导线激光点云细化方法与流程

1.本发明涉及点云处理技术领域，特别是一种导线激光点云细化方法。


背景技术：

2.通过机载激光雷达，可获取输电通道的激光点云。随着激光点云应用场景的不断拓展，对激光点云的需求量也在不断增加。一方面，点云数据的快速增加，为数据传输、存储、处理都带来了挑战；另一方面，很多应用不需要过多点云的细节信息，能提供结构描述的关键信息即可。在树障排查、弧垂测量等应用中，点云能准确表达导线结构即可满足要求。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明提供一种导线激光点云细化方法，能够充分保留导线的结构信息，并能有效降低数据在传输、存储、处理等多方面的成本。
4.本发明公开了一种导线激光点云细化方法，包括以下步骤：
5.一种导线激光点云细化方法，包括以下步骤：
6.步骤1：将三维空间中的导线点云投影到二维平面；
7.步骤2：将二维平面上的点云分段，得到多个分段点云；
8.步骤3：每个分段点云均用若干个点表示；
9.步骤4：将用于表示多个分段点云的所有点逆投影至三维空间，即得到点云细化的结果。
10.进一步地，所述步骤1包括：
11.步骤11：确定三维空间中的导线点云投影的空间平面；
12.步骤12：将三维空间中的导线点云投影到空间平面上，得到共面的点；
13.步骤13：基于共面的点，确定过渡矩阵；
14.步骤14：基于过渡矩阵，将共面的点的三维坐标转换为二维坐标。
15.进一步地，所述步骤11包括：
16.将三维空间平面的方程表示为：
17.ax+by+cz+d＝0
18.其中，a、b、c和d为平面方程的参数；
19.利用该三维空间平面方程，拟合导线点云的n个点，即得出拟合参数a、b、c和d；由拟合参数a、b、c和d确定的平面即为导线点云投影的空间平面。
20.进一步地，所述步骤12包括：
21.将三维空间中的导线点云中的点pi＝[x
i y
i zi]
t
，i＝1,2,3
…
n，投影到空间平面，得到空间平面上的点其投影表达式为：
[0022][0023]
其中，分别为点pi投影到空间平面上的坐标，n为导线点云中点的总数量。
[0024]
进一步地，所述步骤13包括：
[0025]
步骤131：tz＝[a b c]
t
为空间平面的法向量；拟合空间平面上点的直线方程，即得到该直线方程的方向向量t
x
＝[a
x b
x c
x
]
t
；
[0026]
步骤132：分别对向量tz、t
x
进行归一化，通过tz与t
x
的叉积确定
[0027]
步骤133：基于t
x
、ty、tz，即得到过渡矩阵t＝[t
x t
y tz]
t
。
[0028]
进一步地，所述步骤14包括：
[0029]
步骤141：利用过渡矩阵，对点进行坐标变换得到
[0030]
步骤142：将的z坐标值记为ρ，直接去掉点的z坐标即可将点从三维转化为二维。
[0031]
进一步地，所述步骤2包括：
[0032]
对二维平面上的点云沿x轴分段；若点云的第k区间段起点坐标为则其终点坐标为利用滑动窗口滑动到下一区间段，那么该区间段的起点坐标与终点坐标分别为和其中，l为窗口宽度，s为滑动步长。
[0033]
进一步地，所述步骤3包括：
[0034]
每个分段点云用1个点表示。该点为该区间段内点云坐标的均值，即第k区间段的点云用点表示，其中，nk表示第k区间段内点云包含点的数量。
[0035]
进一步地，各所述区间段内的点云用单点表示的精度评价参数包括结构误差和拟合误差；
[0036]
所述结构误差的获取过程为：
[0037]
基于导线的抛物线结构，选择抛物线方程作为拟合模型，与为拟合参数；二次项系数的绝对值表示拟合的结构误差；
[0038]
拟合导致的所述拟合误差为其中表示对应的拟合值。
[0039]
其中，给定所述结构误差的阈值α》0与所述拟合误差的阈值β＝η
β
φ，其中系数η
β
》0，φ表示导线的直径；若结构误差表示该区间段内的点云不适合用一个点表示；若拟合误差表示该区间段内的点用一个点表示误差较大。
[0040]
进一步地，所述步骤4包括：
[0041]
步骤41：将表示区间段内点云的点的坐标从二维直接补齐为三维
[0042]
步骤42：利用矩阵t
t
进行坐标逆投影所得点所得点即为三维空间中导线点云细化的结果；其中，t为过渡矩阵。
[0043]
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明将密集的导线激光点云用稀疏的点云表示，且能够充分保留导线的结构信息，并能有效降低数据在传输、存储、处理等多方面的成本。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1为本发明实施例的一种导线激光点云细化方法的流程示意图。
具体实施方式
[0046]
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
[0047]
参见图1，本发明提供了一种导线激光点云细化方法的实施例，该方法包括以下步骤：
[0048]
s1：将三维空间中的导线点云投影到二维平面。
[0049]
s11：点云的平面投影；
[0050]
点云平面投影的任务，是将三维空间的导线点云投影到二维平面。由于受导线结构的影响，且采集点云的设备存在误差。导线点云平面投影的第一步是将点云投影到同一平面，减小导线点云的结构误差与噪声。第二步则是将点云的三维坐标变换为二维坐标，使得导线点云在二维平面上易于分段与表示。
[0051]
s12：确定投影的空间平面；
[0052]
任务：确定空间平面，使得导线点云的点投影到该平面的误差最小。
[0053]
三维空间平面的方程可表示为ax+by+cz+d＝0，其中，a、b、c和d为平面方程的参数。利用该平面方程，拟合导线点云的n个点，即可得出拟合参数a、b、c和d。这组参数确定的平面即为导线点云投影的空间平面。
[0054]
s13：点云投影到空间平面；
[0055]
任务：将导线点云的点，通过投影用上述空间平面上的点表示。
[0056]
将点pi投影到上述空间平面，得到上述平面上的点具体投影方法为
[0057][0058]
通过投影，导线点云在三维空间实现了坐标变换，即[x
i y
i zi]
t
→
xiyizit。通过将点pi映射为共面的点pi，减小了导线点云的结构误差与噪声。
[0059]
s14：确定过渡矩阵；
[0060]
任务：所确定的过渡矩阵，能将上述空间平面上的点变换到新的坐标系，使得空间平面上的所有点在新坐标系下某个坐标值为同一常数。
[0061]
若新坐标系下空间平面上的点在z轴的坐标值为同一常数，过渡矩阵用t＝[t
x t
y tz]
t
表示。过渡矩阵的每个向量的确定方法如下：
[0062]
tz为空间平面的法向量；
[0063]
t
x
为导线走向的方向向量；
[0064]
分别对向量tz、t
x
实施归一化；
[0065]
ty由tz与t
x
的叉积确定，
[0066]
s15：确定导线走向；
[0067]
任务：确定导线走向的方向向量t
x
之后，空间平面上与t
x
正交的向量ty即为抛物线状导线的开口方向。
[0068]
拟合空间平面上点的直线方程，即可得该直线方程的方向向量t
x
＝[a
x b
x c
x
]
t
。
[0069]
s16：点云坐标从三维变为二维。
[0070]
任务：将导线点云的三维坐标转化为二维坐标。
[0071]
利用过渡矩阵t，对点实施坐标变换得到记记所有点的z坐标均为同一常数ρ，也就是经过坐标变换，三维空间的点变为了一种易于约简的形式，易于约简的形式，
[0072]
去掉z坐标，即可将点从三维约简为二维，
[0073]
s2：将二维平面上的点云分段，得到多个分段点云。
[0074]
点云分段表示的任务就是将导线点云分为多个区间段，每个区间段内的点云用更少的点表示。本发明给出了用一个点表示一段点云的实施方法。
[0075]
经过平面投影，点云的坐标已从三维变为二维，即经过平面投影，点云的坐标已从三维变为二维，即点云分段表示的所有操作在二维平面上易于执行。
[0076]
1)滑动窗口分段方法
[0077]
任务：通过滑动窗口，按不同区间段长度与不同步长对导线点云分段。
[0078]
滑动窗口分段方法有两个参数，窗口宽度l和滑动步长s，l》0且s》0。窗口宽度l也就是区间段的长度。窗口宽度l主要控制点云细化时点的表示精度，滑动步长s主要控制细化后的点云密度。
[0079]
具体分段方法：继续上述步骤，导线点云沿x轴分段。若点云的第k区间段起点坐标为则其终点坐标为利用滑动窗口滑动到下一区间段，那么该区间段的起点坐标与终点坐标分别为和
[0080]
2)区间段长度调整方法
[0081]
任务：通过调整区间段长度，控制细化时单点表示区间段内点云的精度。
[0082]
l越小分段越短，区间段内点云用单点表示的精度越高；l越大分段越长，区间段内点云用单点表示的精度越低。如果单点表示的精度过低，可减小l；在单点表示精度满足要求的前提下，可增大l。
[0083]
区间段内点云用单点表示的精度，可根据该区间段内点云拟合产生的误差判定，误差越大精度越低。
[0084]
基于导线的抛物线结构，选择抛物线方程作为拟合模型，与为拟合参数。二次项系数的绝对值表示拟合的结构误差。拟合导致的拟合误差为其中表示对应的拟合值。
[0085]
给定结构误差阈值α》0与拟合误差阈值β＝η
β
φ，其中系数η
β
》0，φ表示导线的直径。若结构误差表示该区间段内的点云不适合用一个点表示；若拟合误差表示该区间段内的点用一个点表示误差较大。
[0086]
3)滑动步长调整方法
[0087]
任务：通过调整滑动步长，控制细化后的点云密度
[0088]
s越小分段越密，导线点云细化后的点也越密集；s越大分段越稀，导线点云细化后的点也越稀疏。期望细化后点越密集则减小滑动步长s，反之则增大滑动步长s。
[0089]
4)参数联合调整方法
[0090]
任务：通过调整区间段长度与滑动步长，实现不同的细化策略。
[0091]
若要使分段后点云区间段之间有重叠，设定l》s；若要使分段后点云区间段之间有间隔，设定l《s；若要使分段后点云区间段之间首尾相连，设定l＝s。
[0092]
在点云细化的过程中，可通过动态调整l和s的值，实现导线不同位置选用不同的细化策略。例如：对于大高差大档距的导线，可在弧垂处选用更小的s和l值，使得细化后的导线也能保留更准确的弧垂信息。
[0093]
通过设定大的l值，并设定s＝l，用很少的点即可实现导线点云的细化。对于结构简单的导线，该方法仅用极少的点就能准确描述导线的信息。
[0094]
s3：每个分段点云均用若干个点表示。
[0095]
1)点云段单点表示方法
[0096]
任务：将每个区间段内的点云，用更少的点表示。
[0097]
本发明给出了一个点表示一段点云的实施方法。该点为该区间段内点云坐标的均
值。也就是第k区间段的点云用点表示，其中nk表示第k区间段内点云包含点的数量；每段点云亦可用m个点表示，m》1，即将该段区间内的点云按照x轴坐标从小到大的顺序分成m个点云个数相等的子区间，再对每个子区间应用上述“一个点表示一段点云的实施方法”得到m个点。
[0098]
s4：将用于表示多个分段点云的所有点逆投影至三维空间，即得到点云细化的结果。
[0099]
任务：将二维平面上表示区间段内点云的点，逆投影到三维的空间平面，得到导线点云细化的最终结果。
[0100]
先将表示区间段内点云的点的坐标从二维直接补齐为三维，然后利用矩阵t
t
实施坐标逆投影所得点即为三维空间中导线点云细化的结果。
[0101]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。