[發明專利]一種隧道點云去噪和生成可視化模型的方法

在審

• 申請號: 202011394518.X
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112465991A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 劉健;韓勃;高雪池;王凱;王劍宏;金巖;解全一;常洪雷
• 申請（專利權）人: 山東大學;山東高速集團有限公司
• 主分類號: G06T19/20
• 分類號: G06T19/20
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 孫倩文

1.一種隧道點云去噪和生成可視化模型的方法，其特征在于，包括：

步驟1.采集隧道三維點云，并對隧道點云數據預處理；

首先利用三維激光掃描儀采集隧道三維點云，在采集過程中，坐標系的y軸定義為隧道走向方向，z軸垂直于地面，x軸服從右手法則；

然后對導出的點云數據進行預處理，導出點云數據時，將點云的坐標信息導出；

步驟2.去噪點：

由于隧道情況復雜，采用三維激光掃描儀進行掃描時包括干擾物，根據噪聲的位置，分為隧道內噪聲點和隧道外噪聲點，隧道內噪聲點根據空間分布情況又分為移動目標造成的離群點和隧道內設施造成的附屬物噪聲點，根據已有的點排列的幾何特征和隧道實際情況進行去噪點處理，隧道內噪聲和隧道外噪聲分別處理；

步驟3.補縫、補面；

步驟4.構面；

步驟5.添加地面：

用四邊形去構建每一個切片的地面；

步驟1中，預處理的過程包括：

1.1、生成點云切片：將點云數據根據隧道走向進行拆分，拆分成3～5米長的點云切片；

1.2、對每一點云切片進行抽稀處理，處理時多個點云切片采用并行方式單獨處理：

采用現有的柵格化重心抽稀方法對每一點云切片進行抽稀處理，柵格邊長的選擇取決于對最終網格的精度要求，柵格邊長越小，保留的點就越多，生成的網格模型越平滑；

1.3、確定切片包圍盒：取切片點云坐標的最值確定一個長方形包圍盒。

2.根據權利要求1所述的隧道點云去噪和生成可視化模型的方法，其特征在于，步驟2中，去除隧道外噪聲點的過程為：

對每一個點云切片，其包圍盒在x軸方向的范圍已知，在該方向按分米級劃分成點云列，點云列為0.5米，統計每列中點的數量，將點數少于50的列進行刪除；

在z軸方向上作同樣處理，即在z方向按分米級劃分成點云列，點云列寬為0.5m，統計每列中點的數量，將點數少于50的列進行刪除。

3.根據權利要求2所述的隧道點云去噪和生成可視化模型的方法，其特征在于，去除隧道內噪聲點的過程，包括以下步驟：

a、對每個切片再次進行拆分，在xoz平面上再次拆分成若干行、列，從而形成隧道塊，即點云塊；

b、采用主成分分析法對每一隧道塊進行坐標轉換，尋找到擬合平面：

將步驟a處理得到的點云塊中的原始三維數據按列組成3行m列的矩陣X，其中m表示點云塊中的點數；

將矩陣X的每一行進行零均值化，即減去這一行的均值；

求出協方差矩陣其中，C為求得的協方差矩陣，m為點云塊中的點數；

求出協方差矩陣的特征值及對應的特征向量；

將特征值向量按對應特征值大小從上到下按行排列成矩陣，取其為矩陣Y＝PX即為坐標轉換后的數據；

對Y的每一行數據求平均值，得到一個坐標M；

特征向量x₁,x₂與坐標M確定的平面為該塊的擬合平面，x₃的方向與擬合平面的法向量方向共線；

劃定x₃方向的閾值，該閾值的選取依據步驟a中行列寬度的選取，選取到厘米級，為0.05m；

c、隧道的幾何形狀接近于半橢圓型，G和F代表相鄰的兩個含隧道壁的隧道塊中的點，角α和β分別為G、F所在隧道塊的擬合平面在xoz平面上的投影與x軸的夾角，當G與F距離很小時，角α和β大小差距很小，所以通過β確定α的近似值，從而得到G所在隧道塊的近似擬合平面，通過在擬合平面法向量方向劃定閾值，有效刪除燈棍，車輛等離隧道壁有一定距離的離群點；

對每一隧道塊進行以下操作：

取一隧道塊即為O，然后找到該隧道塊O的前一塊包含隧道壁的隧道塊，即為O₁，根據O₁的特征向量組成的矩陣P₀，計算出本隧道塊O₁坐標轉換后的矩陣Y₀，與步驟b的過程類似，劃定x₃所在直線方向的閾值；

d、由于很多隧道地面包含人行道的原因，地面與隧道之間有高度差，c步驟中的算法只適合從地面起三層以上的數據；對于靠近地面的部分，根據第三層的數據形成的擬合平面，確定這部分的數據斜率范圍，從而將隧道壁與地面完全分離。