专利名称：基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维空间信息获取与表达技术领域，特别涉及一种在遥感、测绘、计算 机视觉中应用的基于三维激光扫描数据对物体立面矢量化，进行三维重建的方法和系统。
背景技术：
三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一种获取三维空间数据的 高新技术，其通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的 三维坐标数据。在获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到点的集合，其为大量的空间 离散点阵数据，通常称之为“点云(Points Cloud)”。由于获取的三维数据本身包含几何特 征，可以直接记录物体表面的几何属性，因此可以详细、准确地表达物体表面的形状，用于 建立物体的三维模型。现有技术中，本发明的申请人在其论文“增量式三维重建方法”(首都师范大学硕 士学位论文，2007年6月13日，研究生龚利达，指导教师张爱武)中提出了一种增量式 的真实场景三维重建方法，以基于三维激光扫描仪系统获取的场景三维点云数据为研究对 象，根据距离图像的特点完成室内外场景的三维重建。其方法分为两个阶段，第一阶段是对 单站的数据做矢量化，在这个阶段先对单站点平面分割，然后提取平面点集的边界，完成单 站点距离图像的矢量化，第二阶段是将第一阶段提取出来的矢量数据处理成最终模型，由 于在第一阶段提取出来的边界数据中存在大量的非凸多边形，在后期的绘制与处理的很多 工作都是基于凸多边形的，所以需要将得到的非凸多边形处理成多边形。传统方法计算的压力在于多站配准合并之后的数据处理，一方面存在大量的冗余 数据，另一方面是由站点合并之后的数据量大而带来的建模、化简时的计算压力。为解决 以上问题，上述论文中将计算的压力分摊到各个站点，先对站点独立矢量化，再将矢量化的 结果做凸分解等处理，逐个加入最终模型。由于单站点的数据量不大，对单站点做数据处理 计算压力小，其次，在站点合并过程中，合并的是矢量化之后的数据，数据量已大大减小，因 此，计算压力远远小于传统方法，同时降低了三维建模的复杂度。但是，上述论文的第一阶段中处理的单站数据并未打乱原三维点云的顺序。通常， 由激光扫描仪获得的点云数据，从采集方法、外界环境到仪器本身的影响，点云数据对建筑 物表面的描述总是不完整的，是含有空洞的，而且是含有噪声的。对被测目标对象直接采样 获取的三维点云数据经过去噪和补洞等预处理之后，点云数据在初始扫描时所具有的点间 关系已不存在，成为无序的杂乱采样点集，数据文件中丢失了每个点在距离图像上的原始 行列索引信息。在这种情况下，上述论文中的第一阶段中处理单站数据的方法并不适用。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有的激光扫描数据矢量化技术由于点云数据量大，数 据量接近或超过内存容量矢量化难以进行，并且从中提取特征与边界十分困难的技术问 题。
为达到上述目的，本发明提供一种基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方 法，包括步骤a，区域分割，利用小平面分割一聚合的方法，从物体表面三维激光点云数据 中提取功能区域；步骤b，边界提取，通过方向图像检测几何突变，再通过区域边界进行补充，提取出 三维激光点云包含的所述功能区域的边界点；步骤C，边界修正，运用凸分解方法修正所述功能区域的边界，完成物体立面重建。本发明进一步提供一种基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，包括激 光扫描单元、区域分割单元、边界提取单元、边界修正单元和三维模型绘制单元；所述的激光扫描单元通过发射和接收激光，获取物体立面的三维点云数据；所述的区域分割单元从获取的三维点云数据提取功能区域；所述的边界提取单元检测三维点云数据包含的所述功能区域的边界信息；所述的边界修正单元重新拟合所述功能区域，修正边界。本发明的有益效果在于，能够检测三维激光点云所包含的几何边缘信息，比如建 筑物棱角等。提出一个方向图像的概念，并通过方向图像检测几何突变(包括褶皱和阶跃 边界)，再通过区域边界进行补充，从而充分提取出三维激光点云包含的几何边缘信息。本 发明的区域分割方法既适用于有序的三维点云也适用于无序杂乱无章的三维点云。本发明 适用于所有三维激光扫描数据，通过本发明处理不仅有效提取了三维特征而且减少了数据 量。
图1为本发明实施例一的点云数据矢量化的步骤；图2为本发明实施例一的区域分割的流程图；图3为本发明实施例一的边界提取的流程图；图4为本发明实施例一的边界修正的流程图；图5为本发明实施例二的点云数据矢量化的步骤；图6为本发明实施例二的边界融合的流程图；图7为本发明实施例三的三维激光扫描数据的物体立面矢量化的系统结构图；图8为本发明实施例四的三维激光扫描数据的物体立面矢量化的系统结构图；图9a和图9b为以首都师范大学校门为例，两个不同的站点的区域分割的结果；图IOa为某一站点的χ-图像；图IOb为某一站点的y_图像；图IOc为某一站点的ζ-图像；图IOd为某一站点的R-图像；图11为四邻域法中边界点的示意图；图12a和图12b为为不同站点的区域边界和几何突变的提取结果；图13为不同站点区域融合的示意图；图14a为根据站点1采集的三维激光数据提取的临时模型；图14b为站点1加入站点2后的临时模型；
图14c为站点1加入站点2和站点3后的临时模型；图14d和图He为根据多个站点采集的三维激光数据融合后的模型从不同角度的 观察结果；图15为微梯形和凸梯形合并的示意图；图16a至图16c为将凸微梯形合并后的不同侧面的观察结果；图16d为边界修正结果。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明的特征和优点做进一步的描述。本发明基于三维激光扫描数据的建筑物立面矢量化方法，能够检测三维激光点云 所包含的几何边缘信息，比如建筑物棱角等。本发明提出一个方向图像的概念，并通过方向 图像检测几何突变(包括褶皱和阶跃边界)，再通过区域边界进行补充，从而充分提取出三 维激光点云包含的几何边缘信息。本发明的区域分割方法既适用于有序的三维点云也适用 于无序杂乱无章的三维点云。本发明适用于所有三维激光扫描数据，通过本发明处理不仅 有效提取了三维特征而且减少了数据量。实施例一实施例一用于说明本发明的方法应用于将单个站点的点云数据矢量化时的实施步骤。请参照图1，本发明实施例一提供的基于三维激光数据的建筑物立面矢量化的方 法，包括步骤步骤11，区域分割，从物体表面三维激光点云数据中提取出墙、门、房檐等功能区 域。步骤12，边界提取，检测所述功能区域的边界和几何突变。步骤13，边界修正，运用凸分解方法修正边界，并光顺处理，完成物体表面重建。所述步骤11中的区域分割，是利用小平面分割一聚合的方法提取功能区域。将图 像分成不同的区域，并让不同的区域分别具有不同的含义，即相同区域内的点具有相同的 几何特征。请参照图2，包括的步骤为步骤1101，小平面分割。对点云数据建立基于线性八叉树的空间索引，分配点云数 据进入立方体单元，完成小平面分割。本发明的小平面分割方法是针对空间散乱点云的八叉树算法，对待三维激光扫描 数据点云的相对位置没有要求，可以处在空间的任意位置上。具体步骤如下首先，设定八叉树单元包含的最少激光数据点数nmin、同向性角度阈值α _、共面 性距离阈值dmin三个阈值。步骤11011，用一个最小立方体单元作为外包围合将待处理的激光点云数据包围 进来。步骤11012，判断所述立方体单元中的三维点是否共面。若共面停止剖分，执行步 骤1102 ；若不共面，则执行步骤11013。这里，根据主成分分析法判断是否共面。假设第i个小平面单元包含Iii个三维点，
6COgi是该单元包含三维点的重心，那么，有协方差矩阵A^Yj((v, -mf (vk -w))vk是点Pk的矢量坐标，m是重心CO&的矢量坐标。求协方差矩阵A的特征值 入。彡X1S λ2，如果Xmin，则第i个单元所包含三维点不共面；否则共面，且平面的 法向为A的最小特征值λ^对应的特征向量。步骤11013，判断所述最小立方体单元内的点数是否大于给定阈值nmin。如果是， 则执行步骤11014，继续剖分。如果否，则执行步骤11015。步骤11014，根据八叉树算法将立方体单元剖分。再执行步骤11012。八叉树是一种基于规则的八分原则，采用递归分解方式形成的分割结构。其基本 思想是将三维区域划分为三维的立方体单元，每个立方体单元中包含多个点云数据。每个 立方体单元分为小的单元，是以一分八的原则划分。将立方体单元分割为大小相同的八个 小立方体，相应的，每个小立方体内都包含多个三维激光点云数据。步骤11015，判断所述立方体单元中的点数，如果立方体单元中包含的点数小于给 定阈值nmin，且这些点不共面，那么，这些点暂时放弃，该立体单元是不合法的立体单元。步骤11016，若放弃的立方体单元四周为合法立体单元，则该立体单元包含的点为 无效点，删除；否则保留，但不参与计算。经过上述处理之后，三维点云就分散在不同的立体单元中，且参与计算的每个立 方体单元所含的三维点共面，在同一个小平面上，称为第一平面。步骤1102，小平面聚合。将相邻立方体单元内的满足同向性和共面性的第一平面 归并，合并成一个新的更大的平面单元，即为提取到的功能区域，称为第二平面。所谓归并，就是遍历所有立体单元中的点，并逐点判断两点的同向性和共面性。如 果同时满足两个条件，则将两点所在的第一平面合并起来，形成所述的第二平面，否则将建 立新的平面集合。判断是否归并的两个条件分别是同向性和共面性。同向性是指两个平面法向一致性的判断，相邻两个小平面i和j，其同向性定义如 下
权利要求
1.一种基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于，包括步骤a，区域分割，利用小平面分割-聚合的方法，从物体表面三维激光点云数据中提 取功能区域；步骤b，边界提取，通过方向图像检测几何突变，再通过区域边界进行补充，提取出三维 激光点云包含的所述功能区域的边界点；步骤c，边界修正，运用凸分解方法修正所述功能区域的边界，完成物体立面重建。
2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤a区域分割包括步骤al，小平面分割，对点云数据建立基于线性八叉树的空间索引，分配点云数据进入 立方体单元，使所述立方体单元内的三维点在一第一平面内。
3.如权利要求2所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤a区域分割还包括步骤a2，小平面聚合，将相邻立方体单元内的满足同向性和共面性的第一平面归并，合 并成一第二平面即为所述的功能区域。
4.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤b边界提取包括步骤bl，几何突变检测，利用激光扫描点排列的2D网格作为投影图像平面，构造多幅 方向图像，采用小波边缘算法对所述方向图像分别进行边缘检测，再将所述多个方向图像 检测到的边缘合成，构成几何突变点检测的综合结果。
5.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤b边界提取还包括步骤1^2，区域边界检测，利用激光采样点阵序列构成的二维网格平面为投影面，将所述 第二平面的点集投影到所述的投影面上，利用四邻域方法提取区域边界。
6.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤b边界提取还包括步骤b3，边界点连接，遍历所述第二平面的区域边界点和几何突变点，构成闭合弧段。
7.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的步骤c边界修正包括对所述边界点包围的微梯形进行凸分解，判断所述边界点的 凸凹性；将凸微梯形合并，将非凸微梯形保留；重新拟合所述功能区域，修正边界。
8.如权利要求1所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述步骤b和步骤c之间还包括边界融合的步骤将多个站点提取出的边界点融合成一个整体。
9.如权利要求8所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法，其特征在于， 所述的边界融合的步骤为按照多站点配准转化矩阵将其它站点数据边界点的处理结果加入初始站点；遍历整体 模型的边界点，寻找与加入站点边界点的最小距离的点，用两个点的算术平均值代替原来 模型中的边界点。
10.一种基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在于，包括激光扫描 单元、区域分割单元、边界提取单元、边界修正单元和三维模型绘制单元；所述的激光扫描单元通过发射和接收激光，获取物体立面的三维点云数据； 所述的区域分割单元从获取的三维点云数据提取功能区域； 所述的边界提取单元检测三维点云数据包含的所述功能区域的边界信息； 所述的边界修正单元重新拟合所述功能区域，修正边界；所述三维模型绘制单元将所述边界修正单元拟合出的所述功能区域绘制成为物体的三维立面模型。
11.如权利要求10所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在 于，所述的区域分割单元包括小平面分割模块和小平面聚合模块；所述的小平面分割模块对点云数据建立基于线性八叉树的空间索引，分配点云数据进 入立方体单元，完成小平面分割，使立方体单元内的所有三维点在一第一平面内；所述的小平面聚合模块是将相邻立方体单元内的满足同向性和共面性的第一平面归 并，合并成一第二平面，即为所述的功能区域。
12.如权利要求11所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在 于，所述的边界提取单元包括几何突变检测模块、区域边界检测模块和边界点连接模块；所述的几何突变检测模块利用激光扫描点排列的2D网格作为投影图像平面构造多幅 方向图像，对所述的方向图像进行边缘检测，再将检测的边缘合成，构成突变检测的综合结 果；所述的区域边界检测模块利用四邻法提取所述第二平面的边界； 所述的边界点连接模块将所述几何突变检测结果和第二平面的边界点构成封闭弧段。
13.如权利要求11所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在 于，所述的边界修正单元包括凸凹性判断模块和凸微梯形合并模块；所述的凸凹性判断模块对边界点包围的微梯形进行凸分解，判断边界点的凸凹性。 所述的凸微梯形合并模块将凸微梯形合并成为新的多边形，非凸微梯形保留下来。
14.如权利要求10所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在 于，进一步包括边界融合单元，用于融合不同站点采集的点云数据，将多个站点提取的边界 融合为一个整体，构成对所测物体的完整几何描述。
15.如权利要求14所述的基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化系统，其特征在 于，所述的边界融合单元包括多站配准转化矩阵和边界点更新模块；所述的多站配准转化矩阵是将其他站点提取的边界点转换为当前站点的坐标系下； 所述的边界点更新模块遍历整体模型的边界点，寻找与加入站点边界点的最小距离的 点，用两个点的算术平均值代替原来模型中的边界点。
全文摘要
本发明为一种基于三维激光扫描数据的物体立面矢量化方法和系统，所述方法包括步骤区域分割，利用小平面分割一聚合的方法，从物体表面三维激光点云数据中提取功能区域；边界提取，通过方向图像检测几何突变，再通过区域边界进行补充，提取出三维激光点云包含的功能区域的几何边缘信息；边界修正，运用凸分解方法修正所述功能区域的边界，完成物体立面重建。所述系统包括激光扫描单元、区域分割单元、边界提取单元、边界修正单元和三维模型绘制单元；所述的区域分割单元从获取的三维点云数据提取功能区域；所述的边界提取单元检测三维点云数据包含的所述功能区域的边界信息；所述的边界修正单元重新拟合所述功能区域，修正边界。
文档编号G06T17/00GK102136155SQ20101010254
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者宫辉力, 张爱武, 胡少兴 申请人:首都师范大学