基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法

基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，包括以下步骤：①通过球面投影，将无规律的实测扫描点云转换为一圈一圈的球面投影点云，对球面投影点云进行插值，修复原有的空间拓扑关系，并同步对实测扫描点云进行插值。②由球面上圈上的点和中心旋转轴生成旋转面，搜素邻圈距离旋转面最近的点，构建最优格网。③采用中间位置判断法对最优格网进行三角剖分，并同步对采空区原位点云进行三角剖分，获得采空区的三角网格模型。本发明方法效率高、准确性高。
【专利说明】基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法。

【背景技术】
[0002]地下金属矿山开采形成的采空区【采空区是指矿山开采形成的空区】往往致使矿山开采条件恶化，相邻作业区采场和巷道维护困难，甚至引发井下大面积冒落、岩移、地表塌陷等灾害，对矿山安全生产构成严重威胁。目前，国内外采空区的探测技术主要有工程钻探、地球物理勘探、激光扫描探测等技术，在准确获取采空区三维形态方面，激光扫描探测技术具有一定的优势，其探测的点云数据【点云是指在获取物体表面每个采样点的空间坐标后得到的点的集合，称之为“点云”。点云(Point Cloud)是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。根据激光测量原理得到的点云，包括三维坐标(XYZ)。】可建立采空区三角网实体模型【三角网实体模型是指由三角形组成的网格面片用于模拟实体的三维形态的实体模型】，三角网实体模型可用于采矿设计、采场回采指标计算、数值模拟分析、可视化安全监管等方面。应用较广泛的空区激光扫描探测设备有加拿大的空区监测系统CMS和英国的空区自动扫描激光系统C-ALS。
[0003]借助激光扫描探测设备对采空区进行探测，其工作原理如下:通过连接杆将激光扫描头伸入空区，探测时扫描头360°旋转并通过激光连续测量采空区边界点信息，每扫描完一圈后扫描头将自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作，CMS探测原理如图1所示。
[0004]理想的空区激光探测数据为非常规律的有序点云，点与点之间夹角是一定的，一圈接一圈排列。而实际探测时由于采空区水汽大、粉尘多、有积水、局部障碍物等不利因素影响，导致点云信息可能产生噪声点或局部数据丢失等情况，破坏了扫描点云的应有的拓扑规律，这对于有序点云三角剖分产生非常不利的影响【点云三角剖分是指按照一定的规则以点云为顶点，构建一系列三角形，所有三角形不重叠、不交叉、无缝隙地组成一个三角网曲面。】。
[0005]现有的对于采空区有序点云进行三角剖分的算法，有基于格网的三角剖分方法、最大张角三角剖分方法。基于格网的三角剖分方法的思路是先将圈与圈之间的点按照顺序先连成四方形格网，然后将每个网格分为两个三角形网格，其方法示意图如图2所示。最大张角三角剖分方法是参照圈与圈之间的连线(新三角形两个顶点)，依据最大张角原则选择两圈中张角较大的邻点，作为新三角形的第三顶点，不断更新最终完成全部三角剖分，其方法示意图如图3所示。
[0006]考虑了点云有序拓扑关系的基于格网的三角剖分方法和最大张角三角剖分方法，在激光探测点云数据较为完整、空间拓扑关系保存完好的情况下，能够构建较好三角网格模型。但在实际情况下，当点云数据发生缺失、空间拓扑关系被破坏时，构建的三角网模型就会出现局部狭长三角形或者模型局部变形。
[0007]如果不考虑点云的规律性，即作为散乱点云进行研究，目前可参考的主要方法有三维Delaunay三角剖分方法、阵面(前沿)推进法(Advancing Front Method)和八叉树(Octree)法等。上述方法对于复杂形态的采空区激光扫描点云进行三角剖分方面的研究应用很少，由于没有考虑激光扫描点云已有的拓扑规律，算法复杂度高，效率低，效果尚未验证；对复杂形态的采空区的适用性不强，目前尚未有一种非常有效的针对采空区边界散乱点云精确建模方法。


【发明内容】

[0008]本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，充分利用采空区激光扫描点云的空间拓扑规律，比散乱点云三角剖分效率高；同时对不利环境因素影响导致获取不完整和拓扑关系破坏的扫描点云数据，采用拓扑规律修复和三角剖分的方法，比已有的有序点云三角剖分方法准确性高。
[0009]本发明的技术方案为:
[0010]一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，
[0011]使用激光扫描探测设备对采空区进行探测，通过连接杆将激光扫描头伸入采空区，扫描头360°旋转并通过激光连续探测采空区边界点信息，扫描头扫描一圈得到的点依次相连，形成一个扫面圈；扫描完一圈后扫描头自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作；最终得到Y个扫描圈；
[0012]然后按以下步骤进行激光扫描点云三角剖分:
[0013]步骤一:设定投影球面，计算得到投影点云数据:将扫描头位置设定为球面的球心，球面的半径设定为采场设计长度的0.5?2倍；通过球面投影方法把扫描圈上的点投影到球面上，形成与Y个扫描圈对应的Y个投影圈，依次记为Q1圈，Q2圈，…，Qy圈，…，Qy圈；其中y为投影圈序号；
[0014]步骤二:进行插值处理:
[0015]依次判断各个投影圈上是否存在点缺失，方法为:如果某个投影圈上的点为一系列等间距的点，则不存在点数据缺失，不进行插值处理；如果投影圈上局部的相邻两点之间距离大于该圈点间平均距离的1.5倍，则认为距离过大，则说明存在点缺失，需要进行插值处理；对所有的投影圈和该投影圈对应的扫描圈进行插值；
[0016]步骤三:基于旋转面提取最优格网:
[0017]以投影球面上所有投影圈的中心点连线为旋转轴，依次从Qy圈中按照顺序提取点Qy, i与旋转轴组成平面【所谓旋转面是指，由于圈中点排序为顺时针或逆时针，所以从圈中按照顺序提取点与旋转轴组成平面平面是不断往前推动旋转的，故定义为旋转面。旋转面示意如图7所示。】,搜索邻圈Qy+1圈上距离此平面最近的点?’从Qy圈中提取点Qy,i+1与旋转轴组成平面，搜索邻圈Qy+1圈上距离此平面最近的点，则点Qy,1、点Qy,i+1和在邻圈Qy+1圈上搜索到的分别距两个相邻平面最近的点组成的闭合圈，近似为一个格网，定义为最优格网；
[0018]其中Q的下标y为投影圈的序号，y = [I, Y] ;i为投影圈上的点的序号，i = [I,
I]，I为投影圈上的点数；
[0019]令y的初始值为1，i的初始值为I，依次搜索提取出球面上所有的最优格网；
[0020]步骤四:基于最优格网进行球面上投影圈的三角剖分:
[0021]设在邻圈Qy+1圈上搜索到的分别距两个相邻平面两个最近的点为点Qy+1,n和点Qy+1,m ；
[0022]若Qy+1, n和Qy+1, m为Qy+1圈上相邻的两个点，则(Qy+1, n，Qy+1, m，Qy,)构成一个三角形，(Qy+1,m，Qy, i，Qy,i+i)构成一个三角形；
[0023]若Qy+1,jP Qy+1,m 为 Qy+1 圈上的同一个点，则(Qy, i; Qy,i+1，Qy+1,n)构成一个三角形；
[0024]若0”1,11和Qy+1,m为Qy+1圈上两个不相邻点的两个点，则采用中间位置判断法对最优格网进行三角剖分，具体地:
[0025]取P为(n+m)/2的值的整数部分，点Qy+1,p即为点Qy+1,n和点Qy+1,m的中间位置点；对于点Qy+1,x，当η彡x〈p时，(Q


y+1，X，Qy+1, x+1，Qy, i )组成三角形；当 X = P 时，(Qy,i，Qy,i+1，Qy+i,x)组成三角形；当P〈x < m时，(Qnhx, Qy+1,
x-1 , Qy, i+1 )组成三角形；其中下标n、m、p、x为Qy+1
圈上的点 Qy+1,n，Qy+l,m? Qy+1, X? Qy+1, p 的序号；
[0026]按这种方法，生成球面投影点云的三角网格模型；
[0027]步骤五:根据投影点云和实测扫描点云的投影对应关系，对应生成实测扫描点云二角网格模型。
[0028]进一步地，在所述步骤二中，对所有的投影圈和该投影圈对应的扫描圈按以下方法进行插值:
[0029](I)计算投影圈上相邻两点之间的距离，如果距离大于该圈点间平均距离的1.5倍则认为存在点缺失，需要插入新点Pn ;
[0030](2)计算投影圈上相邻两点之间的距离，若某投影圈上，相邻两点己和己之间的距离大于该圈点间平均距离的1.5倍，则在线段P2P3上距点P2的距离为Cl1处插入点Pn，其中Cl1为该圈点间平均距离，根据线性比例在该投影圈对应的扫描圈上，与线段P2P3对应的线段A2A3上插入新点An，插入点An的位置满足线性比例关系Cl1:d2 = d3:d4，其中d2为线段PnP3的长度，d3为线段A2An的长度，d4为线段AnA3的长度；
[0031]进一步地，扫描头扫描一圈得到320— 340个点；扫描完一圈后扫描头自动抬高预设角度5度；直至扫描头抬高到140度完成全部的探测工作【即扫描头的倾角范围为0° —140。】。
[0032]有益效果:
[0033]本发明基于旋转面采空区激光扫描有序点云三角剖分方法，该方法首先通过基于球面投影的有序点插值方法进行插值后，复原扫描点云规则的空间拓扑规律，然后以球面上扫描圈的中心点连线为旋转轴，依次从一圈中提取点生成旋转面，以旋转平面为基准在下一圈搜索能够生成最优格网的点，在最优格网基础上完成三角剖分。本发明从实际工程应用出发，在充分理解和应用采空区激光扫描点云数据空间拓扑关系基础上，考虑由于不利环境因素影响导致的扫描点云数据不完整和拓扑关系破坏情况，提出了一套有效的解决方法。
[0034]本发明一方面针对类似空区激光探测技术获取的点云数据进行基于球面投影的有序点插值，以修复有序点云空间拓扑关系，使其还原应有的拓扑规律，该方法较为实用，实现起来相对容易；充分利用采空区激光扫描点云的空间拓扑关系，确保了三角剖分的效率。同时通过球面投影插值修复拓扑关系、结合旋转轴和旋转面搜索生成最优格网，在此基础上完成三角剖分，确保了构建的三角网模型的准确性。
[0035]针对有序点云，提出了一种全新的基于旋转面搜索方法，以获取最优格网；研究了基于旋转面的格网三角剖分方法，能够很好实现对采空区激光探测点云三角剖分，通过基于球面投影的有序点插值，弥补了由于环境影响因素(粉尘、水汽、积水等)导致的局部点数据缺失，较基于格网三角剖分方法和最大张角三角剖分方法有更好的表现。

【专利附图】

【附图说明】
[0036]图1采空区激光扫描探测原理图；
[0037]图2为现有技术中基于格网的三角剖分算法示意图；
[0038]图3为现有技术中最大张角三角剖分算法示意图；
[0039]图4为本发明方法流程图；
[0040]图5为本发明球面投影示意图；
[0041]图6为本发明扫描圈和投影圆等比插值原理图；
[0042]图7为本发明旋转面示意图；
[0043]图8为本发明最优格网不意图；
[0044]图9为本发明最优格网的特殊情况；
[0045]图10为本发明最优格网三角剖分方法；
[0046]图11基于旋转面的格网三角剖分算法效果分析，其中11(a)为基于格网三角剖分11(b),为基于最大张角的三角剖分11 (C)，为基于本发明方法的三角剖分。

【具体实施方式】
[0047]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步具体说明。
[0048]本发明实现步骤如下，方法流程图见图4:
[0049]使用激光扫描探测设备对采空区进行探测，通过连接杆将激光扫描头伸入空区，探测时扫描头360°旋转并通过激光连续测量采空区边界点信息，每扫描完一圈后扫描头将自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作。
[0050]①通过球面投影，将规律不明显的原位点云转换为一圈一圈的球面点云，对球面点云进行插值，修复原有的空间拓扑关系，并同步对原位点云进行插值。
[0051]②由球面上圈上的点和中心旋转轴生成旋转面，搜素邻圈距离旋转面最近的点，构建最优格网。
[0052]③采用中间位置判断法对最优格网进行三角剖分，并同步对采空区原位点云进行三角剖分，获得采空区的三角网格模型。
[0053]以下对主要步骤进行进一步具体说明:
[0054]基于球面投影的有序点插值方法
[0055]确定投影球面:将扫描中心设定为投影球面的球心，投影球面的半径设为采场设计长度的0.5?2倍。通过球面投影把激光扫描探测设备扫描一圈探测到的采空区边界数据投影到球面上，形成一个投影圈；
[0056]进行插值处理。如图5所示
[0057]判断是否存在点数据缺失:如果投影圈上的数据为等间距的一系列的点，则不存在点数据缺失，不进行插值处理；如果投影圈上局部的相邻点之间距离过大，则说明存在点数据缺失，在投影圈上进行插值处理；按照线性等比关系对实际扫描圈点进行同步插值。具体的:插值的方法示意如图6所示，插值方法说明如下:
[0058](I)计算投影圈上相邻两点之间的距离，如果距离大于该圈点间平均距离的1.5倍则认为存在点缺失，需要插入新点PN。
[0059](2)在线段P2P3上距点P2的距离为Cl1处插入点Pn，其中(I1为该圈点间平均距离，PnP3的长度为d2，求出Cl1与d2的线性比例，根据线性比例在扫描圈上线段A2A3上插入新点An,插入点满足线性比例关系(I1: d2 = d3: d4 ;
[0060](3)依次对所有的扫描圈进行插值，复原扫描圈应有的空间拓扑规律。
[0061]基于球面投影的有序点插值为基于旋转面的格网三角剖分算法奠定了基础。
[0062]基于旋转面提取最优格网
[0063]所谓旋转面即以投影球面上投影圈的中心点连线为旋转轴，依次从某圈(Qy圈)中按照顺序提取点与旋转轴组成平面；【由于圈中点排序为顺时针或逆时针，所以平面是不断往前推动旋转的，故定义为旋转面。旋转面示意如图7所示，为了显示更加清楚，图7只画出了 5个投影圈和6个点对应的旋转面，实际应用中，包括更多的投影圈和旋转面。】
[0064]通过Qy圈上的点与旋转轴构建旋转面搜索邻圈Qy+1圈上距离旋转面最近的点:由点Qy,i与旋转轴组成旋转平面和点Qy,i+1与旋转轴组成旋转平面，分别搜索邻圈Qy+1圈上距离旋转面最近的点，设搜索到的点分别为Qy+1,n和Qy+1,m，点Qy, 1、Qy, i+1、Qy+1,n和Qy+1,m组成的闭合圈，近似为一个格网，定义为最优格网，如图8所示。
[0065]基于最优格网进行三角剖分
[0066]—般情况下，最优格网是在Qy圈和Qy+1圈各取两个相邻点，BP 2:2最优格网。
[0067]特殊情况一:在Qy圈中取2个点，两个旋转面在Qy+1圈的最近点为同一个点，即2:I最优格网；
[0068]特殊情况_■:在Qy圈中取2个点，两个旋转面分别在Qy+1圈的最近点为不相邻的点，即最优格网为2:n情况。最优格网特殊情况如图9所示。
[0069]设两个相邻平面在邻圈Qy+1圈上搜索到的两个最近的点分别为Qy+1圈上的点Qy+1,
η 和点 Qy+1, III ;
[0070]若Qy+1, n和Qy+1, m为Qy+1圈上相邻的两个点，则(Qy+1, n，Qy+1, m，Qy,)构成一个三角形，(Qy+1,m，Qy, i，Qy,i+i)构成一个三角形；
[0071]若Qy+1,n和Qy+1,m为Qy+1圈上的同一个点，则(Qy,i，Qy,i+1，Qy+i,n)构成一个三角形；
[0072]若0”1,11和Qy+1,m为Qy+1圈上两个不相邻点的两个点，则采用中间位置判断法对最优格网进行三角剖分，方法示意如图10所示；具体地:
[0073]取P为(n+m)/2的值的整数部分，点Qy+1,p即为点Qy+1,n和点Qy+1,m的中间位置点；对于点Qy+1,x，当η彡x〈p时，(Q


y+1，X，Qy+1, x+1，Qy, i )组成三角形；当 X = P 时，(Qy,i，Qy,i+1，Qy+i,x)组成三角形；当判断位置P〈x彡m时，(QyIPQyIx-PQp1)组成三角形；其中下标n、m、P、X 为 Qy+1 圈上的点 Qy+1,n，Qy+i,m，Qy+i,x? Qy+i,p 的序号；
[0074]按这种方法，生成球面投影点云的三角网格模型；通过基于最优格网三角剖分，可生成球面投影点云的三角网格模型，由于投影点云和实测点云在存储容器中顺序是一致的，将三角形顶点在存储容器中位置应用到实测点云容器，可同步生成实测点云三角网格模型。
[0075]图11基于旋转面的格网三角剖分算法效果分析，其中11(a)为基于格网三角剖分，11(b)为基于最大张角的三角剖分，11 (C)为基于本发明方法的三角剖分。仿真结果表明，11(a)基于格网三角剖分方法在点数据缺失情况下易产生狭长变形三角形，而11(b)基于最大张角三角剖分则易于发生三角形顶点过于集中的情况，本发明方法弥补了前两种算法中存在的局部缺陷，能够很好实现对采空区激光探测点云三角剖分，通过基于球面投影的有序点插值，弥补了由于环境影响因素(粉尘、水汽、积水等)导致的局部点数据缺失，较11(a)基于格网三角剖分方法和11(b)基于最大张角三角剖分方法有更好的表现。
【权利要求】
1.一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，其特征在于: 使用激光扫描探测设备对采空区进行探测，通过连接杆将激光扫描头伸入采空区，扫描头360°旋转并通过激光连续探测采空区边界点信息，扫描头扫描一圈得到的点依次相连，形成一个扫面圈；扫描完一圈后扫描头自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作；最终得到Y个扫描圈； 然后按以下步骤进行激光扫描点云三角剖分: 步骤一:设定投影球面，计算得到投影点云数据:将扫描头位置设定为球面的球心，球面的半径设定为采场设计长度的0.5?2倍；通过球面投影方法把扫描圈上的点投影到球面上，形成与Y个扫描圈对应的Y个投影圈，依次记为Q1圈，Q2圈，…，Qy圈，…，Qy圈；其中I为投影圈序号； 步骤二:进行插值处理: 依次判断各个投影圈上是否存在点缺失，方法为:如果某个投影圈上的点为一系列等间距的点，则不存在点数据缺失，不进行插值处理；如果投影圈上局部的相邻两点之间距离大于该圈点间平均距离的1.5倍，则认为距离过大，则说明存在点缺失，需要进行插值处理；对所有的投影圈和该投影圈对应的扫描圈进行插值； 步骤三:基于旋转面提取最优格网: 以投影球面上所有投影圈的中心点连线为旋转轴，依次从Qy圈中按照顺序提取点Qy, i与旋转轴组成平面，搜索邻圈Qy+1圈上距离此平面最近的点?’从Qy圈中提取点Qy,i+1与旋转轴组成平面，搜索邻圈Qy+1圈上距离此平面最近的点，则点Qy,1、点Qy,i+1和在邻圈Qy+1圈上搜索到的分别距两个相邻平面最近的点组成的闭合圈，近似为一个格网，定义为最优格网；其中Q的下标y为投影圈的序号，y= [I, Y] ;i为投影圈上的点的序号，i = [I,I],I为投影圈上的点数； 令y的初始值为1，i的初始值为1，依次搜索提取出球面上所有的最优格网； 步骤四:基于最优格网进行球面上投影圈的三角剖分: 设在邻圈Qy+1圈上搜索到的分别距两个相邻平面两个最近的点为点Qy+1,n和点Qy+u ；若Qy+1,n和Qy+1,m为Qy+1圈上相邻的两个点，则(Qy+1,n，Qy+1,m，Qy, i)构成一个三角形，(Qy+1,m, Qy, i，Qy,i+1)构成一个三角形； 若Qy+1,n和Qy+1,m为Qy+1圈上的同一个点，则(Qy,i，Qy,i+1，Qy+1,n)构成一个三角形； 若Qy+1, η和Qy+1, m为Qy+1圈上两个不相邻点的两个点，则采用中间位置判断法对最优格网进行三角剖分，具体地: 取P为(n+m)/2的值的整数部分，点Qy+1,p即为点Qy+1,n和点Qy+1,m的中间位置点；对于点 Qy+1,X? 当 Π 彡 x〈p 时，(Qy+1,x, Qy+1,x+1，Qy,i)组成三角形；当 X = P 时，(Qyji, Qy,i+1, Qy+1,x)组成三角形；当P〈x彡m时，(Qy+1,x, Qy+1,x-17 Qy, i+1)组成三角形；其中下标n、m、ρ、χ为Qy+1圈上的点 Qy+1,n，Qy+l,m? Qy+1, χ? Qy+1, P 的序号； 按这种方法，生成球面投影点云的三角网格模型； 步骤五:根据投影点云和实测扫描点云的投影对应关系，对应生成实测扫描点云三角网格模型。
2.根据权利要求1所述的基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，其特征在于，在所述步骤二中，对所有的投影圈和该投影圈对应的扫描圈按以下方法进行插值: (1)计算投影圈上相邻两点之间的距离，如果距离大于该圈点间平均距离的1.5倍则认为存在点缺失，需要插入新点Pn ； (2)计算投影圈上相邻两点之间的距离，若某投影圈上，相邻两点P2和P3之间的距离大于该圈点间平均距离的1.5倍，则在线段P2P3上距点P2的距离为Cl1处插入点Pn，其中Cl1为该圈点间平均距离，根据线性比例在该投影圈对应的扫描圈上，与线段P2P3对应的线段A2A3上插入新点An,插入点An的位置满足线性比例关系(I1:d2 = d3:d4,其中d2为线段PnP3的长度，d3为线段A2An的长度，d4为线段AnA3的长度。
3.根据权利要求1所述的基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，其特征在于，扫描头扫描一圈得到320— 340个点；扫描完一圈后扫描头自动抬高预设角度5度；直至扫描头抬高到140度完成全部的探测工作。
【文档编号】G06T17/30GK104392491SQ201410779671
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】罗周全, 罗贞焱, 黄俊杰, 汪伟, 周吉明, 秦亚光, 张文芬 申请人:中南大学