[發(fā)明專利]一種基于激光雷達(dá)構(gòu)建室內(nèi)真實(shí)三維地圖的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711457089.4
• 申請(qǐng)日: 2017-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108171780A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅欣;王蓉;鐘明;張建
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T15/00
• 分類號(hào): G06T15/00;G06T17/20
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光雷達(dá)構(gòu)建室內(nèi)真實(shí)三維地圖的方法，屬于計(jì)算機(jī)三維建模與室內(nèi)地圖領(lǐng)域，是基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)真實(shí)三維地圖的構(gòu)建。本文采用激光雷達(dá)掃描技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量獲取室內(nèi)場(chǎng)景的真實(shí)空間分布的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用隨機(jī)采樣一致性算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景平面特征提取，獲得主體框架；采用距離聚類算法實(shí)現(xiàn)其它各物體的聚類分割。分割完成之后，對(duì)主體框架與各室內(nèi)物體分別進(jìn)行Delaunay三角化，從而形成各三維網(wǎng)格模型；對(duì)于網(wǎng)格模型中存在的孔洞以及傘狀結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)三維建模與室內(nèi)地圖領(lǐng)域，是基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)真實(shí)三維地圖的構(gòu)建。

技術(shù)背景

近年來(lái)，室內(nèi)地圖已成為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)階段的大部分室內(nèi)地圖主要是以二維平面化為主，缺少立體感，即使現(xiàn)存的室內(nèi)三維地圖也主要是使用相關(guān)建模軟件所構(gòu)建的虛擬三維場(chǎng)景模型，這與真實(shí)室內(nèi)場(chǎng)景的幾何空間分布存在差異，進(jìn)而不免給用戶帶去相關(guān)誤解，使室內(nèi)地圖的發(fā)展與應(yīng)用受到很大限制。所以構(gòu)建具有親和力與表現(xiàn)力的真實(shí)幾何空間分布室內(nèi)三維模型并且基于模型生成地圖，顯得十分必要。而目前的三維建模的主要方法是基于測(cè)量信息人工繪制與基于圖像還原三維模型的方法。人工繪制的方法雖然操作簡(jiǎn)單，但是工作量較大并且只能大致描述物體的形狀細(xì)節(jié)還原度較低；根據(jù)深度信息還原三維模型的方法獲得的三維模型精度較低，算法較為復(fù)雜：其中國(guó)外學(xué)者Pollefeyes等采用多攝像機(jī)成像的方法用分布在垂直軸上的八個(gè)相機(jī)采集視頻圖像，并應(yīng)用GPS和慣性導(dǎo)航輔助進(jìn)行定位和運(yùn)動(dòng)估計(jì)，對(duì)城市場(chǎng)景進(jìn)行了三維建模，但是僅適用于典型的、規(guī)則化城市場(chǎng)景且需要攝像機(jī)精確安裝。由此可見(jiàn)，三維建模技術(shù)與三維地圖技術(shù)還有待發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)地圖的不足之處，使用一種基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建室內(nèi)真實(shí)三維地圖的方法。采用此方法過(guò)程中對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行主體框架提取以及室內(nèi)物體聚類分割，一方面可提高建模速率，另一方面為后續(xù)地圖各部分地理數(shù)據(jù)管理奠定基礎(chǔ)；在完成模型構(gòu)建及優(yōu)化后，更重要的是并不止于得到模型，而是將模型擴(kuò)展到室內(nèi)地圖方面加以進(jìn)一步的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真實(shí)室內(nèi)三維地圖可視化應(yīng)用。

本文采用激光雷達(dá)掃描技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量獲取室內(nèi)場(chǎng)景的真實(shí)空間分布的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用隨機(jī)采樣一致性算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景平面特征提取，獲得主體框架；采用距離聚類算法實(shí)現(xiàn)其它各物體的聚類分割。分割完成之后，對(duì)主體框架與各室內(nèi)物體分別進(jìn)行Delaunay三角化，從而形成各三維網(wǎng)格模型；對(duì)于網(wǎng)格模型中存在的孔洞以及傘狀結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于所得各三維優(yōu)化模型，使用ArcGIS的3D Analyst分析工具轉(zhuǎn)化為各個(gè)shapefile文件，后臺(tái)數(shù)據(jù)通過(guò)ArcSDE與SQL Server 2008R2的組合形成完成數(shù)據(jù)庫(kù)管理。最后基于ArcEngine和VS2010平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型到室內(nèi)三維地圖的可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，完成室內(nèi)地圖的可視化基本操作、目標(biāo)查詢以及興趣點(diǎn)標(biāo)記管理等功能。

本發(fā)明的主要技術(shù)過(guò)程如下，一種基于激光雷達(dá)構(gòu)建室內(nèi)真實(shí)三維地圖的方法，該方法包括：

步驟1：在多個(gè)站點(diǎn)使用激光雷達(dá)掃描儀對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行掃描，獲取不同站點(diǎn)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

步驟2：對(duì)步驟1獲得室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組織索引、去噪、配準(zhǔn)、降采樣的預(yù)處理；

步驟2.1：選擇K-D樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)步驟1獲得的各站點(diǎn)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與索引；

步驟2.2：對(duì)各站點(diǎn)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，首先在源數(shù)據(jù)構(gòu)建K-D樹(shù)的過(guò)程中，當(dāng)某些局部空間中的點(diǎn)數(shù)量少于所設(shè)閾值k時(shí)，默認(rèn)為該局部空間的點(diǎn)為噪聲點(diǎn)，加以剔除；其次各個(gè)局部空間中基于k鄰域采用最小二乘法擬合出平面Ti，最后判定k鄰域內(nèi)所有點(diǎn)到相應(yīng)所擬合平面Ti的距離di，如果di大于所設(shè)置的閾值，那么將該點(diǎn)剔除；

步驟2.3：將各站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，形成統(tǒng)一的室內(nèi)場(chǎng)景；