[發明專利]基于光斑發散尺寸的無監督式融合點云超體素化方法

在審

• 申請號: 201910081737.3
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN111488769A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 孔建磊;金學波;王小藝;王珍妮;蘇婷立
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;G06T7/10
• 代理公司: 北京眾澤信達知識產權代理事務所(普通合伙) 11701
• 代理人: 王曉紅

一種基于光斑發散尺寸的無監督式融合點云超體素化方法，包括：將林地環境融合點云劃分為超體素預設區域；根據激光光斑發散程度和有效能量截面區域，完成融合點云的體素化處理，確定各體素真實尺寸；確定初始種子點，剔除離散噪音；提取各體素的顏色、溫度、空間分布、光斑尺寸，構建超體素特征向量；對超體素特征向量各分量進行距離標準歸一化處理，應用密度峰值聚類計算各超體素的局部密度和較高密度距離差值；構建綜合評價函數，經過升值排序和閾值參數篩選，確定超體素的劃分中心點；對各中心點周邊體素進行鄰域搜索，得到超體素索引，完成無監督地超體素自動劃分。該方法能夠有效提高林業環境融合點云超體素化的準確性和魯棒性。

技術領域

本發明涉及數字信號處理領域，特別涉及一種基于光斑發散尺寸的無監督式融合點云數據的超體素化處理方法。

背景技術

在現代化林業的發展過程中，數據融合技術的應用十分廣泛，包含三維激光掃描儀、高景深相機及慣性傳感器在內的多源信息采集系統及處理系統在林業中的應用，促使林業發展呈現出智能化趨勢。但由于林業環境的復雜性以及不可控因素，林業特種裝備的自動化仍面臨較大困難：在人工林行駛和作業過程中，因林地環境復雜、目標不易識別而導致的林業特種裝備作業中斷、效率降低乃至威脅駕駛員安全等問題頻頻發生。

發明內容

本發明提供一種基于光斑發散尺寸的無監督式融合點云數據的超體素化處理方法，其能夠有效改善和提高目前林業特種裝備對林地復雜環境中各種目標自動化識別的準確性。

三維激光掃描儀產生的激光脈沖需要經過激光掃描儀內部光學傳播系統的光學聚斂和能量增強后，才能從激光發射孔徑射出。在實際傳播過程中激光束總是存在一定的發散角度，且傳輸路徑中的介質具有較強的反射、衍射甚至阻隔影響，在抵達物體表面時，激光斑已經存在較大的實際尺寸；同時在激光返回過程中，返回脈沖被所測量的對象反射后，會因為物體材質、表面粗糙度、入射角度等分化，造成反射能量弱化，隨著測量距離增加，激光的光斑會越來越大，能量也不斷消失，即所謂光斑發散現象。如附圖5所示，設激光束從發射器射出時的初始尺寸為D₁，發散角為θ₁，在達到距離為L的物體表面時，激光光斑直徑尺寸為：

隨距離的增加，光斑直接尺寸會不斷變大，同樣的，相鄰激光束的中心間距H也會增加。由于激光束在返回后都不可避免的受到相鄰激光束的能量干涉，因此為避免相鄰激光重疊對該激光束能量值影響，定義激光束光斑與相鄰光斑不重疊區域(藍色區域)為有效截面區域，如附圖6所示。以該區域為基礎進行點云體素的劃分，能夠涵蓋點云的空間分布及返回能量的特性，優化超體素化特征向量，更好地呈現林區環境物體表面特性對激光測量的影響，同時使超體素劃分具有更好的邊緣切合度，減少過分割的現象，還為鄰域關系判斷提供幫助。

后續應用綜合評價函數構建密度峰值優化聚類方法，無監督地完成超體素聚類個數和中心劃分，抑制人為調參和干預導致的過度分割等問題，能夠從整體上提升林業環境融合點云超體素化的準確性和魯棒性。

基于以上原理，本公開提供的基于光斑發散尺寸的無監督式融合點云超體素化方法，包括以下步驟：

步驟1：將通過三維激光掃描儀、可見光相機和熱紅外相機獲取的林地環境融合點云數據劃分為超體素預設區域；

步驟2：根據激光光斑發散程度和有效能量截面區域，完成融合點云的體素化處理，并確定各體素真實尺寸；

步驟3：根據各超體素預設區域內相鄰體素間尺寸變化，確定初始種子點，剔除離散的噪音；

步驟4：提取各體素的顏色、溫度、空間分布、光斑尺寸等信息，構建超體素特征向量；

步驟5：對超體素特征向量各分量進行距離標準歸一化處理，應用密度峰值聚類計算各超體素的局部密度和較高密度距離差值；