專利名稱：激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測量領(lǐng)域，具體涉及一種激光掃描采樣數(shù)據(jù)的處理方法和裝置。
背景技術(shù)：
激光掃描作為近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)，具有探測精度高、成像直觀等優(yōu) 點，在各類空區(qū)的精確探測上顯示出獨到優(yōu)勢。三維激光掃描儀是一種通過激光測距傳 感器獲取三維激光掃描儀與被測目標表面的各測量點之間的距離，進而獲取被測目標的 三維空間形態(tài)的設(shè)備。三維激光掃描儀可以實現(xiàn)高精度無損測量，在建筑物三維建模、 礦山井下構(gòu)筑物數(shù)字化、文物保護等諸多領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價值?，F(xiàn)有技術(shù)中的一種三維激光掃描過程的示意圖如圖1所示，掃描頭的核心部件 可以做360°橫向旋轉(zhuǎn)，并收集距離值和掃描角度數(shù)據(jù)。掃描頭每完成一次360°橫向掃 描后，按照事先設(shè)置的仰角縱向轉(zhuǎn)過一定角度后進行新一輪的掃描。同時，掃描頭整體 可以上下移動，掃描整個空區(qū)范圍的位置信息。由于實際掃描過程中受到空區(qū)粉塵污染、水汽、被掃描體表面粗糙、測量系統(tǒng) 誤差等因素的影響，三維激光掃描儀測量得到的激光掃描數(shù)據(jù)(即點云數(shù)據(jù))中混有 0.1%-5%的噪聲，為空區(qū)形態(tài)的重構(gòu)以及曲面擬合等后續(xù)處理帶來困難，因此，需要對 激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行消除噪聲處理。由于空區(qū)表面的反射性，空區(qū)存在激光掃描不到的死角(比如遮擋)、激光測量 角度的限制等因素的影響，三維激光掃描儀無法測量到空區(qū)某些局部的點云數(shù)據(jù)，采集 到的激光掃描數(shù)據(jù)常含有孔洞。因此，需要對激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行孔洞修補處理。激光掃描數(shù)據(jù)的密度取決于激光掃描間隔和掃描距離。對于狹長的空區(qū)，由于 縱向掃描角度大，掃描距離遠，采集到的激光掃描數(shù)據(jù)存在明顯的稀疏區(qū)域。采集數(shù)據(jù) 的距離值越大，掃描的點密度越低，則激光掃描數(shù)據(jù)越稀疏。因此，需要對激光掃描的 采樣數(shù)據(jù)進行稀疏數(shù)據(jù)增補處理?，F(xiàn)有技術(shù)中的一種對激光掃描數(shù)據(jù)進行消除噪聲、孔洞修補處理的方法為采 用中值濾波方法或圖像處理方法來消除激光掃描數(shù)據(jù)的噪聲，采用曲面重建前、曲面重 建中和曲面重建后的修補算法來進行孔洞修補處理。曲面重建前的孔洞修補主要是提取 孔洞的缺陷區(qū)域，然后構(gòu)造曲面進行孔洞區(qū)域的數(shù)據(jù)補測，最后進行曲面重建獲得數(shù)據(jù) 的網(wǎng)格模型。在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)中的對激光掃描數(shù)據(jù)進行消除 噪聲、孔洞修補處理的方法至少存在如下問題采用中值濾波方法來消除噪聲需要基于 數(shù)據(jù)的掃描關(guān)系，難以處理連續(xù)的噪聲數(shù)據(jù)，且計算量非常大。采用圖像處理方法來消 除噪聲需要找到合適的投影面，在二維平面進行投影，實現(xiàn)的復雜度比較大?；谇嬷亟▽す鈷呙钄?shù)據(jù)進行孔洞修補，計算量較大，且沒有描述孔洞邊 緣的處理算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種三維激光掃描測量方法和裝置，以實現(xiàn)對激光掃描 的采樣數(shù)據(jù)進行有效地消除噪聲、孔洞修補和稀疏數(shù)據(jù)增補處理。一種激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，包括獲取與采樣節(jié)點同層的設(shè)定數(shù)量的采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值的平均值，具 有相同縱向掃描角度θ的采樣節(jié)點為同層的采樣節(jié)點；當所述采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值和所述平均值之間的差值大于設(shè)定的閾值 時，則確定所述采樣節(jié)點為噪聲節(jié)點，并標記為缺失節(jié)點；否則，確定所述采樣節(jié)點為 正常節(jié)點。一種激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理裝置，包括平均值計算模塊，用于獲取與采樣節(jié)點同層的設(shè)定數(shù)量的采樣節(jié)點對應(yīng)的距離 Range值的平均值，具有相同縱向掃描角度θ的采樣節(jié)點為同層的采樣節(jié)點；缺失節(jié)點判斷模塊，用于當所述采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值和所述平均值計 算模塊所計算出的平均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時，則確定所述采樣節(jié)點為噪聲節(jié) 點，并標記缺失節(jié)點；否則，確定所述采樣節(jié)點為正常節(jié)點。由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例基于激光掃描 的采樣數(shù)據(jù)的工作參數(shù)，對激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行噪聲、孔洞修補和稀疏數(shù)據(jù)增補處 理。本發(fā)明實施例能夠準確、快速地確定缺失節(jié)點和稀疏區(qū)域，并對缺失節(jié)點和稀疏區(qū) 域進行有效地增補。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例， 對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的一種三維激光掃描過程的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一提供的一種對激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行噪聲、孔洞修補 和稀疏數(shù)據(jù)增補處理的方法的處理流程圖；圖3為本發(fā)明實施例一提供的一種當90° < β <135°時，做夾角β的角平分 線的示意圖；圖4為本發(fā)明實施例一提供的一種當135° < β <180°時，對夾角β三等分的 示意圖；圖5為本發(fā)明實施例一提供的一種當β > 200°時，做夾角β的角平分線的示 意圖；圖6為本發(fā)明實施例提供的一種三維激光掃描測量裝置的具體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式為便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。實施例一該實施例提供的一種對激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行噪聲、孔洞修補和稀疏數(shù)據(jù)增 補處理的方法的處理流程如圖2所示，包括如下的處理步驟步驟21、將每個采樣節(jié)點對應(yīng)的橫向掃描角度α、縱向掃描角度Θ、距離 Range值和三維空間坐標進行存儲。在空區(qū)接近中心部位安裝激光掃描儀，根據(jù)空區(qū)形態(tài)和大小，調(diào)整激光掃描儀 的橫向掃描角度間隔及縱向掃描角度間隔，對整個空區(qū)進行掃描獲取激光掃描數(shù)據(jù)，該 激光掃描數(shù)據(jù)中包括多個具有不同序號的采樣節(jié)點對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)。對上述激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的采樣模式進行分析，根據(jù)每個采樣節(jié)點對應(yīng)的橫 向掃描角度α及縱向掃描角度θ確定每個采樣節(jié)點的三維空間坐標，并對每個采樣數(shù)據(jù) 進行位置標記，具有相同縱向掃描角度θ的采樣數(shù)據(jù)標記為圓周形的一層。上述橫向掃描角度α的變化范圍在
之間，上述橫向掃描角度α的 采樣間隔為0.1° ；上述縱向掃描角度Θ的角度變化范圍在[-90°，90° ]之間，上述縱 向掃描角度θ的采樣間隔為4°。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)空區(qū)的大小調(diào)節(jié)α和θ的 變化范圍和采樣間隔。將每個采樣節(jié)點對應(yīng)的橫向掃描角度α、縱向掃描角度θ、距離Range值和三 維空間坐標保存在下述表1所示的采樣數(shù)據(jù)信息表中。表1
權(quán)利要求
1.一種激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，包括獲取與采樣節(jié)點同層的設(shè)定數(shù)量的采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值的平均值，具有相 同縱向掃描角度θ的采樣節(jié)點為同層的采樣節(jié)點；當所述采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值和所述平均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時， 則確定所述采樣節(jié)點為噪聲節(jié)點，并標記為缺失節(jié)點；否則，確定所述采樣節(jié)點為正常 節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，所述的方法 還包括獲取缺失節(jié)點的橫向掃描角度α，當所述缺失節(jié)點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度 范圍內(nèi)存在多個缺失節(jié)點，則記錄所有的缺失節(jié)點，將位于缺失節(jié)點兩端的正常節(jié)點標 記為頂點；繼續(xù)檢查所述頂點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度范圍的缺失節(jié)點的情況，如果存 在多個缺失的采樣節(jié)點，則記錄所有的缺失節(jié)點，將位于多個缺失的采樣節(jié)點兩端的正 常節(jié)點標記為頂點；重復執(zhí)行上述處理過程，一直到在所述頂點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度范圍 的不存在缺失節(jié)點，將所有所述頂點依次用線段連接起來，所有頂點構(gòu)成一個封閉的孔 洞。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，所述的方法 還包括獲取所述孔洞的每個內(nèi)角β，每個內(nèi)角β為連接3個相鄰頂點的兩條線段之間的夾角；當所述β ≤ 90°時，不增補所述β對應(yīng)的3個頂點之間的缺失節(jié)點； 當90° <所述夾角β <135°時，做所述夾角β的角平分線P1V1，線段P1V1的長度為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，所述的方法 還包括在缺失節(jié)點所在的層獲取缺失節(jié)點的橫向掃描角度α的四個相鄰的α，根據(jù)所述四個相鄰的α對應(yīng)的四個采樣節(jié)點的三維坐標進行三維加權(quán)求和計算，獲取增補的采樣節(jié)點的三維坐標，所述三維加權(quán)求和計算的計算方法如下
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，所述的方法 還包括當在缺失節(jié)點所在層內(nèi)存在多個缺失節(jié)點時，則計算出所述多個缺失節(jié)點的中間支 撐位的橫向掃描角度a a = amin +(amax -amin )/2所述amax和αmin表示所述多個缺失節(jié)點的兩端采樣節(jié)點的橫向掃描角度；根據(jù)所述中間支撐位的橫向掃描角度α的四個相鄰的α對應(yīng)的四個采樣節(jié)點的三維 坐標進行三維加權(quán)求和計算，獲取增補的采樣節(jié)點的三維坐標。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法，其特征在于，所述的方法 還包括按照缺失節(jié)點的橫向掃描角度α，將所述缺失節(jié)點所在層的采樣數(shù)據(jù)進行分段，計 算分段后的采樣數(shù)據(jù)的Range均值；當所述分段后的采樣數(shù)據(jù)的Range均值與相鄰層的相應(yīng)位置的分段后的采樣數(shù)據(jù)的 Range均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時，則確定所述缺失節(jié)點所在層和相鄰層之間為稀 疏區(qū)域；在所述缺失節(jié)點所在層和相鄰層之間基于相鄰層相應(yīng)位置的采集數(shù)據(jù)，采用加權(quán)求 和方法進行層間插值。
7.—種激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理裝置，其特征在于，包括平均值計算模塊，用于獲取與采樣節(jié)點同層的設(shè)定數(shù)量的采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range 值的平均值，具有相同縱向掃描角度θ的采樣節(jié)點為同層的采樣節(jié)點；缺失節(jié)點判斷模塊，用于當所述采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值和所述平均值計算模 塊所計算出的平均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時，則確定所述采樣節(jié)點為噪聲節(jié)點， 并標記缺失節(jié)點；否則，確定所述采樣節(jié)點為正常節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理裝置，其特征在于，所述的處理 裝置還包括第一采樣節(jié)點增補模塊，用于獲取缺失節(jié)點的橫向掃描角度α，當所述缺失節(jié)點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度范圍內(nèi)存在多個缺失節(jié)點，則記錄所有的缺失節(jié)點，將位 于缺失節(jié)點兩端的正常節(jié)點標記為頂點；繼續(xù)檢查所述頂點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度范圍的缺失節(jié)點的情況，如果存 在多個缺失的采樣節(jié)點，則記錄所有的缺失節(jié)點，將位于多個缺失的采樣節(jié)點兩端的正 常節(jié)點標記為頂點；重復執(zhí)行上述處理過程，一直到在所述頂點所在層的相鄰層內(nèi)的所述α角度范圍的 不存在缺失節(jié)點，將所述頂點依次用線段連接起來，所有頂點構(gòu)成一個封閉的孔洞；獲取所述孔洞的每個內(nèi)角β，每個內(nèi)角β為連接3個相鄰的頂點的兩條線段之間的 夾角；當所述β 5 90°時，不增補所述β對應(yīng)的3個頂點之間的缺失節(jié)點；當90° <所述夾角β <135°時，做所述夾角β的角平分線P1V1，線段P1V1的長度為
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理裝置，其特征在于，所述的處理 裝置還包括第二采樣節(jié)點增補模塊，用于在缺失節(jié)點所在的層獲取所述缺失節(jié)點的橫向掃描角 度α的四個相鄰的α，根據(jù)所述四個相鄰的α對應(yīng)的四個采樣節(jié)點的三維坐標進行三維 加權(quán)求和計算，獲取增補的采樣節(jié)點的三維坐標，所述三維加權(quán)求和計算的計算方法如 下
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8或9所述的激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理裝置，其特征在于， 所述的處理裝置還包括稀疏數(shù)據(jù)增補模塊，用于按照缺失節(jié)點的橫向掃描角度α，將所述缺失節(jié)點所在層 的采樣數(shù)據(jù)進行分段，計算分段后的采樣數(shù)據(jù)的Range均值；當所述分段后的采樣數(shù)據(jù)的Range均值與相鄰層的相應(yīng)位置的分段后的采樣數(shù)據(jù)的 Range均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時，則確定所述缺失節(jié)點所在層和相鄰層之間為稀 疏區(qū)域；在所述缺失節(jié)點所在層和相鄰層之間基于相鄰層相應(yīng)位置的采集數(shù)據(jù)，采用加權(quán)求 和方法進行層間插值。
全文摘要
本發(fā)明的實施例提供了一種激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的處理方法和裝置。該方法主要包括獲取與采樣節(jié)點同層的設(shè)定數(shù)量的采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值的平均值，具有相同縱向掃描角度θ的采樣節(jié)點為同層的采樣節(jié)點。當所述采樣節(jié)點對應(yīng)的距離Range值和所述平均值之間的差值大于設(shè)定的閾值時，則確定所述采樣節(jié)點為噪聲節(jié)點，并標記為缺失節(jié)點；否則，確定所述采樣節(jié)點為正常節(jié)點。利用本發(fā)明實施例，可以基于激光掃描的采樣數(shù)據(jù)的工作參數(shù)，對激光掃描的采樣數(shù)據(jù)進行噪聲、孔洞修補和稀疏數(shù)據(jù)增補處理。本發(fā)明實施例能夠準確、快速地確定缺失節(jié)點和稀疏區(qū)域，并對缺失節(jié)點和稀疏區(qū)域進行有效地增補。
文檔編號G06F19/00GK102012964SQ20101029005
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者余樂文, 劉冠洲, 張元生, 張國英, 張達, 朱紅, 楊小聰, 栗振江, 沙蕓, 游江維, 王利崗, 邱波, 陳凱 申請人:北京礦冶研究總院