[發明專利]基于三維激光掃描數據的物體立面矢量化方法和系統

有效

• 申請號: 201010102541.7
• 申請日: 2010-01-27
• 公開（公告）號: CN102136155A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 張愛武;胡少興;宮輝力
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01B11/24
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨;朱世定

技術領域

本發明涉及三維空間信息獲取與表達技術領域，特別涉及一種在遙感、測繪、計算機視覺中應用的基于三維激光掃描數據對物體立面矢量化，進行三維重建的方法和系統。

背景技術

三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一種獲取三維空間數據的高新技術，其通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。在獲取物體表面每個采樣點的空間坐標后，得到點的集合，其為大量的空間離散點陣數據，通常稱之為“點云(Points?Cloud)”。由于獲取的三維數據本身包含幾何特征，可以直接記錄物體表面的幾何屬性，因此可以詳細、準確地表達物體表面的形狀，用于建立物體的三維模型。

現有技術中，本發明的申請人在其論文“增量式三維重建方法”(首都師范大學碩士學位論文，2007年6月13日，研究生：龔利達，指導教師：張愛武)中提出了一種增量式的真實場景三維重建方法，以基于三維激光掃描儀系統獲取的場景三維點云數據為研究對象，根據距離圖像的特點完成室內外場景的三維重建。其方法分為兩個階段，第一階段是對單站的數據做矢量化，在這個階段先對單站點平面分割，然后提取平面點集的邊界，完成單站點距離圖像的矢量化，第二階段是將第一階段提取出來的矢量數據處理成最終模型，由于在第一階段提取出來的邊界數據中存在大量的非凸多邊形，在后期的繪制與處理的很多工作都是基于凸多邊形的，所以需要將得到的非凸多邊形處理成多邊形。

傳統方法計算的壓力在于多站配準合并之后的數據處理，一方面存在大量的冗余數據，另一方面是由站點合并之后的數據量大而帶來的建模、化簡時的計算壓力。為解決以上問題，上述論文中將計算的壓力分攤到各個站點，先對站點獨立矢量化，再將矢量化的結果做凸分解等處理，逐個加入最終模型。由于單站點的數據量不大，對單站點做數據處理計算壓力小，其次，在站點合并過程中，合并的是矢量化之后的數據，數據量已大大減小，因此，計算壓力遠遠小于傳統方法，同時降低了三維建模的復雜度。

但是，上述論文的第一階段中處理的單站數據并未打亂原三維點云的順序。通常，由激光掃描儀獲得的點云數據，從采集方法、外界環境到儀器本身的影響，點云數據對建筑物表面的描述總是不完整的，是含有空洞的，而且是含有噪聲的。對被測目標對象直接采樣獲取的三維點云數據經過去噪和補洞等預處理之后，點云數據在初始掃描時所具有的點間關系已不存在，成為無序的雜亂采樣點集，數據文件中丟失了每個點在距離圖像上的原始行列索引信息。在這種情況下，上述論文中的第一階段中處理單站數據的方法并不適用。

發明內容

本發明的目的在于，解決現有的激光掃描數據矢量化技術由于點云數據量大，數據量接近或超過內存容量矢量化難以進行，并且從中提取特征與邊界十分困難的技術問題。

為達到上述目的，本發明提供一種基于三維激光掃描數據的物體立面矢量化方法，包括：

步驟a，區域分割，利用小平面分割—聚合的方法，從物體表面三維激光點云數據中提取功能區域；

步驟b，邊界提取，通過方向圖像檢測幾何突變，再通過區域邊界進行補充，提取出三維激光點云包含的所述功能區域的邊界點；

步驟c，邊界修正，運用凸分解方法修正所述功能區域的邊界，完成物體立面重建。

本發明進一步提供一種基于三維激光掃描數據的物體立面矢量化系統，包括：激光掃描單元、區域分割單元、邊界提取單元、邊界修正單元和三維模型繪制單元；

所述的激光掃描單元通過發射和接收激光，獲取物體立面的三維點云數據；

所述的區域分割單元從獲取的三維點云數據提取功能區域；

所述的邊界提取單元檢測三維點云數據包含的所述功能區域的邊界信息；

所述的邊界修正單元重新擬合所述功能區域，修正邊界。

本發明的有益效果在于，能夠檢測三維激光點云所包含的幾何邊緣信息，比如建筑物棱角等。提出一個方向圖像的概念，并通過方向圖像檢測幾何突變(包括褶皺和階躍邊界)，再通過區域邊界進行補充，從而充分提取出三維激光點云包含的幾何邊緣信息。本發明的區域分割方法既適用于有序的三維點云也適用于無序雜亂無章的三維點云。本發明適用于所有三維激光掃描數據，通過本發明處理不僅有效提取了三維特征而且減少了數據量。

附圖說明

圖1為本發明實施例一的點云數據矢量化的步驟；

圖2為本發明實施例一的區域分割的流程圖；

圖3為本發明實施例一的邊界提取的流程圖；

圖4為本發明實施例一的邊界修正的流程圖；

圖5為本發明實施例二的點云數據矢量化的步驟；