[發明專利]基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法

在審

• 申請號: 201910608421.5
• 申請日: 2019-07-08
• 公開（公告）號: CN110375668A
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 張青峰;周陽陽;童亞文;鄭偉;張志毅
• 申請（專利權）人: 西北農林科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G06T17/00
• 代理公司: 西安匠成知識產權代理事務所(普通合伙) 61255
• 代理人: 商宇科

1.一種基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：該重構方法包括以下步驟：

1)點云數據采集

1.1)選擇土樣：選用含水率8％—12％的土壤作為土樣；

1.2)土樣經自然風干后過篩，以黃土高原耕種措施中的等高耕作為填土方式，將土樣分為5層填裝于的侵蝕槽中；

1.3)在耕層表面布設等高耕作農業耕作措施，以橫向坡為耕作方式，其中壟高7-10cm，壟間距為20cm；

1.4)采用三維激光掃描儀掃描獲取坡面點云數據；

1.5)掃描完成后開始降雨，到坡面出現較明顯層疊狀或魚鱗片狀的跌水，坡面徑流開始生成、坡面出現明顯的細溝時，分別作為濺蝕階段、片蝕階段、細溝侵蝕階段；

1.6)在水蝕發育的每個階段，停止降雨后待坡面無積水時，采用三維激光掃描儀掃描獲取點云數據，并對細溝侵蝕后半小時坡面進行掃描；

1.7)最后基于三維激光掃描儀搭配的ScanMaster軟件進行點云數據拼接、噪聲點剔除和多余點刪除等預處理，并以文本文件的形式進行存儲；

2)點云數據簡化

2.1)利用八叉樹法的快速收斂特性、遞歸構建原理和空間劃分規則創建拓撲關系并進行鄰域搜索；

2.2)首先需確定最小點間距，即最小包圍盒邊長L_min，作為遞歸分割的結束條件；

2.3)繼而將包圍盒平均分割為8個子盒，并對包含有多個點云的子盒繼續分割，直至最小子盒邊長等于給定的點距為止，分割過程使用八叉樹記錄；

2.4)最后，廣度遍歷生成的八叉樹，利用數據點的空間分布與包圍盒的對應關系，快速搜索任意點P的鄰域點集，以鄰域點集為基礎建立拓撲結構，以實現點云簡化，L_min取值范圍為1-10mm；

3)微地形模型創建

3.1)在三角網格基礎上構建曲面片；沿u向(切片方向)對每個切片上的數據，把它們換算成帶權的型值點，再按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式，求出控制點，然后再把這些控制點看作ν向的型值點，再沿ν向按照B樣條曲線的邊界條件及反算公式進行反算，求得控制點構成控制網格；

3.2)得到控制網格后，進行NURBS曲面重構，并可經B樣條基函數重采樣后獲得離散型數字高程模型DEM。

2.根據權利要求1所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述步驟1.1)中，為了確保土壤含水量達8％—12％，需先對試驗土壤進行預降雨處理，雨強設置為30mm/h，持續時間25min，直到坡面出現產流為止。

3.根據權利要求2所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述步驟1.2)中，侵蝕槽規格為2m×1m×0.5m，每層土樣容重控制在1.30g/cm³之內。

4.根據權利要求3所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述步驟1.2)中，在侵蝕槽中設定水平方向線，使每層供試的土樣地表與水平方向線平行。

5.根據權利要求4所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述步驟1.6)降雨條件是：依據黃土高原侵蝕性降雨的分布規律，以日降水量≥12mm為侵蝕性降水劃分標準，設置雨強大小60mm/h以及土槽坡度5°、10°和20°。

6.根據權利要求5所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述3.1)中，在反算過程中，應用重節點端點條件，使特征多邊形的首、末頂點滿足型值點首、末端點的插值條件，邊界條件取為自由端點條件，節點矢量按照累計弦長法計算。

7.根據權利要求6所述的基于點云數據的黃土坡面微地形曲面重構方法，其特征在于：所述3.1)中，設置控制頂點取值范圍16-32，取應用到每個控制網格的控制點數范圍為16-24，實際控制點數根據曲率及長度計算。