一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法

本发明涉及考古数字化制图领域，尤其涉及一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法。

背景技术：

1、考古绘图是将制图学中的方法应用于考古研究和工作当中，用制图学相关理论方法和特征技术来记录和展示考古材料的原始特征，是对各种遗存现象的表达、分析和研究的重要手段。然而传统考古绘图存在精度较差、效率较低、自动化程度不高等问题，制约了了考古研究的质量和工作进展。现代测绘技术、计算机科学技术的发展推动着传统手工绘图向数字化制图的转型。目前考古数字化制图方法主要分为三类：基于数字摄影和绘图软件数字化制图、基于三维模型和计算机辅助数字化制图、基于三维模型的特征提取数字化制图。

2、基于数字摄影和绘图软件数字化制图主要是通过数字相机或专业仪器设备获得绘制对象的正射影像，再利用相关的专业软件进行考古线图的描绘。然而该方法在利用数字相机获取摄影图片时，无法保证拍摄物体的每个位置都能和相机焦距保持同一焦距，影像会产生近大远小的现象，而考古绘图需要基于正投影绘制，因此拍摄人员需要采取远焦拉近的方法，对焦过程复杂。该方法的实质是通过对正射影像进行数字矢量化，正射影像获取较为困难，绘图的真实比例需要通过布设控制点才能获得，绘图质量取决于绘图人员的手工绘图精度，与传统手工测量绘图相比该方法只是相对提高了绘图的精度。

3、基于三维模型和计算机辅助数字化制图是指通过专业设备和三维重建技术获得绘制对象的三维模型，进而得到多个视图方向的正射影像，再辅以计算机实现考古二维线图的绘制。该方法虽然在一定程度上提高了绘图的精度，然而与传统的手工测量绘图相比只是减少了外业的工作量，内业依旧是手工描线，并没有提高内业绘图的效率。

4、基于三维模型的特征提取数字化制图是指基于三维模型自身的几何属性信息，通过相关的算法提取出特征点和轮廓线，并自动连接绘制生成遵循考古制图规范的线图。该方法与传统的手工测量绘图相比在精度和效率上有所提高，但这种自动化特征提取的算法提取的点、线可能存在相交、自相交等拓扑关系错误，算法阈值参数设置较为复杂，在鲁棒性和普适性上有待提高。

5、综上所述，目前大部分考古数字化制图方法主要是计算机辅助的人机交互式绘图，少部分自动化绘图采用特征提取--拟合构线的方法，在精度效率和鲁棒性普适性上都有待提高。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，包括如下步骤：

2、步骤1、平剖面点集生成；

3、步骤2、散乱点集有序化；

4、步骤3、点集优化；

5、步骤4、曲线拟合；

6、优选的，步骤1中，将遗迹点云切割投影到二维平面，再进行轮廓点提取获取平剖面点集，步骤如下：

7、步骤11、计算点云的aabb包围盒平面，并通过投影算法将点云映射到aabb包围盒平面上获取二维平面点集；通过欧式距离约束的方法获取剖面点集；

8、步骤12、采用基于密度的自适应α-shapes算法对步骤11获取的平面点集进行边界点提取，

9、具体步骤如下：

10、①设点集c有n个点，ρ表示平均密度，dis(p，q)表示p和其他任意一点q两点之间距离，dp表示点p与其他点的最小距离，则有：dp＝min(dis(p，q))，q＝1,2，...，n，p≠q，其中滚动圆半径α＝kρ；

11、②对于点集c中任意一点p(x，y)，以半径r进行knn搜索最近邻点，记作点集q；

12、③选取q中任意一点p1(x1，y1)，根据p和p1两点坐标采用距离交会法构建α半径圆，计算圆心p2(x2，y2)，p3(x3，y3)坐标；

13、④在点集q中剔除掉p和p1，依次计算q点集中其他点到p2，p3点的距离d，若所有距离d均不小于α，则表明p是边界点；

14、⑤若点集q中其余点到p2或者p3的距离不全都大于α，则表明点p是非边界点，遍历点集q中其余点轮换作为p点，若存在某一点满足③④条件，则表明该点为边界点，终止该点的判断，判断点集q中下一点，直至遍历完点集q；

15、⑥在点集c中去除掉点集q，重复②③④⑤，直至遍历完点集c。

16、优选的，步骤2中，对平剖面点集有序化的步骤如下：

17、步骤21、读取平剖面点集c，记为pi(xi，yi)(i＝1，2，3...，n)；

18、步骤21、读取平剖面点集c，记为pi(xi，yi)(i＝1，2，3...，n)；

19、步骤22、求取点集c的中心o，并去中心化，记qi(xi’，yi’)为去中心化的坐标：

20、步骤23、以op1为x轴，建立局部坐标系，并计算oqi的方位角θ：

21、步骤24、对θ值大小顺时针/逆时针排序，即可获得有序化的平剖面点集。

22、优选的，步骤4中，对平剖面点集进行曲线拟合，具体步骤如下：

23、步骤41、构造单条三次b样条曲线：对于n个离散点，可以确定n-3条三次b样条曲线，因此至少需要4个点才能构造三次b样条曲线，设有点p0、p1、p2、p3，则有三次b样条曲线函数p(μ)＝ω0+ω1μ+ω2μ2+ω3μ3(0≤μ≤1)，其中

24、

25、步骤42、多点闭合考古曲线拟合，对于n个离散点(n≥4)，记为pi(i＝0，1，2，...，n)，以p1、p2、p3、p4绘制第1条三次b样条曲线；以p2、p3、p4、p5绘制第2条三次b样条曲线……最终，以pn-3、pn-2、pn-1、pn绘制第n-3条三次b样条曲线；用上述方法绘出的各段曲线自然衔接，具有c2级连续；

26、步骤43、多点非闭合考古曲线拟合，对于考古线图中一些非闭合的曲线，要使曲线起于始点，止于终点，需要对边界进行处理；以p0，p1，p2，p3为控制点进行三次b样条拟合获得曲线s，若要使拟合的曲线通过始末点p0和p3，则需要分别在p1p0和p2p3的延长线上添加两个点ps，pe，使得再以ps，p0，p1，p2，p3，则需要分别在p1p0和p2p3的延长线上添加两个点ps，pe，使得再以ps，p0，p1，p2，p3，pe为控制点进行分段拟合获得曲线q，s，r，且各段曲线具有c2级连续。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明在获取的考古遗迹点云数据的基础上，首先通过基于密度的自适应α-shapes算法和欧式距离约束法获取遗迹点云中的平剖面点集；然后对散乱点集进行有序化；接着采用d-p算法对点集进行优化；最后选用三次b样条曲线对点集进行插值拟合，从而获得平滑的考古线图。此方法可以自动、快速的获取考古线图，其精度能达到厘米级。

技术特征：

1.一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，其特征在于，步骤1中，将遗迹点云切割投影到二维平面，再进行轮廓点提取获取平剖面点集；具体包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，其特征在于，步骤2中，对平剖面点集有序化具体如下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种基于点云的考古遗迹数字化制图方法，包括如下步骤：（1）平剖面点集生成；（2）散乱点集有序化；（3）点集优化；（4）曲线拟合。本发明能够快速、自动、高效地生成符合考古制图规范的遗迹平剖面线图。

技术研发人员：刘金涛,杨林,李想,杨新阳,赵洋
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16