一种基于网格的激光点云规则排列处理方法与流程

本发明涉及三维激光点云处理领域，激光建模、激光监测领域。

背景技术

三维激光扫描技术包含机载激光扫描、车载激光扫描、地面激光扫描以及手持激光扫描等。随着激光扫描仪器、计算机硬件、软件技术的不断提升，各类激光扫描仪器价格的回落，三维激光扫描技术得到推广，广泛应用在复杂工艺品制造、复杂零件制造、文物还原、文物保存、城市沙盘建设、危岩体监测、大坝监测、结构监测等领域中。三维激光点云是各类激光扫描仪采集的原始数据，由于目标对激光的反射能力强弱不一、激光束倾角不一、遮挡等因素，对于表面复杂的对象（如地表、复杂零件），未经处理的点云通常呈现不规则排列、密度不均匀等现象，一般需对原始激光点云数据进行处理，以提高点云质量。

将杂乱的、不规则分布的激光点云重新排列是点云处理的一种手段，目前常用的重新排列方法主要有依据窗口单元的重新排列。该方法事先给定一个窗口单元，该窗口中的最低点可以作为地形点，找出最低点，把窗口移动到下一个区域再找出最低点，直到遍历完所有的数据，以此对杂乱点云进行过滤，也可进行重新排列。除了最低点的方法，通常还有依据曲率、中值或平均和高斯方法等。其中，高斯方法把指定的区域内的权重看做高斯分布，它的平均效果比较小，所以能比较好的把原数据的形貌保持下来。平均法取窗口中的各个数据点的平均值。中值法取窗口内各个数据点的统计中值。

使用上述方法的点云处理通常有一定的效果，但也有许多不足。一方面上述方法仅仅考虑了点云的坐标信息，没有考虑其他信息，如反射强度、颜色rgb值等，而这些点云的属性值在一些后期处理中也是必不可少的；另一方面，多数点云排列方法与插值方法多较为简单，如平均法、中值法，无法合适地表征激光点，或过于复杂，如高斯法，对杂乱海量的点云数据处理效率较低。为此，本发明中使用了一种新方法对三维的、杂乱的、不规则分布的点云进行重新规则排列。通过基于背景网格的方法，建立简单的距离反比插值算法对高程坐标、反射强度、颜色rgb插值是本发明的关键。本发明以提高杂乱的、不规则分布的、密度不均匀的三维激光点云质量为目的，为后续的文物保存、沙盘建设、结构监测等工作打下基础。

技术实现要素：

（一）要解决的技术问题

由于目标表面对激光的反射能力强弱不一、激光束倾角不一、遮挡等特点，对于一些表面复杂的对象，未经处理的点云通常呈现不规则分布、密度不均匀等特征，将杂乱的、不规则分布的激光点云重新规则排列是某些建模、监测工作中进行点云处理的必要手段。本发明的目的主要在于：基于背景网格，将杂乱激光点云规则排列，进而为后续的文物保存、沙盘建设、结构监测等工作打下基础，达到合理的建模、监测效果。

（二）技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

将三维激光扫描仪所采集的杂乱的、不规则分布的点云数据进行规则排列，包括以下内容：

（1）建立辅助背景网格单元；

（2）建立投影关系，将三维激光点云投影至网格单元中；

（3）建立插值算法，插值内容包含点云坐标、反射强度、rgb值等；

（4）有点网格按网格单元将原点云插值，重构排列规则的新点云；

（5）无点网格的新点云通过相邻网格单元新点云插值实现。

上述方案中，建立辅助背景网格单元具体包括：确定覆盖全部对象点云平面矩形范围r（x1，x2；y1，y2），即点云分布在（x1，x2）范围，（y1，y2）范围；再依据原始点云的扫描密度确定网格单元边长，若扫描密度为d，则网格单元边长大小取l=d，若扫描密度不详，可根据点云数据简略分析判断，具体判断方法：采用相应点云查看软件测量10处不同区域的激光点间距，记为（d1，d2，…，d9，d10），网格单元边长大小取l=（d1+d2+…+d9+d10）/10，另也可根据用户需求设定l；然后从x1到x2，从y1到y2按边长l排列网格单元，用cij（a1，a2；b1，b2）表示，意义为：第i行第j列的网格单元，x坐标从a1到a2，y坐标从b1到b2。

上述方案中，建立投影关系，将三维激光点云投影至网格单元中的步骤。具体包括：对任一激光点p（x，y，z），找到其所在的网格单元cij（a1，a2；b1，b2）下，同时满足a1≤x≤a2和b1≤y≤b2，计算该点到其所属网格单元形心的距离r，公式如下，记为：pij（r，z，ra，rgb）。

上述方案中，建立插值算法的步骤，主要包括：对于有点网格，按网格单元，采用距离反比插值方法将网格内原点云插值，重构排列规则的新点云，插值内容包含点云坐标、反射强度、rgb值等；依据pij（r，z，ra，rgb），提取所有pij，若有n个pij，按r大小排序｛pij（r0，z0，ra0，rgb0）、pij（r1，z1，ra1，rgb1）、…、pij（rn，zn，ran，rgbn）｝，其中r0≤r1≤…≤rn；插值公式为：

上述方案中，有点网格按网格单元将原点云插值，重构排列规则的新点云的步骤包括：在网格形心处建立新点，使新点包含属性值｛zij，raij，rgbij｝，由于网格排列规则，位于网格形心处的新点也是规则排列的。

上述方案中，无点网格的新点云通过相邻网格单元新点云插值实现的步骤，主要包括：剔除点云边界外的无点网格单元，保留点云内部包含的无点网格单元；用户设定无点网格点云插值的方向，分为x方向与y方向，新点通过相邻有点网格插值得到，位于无点网格单元形心处，插值内容包含点云坐标、反射强度、rgb值等；若x方向插值，从i＝1行起，按j＝1列直到最末一列开始搜索，直至搜索到无点网格单元cij，则插值新点p0ij（zij，raij，rgbij）通过相邻有点网格单元平均值求得，如图2所示，表示为：

同理计算raij，rgbij；y方向插值计算亦然；为无点网格单元新点p0ij附上高程（zij）、反射强度（raij）、颜色值（rgbij）等属性；循环步骤，直到所有无点网格单元均插值建立了新点。

（三）有益效果

1、本发明提出了一种基于网格的杂乱激光点云规则排列方法，基于背景网格进行排列的手段使得点云能够排列规则，该处理手段提高了点云质量，为后期点云建模、监测大有益处。2、本发明提供的基于网格的杂乱激光点云规则排列方法，按照距离反比插值方法，不需要复杂的公式迭代计算，兼顾了处理效率与效果，规则排列效果明显，插值质量良好；

3、本发明提供的基于网格的杂乱激光点云规则排列方法，先将点云总体进行规则排列（有点网格），再检查漏洞处（无点网格）做进一步处理，针对漏洞处（无点网格）提供了一种简单的点云规则插补方法，简单有效。

附图说明

图1是一种基于网格的杂乱激光点云规则排列方法流程图。

图2是相邻网格单元新点云插值示意图。