张达, 朱红, 杨小聪, 栗振江, 沙芸, 游江维, 王利岗, 邱波, 陈凯 申请人:北京矿冶研究总院