当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

基于三维TIN的格网化点云数据特征提取


第 35卷增刊 2010年 4月

测绘科学 Sc ience o f Survey ing and M app ing

V o l 35 Suppl A pr

基于三维 T I 的格网化点云数据特征提取 N
黄承亮 , 向
( 重庆市勘测院, 重庆 400020 ;

r />400015)

国家测 绘局重庆测绘院, 重庆

!摘 要 ? 点云数据后处理是当前研究 的热门 话题, 本文 研究了 点云数 据特征 提取方法, 提出一 种基于三 维 T I N 的格网化点云数 据特征提取方法: 首先对点云数据进行格网 细化, 提高 运算效 率; 然后把 点云数 据生成三 维 T I N 模型; 最后通过设定合适 的阈值对 T I 模型中两两三角形之间的关 系进行比较, 从而提取所 求的特征 信息。该方 N 法具有较强的可 操作性和实用性, 对于工程应用具有实际意义。 !关键词 ? 特征提取; 格网化; 三维 T IN; 法向量 !中图分类号 ? P232 !文献标识码 ? A !文 章编号 ? 1009 2307( 2010) 07 0127 03

1 引言
近年来, 三维激 光扫 描技术 作为 一种新 兴的 测量 技术 越来越受到 人们的 关注。利 用三 维激光 扫描 技术, 可 以直 接实现各种 大型 的、复杂 的、不规 则、标准 或非 标准 的实 体或实景三维数 据完 整的采 集, 进而 快速 重构 出实体 目标 的三维模 型及 线、面、体、空 间等各 种制 图数 据 [ 1] 。 该系 统主要是由三维 激光 扫描仪 和系 统软件 组成, 其工作 目标 就是快速、方便、准 确地 获取 近距离 静态 物体的 空间 三维 模型, 以便对模 型进 行进一 步的 分析和 数据 处理。激 光扫 描仪 ( laser Scanne r LS )所 获得的 数据 是由全 离散 的矢 量距 , 离点构成的。 点云 ( po in ts c loud) 的每一个像素 所包含的是一 个距离值和一个 角度值。 离图 像本身 蕴含 了丰富 的信 息, 距 可以直接构建高精度 的 DEM; 但他由 于没有 明显的 形体信 息和拓扑关系信息, 使得目 前必须 与其他传 感器如 CCD 等 结合使用, 因而大 多作为 快速 获取高 精度 地形 数据的 一种 重要技术 [ 2] 。激光扫描 的研 究成 果已经 用于 G IS 数据 的采 集, 重大灾害后 的灾 情调查 与评 价, 森林 覆盖或 困难 地区 的地形测绘、 DTM 获 取、道路事 故快速 定位、 海洋测 深和 环境监测等 [ 3] 。 随着三维激 光扫描 技术 的广泛 应用, 其 相关 的研 究也 越来越引起人们 的重 视, 特别 是点云 数据 的后 处理形 成了 当前研究的热门问题 。点云数 据后处理包括 数据坐标 转化、 数据拼接、数 据压缩、 格网 建立、曲 面拟 合、数 据分 割和 边界提取等。本文 主要是 对点 云数据 的边 界提 取方法 进行 研究。 点云数据 边界 提 取方 法目 前 国内 外 已有 一 些研 究 [ 4] 。 A lrashdan [ 5] 等采用法矢方向发生 突变的点 作为边 界点, 利 用神经网络方法 来自 动提取。 这样可 能漏 掉一 些相邻 表面 法矢变化 较 小的 边 界, 因此, 提取 出 的 边界 可 能不 完 整, 而且得到的 边界比 较宽, 如 果要 进一步 拟合 边界 曲线, 需 要进行细化边界的处理。M ilroy[ 6] 等采用局部坐标 系内的二 次多项式曲面来 逼近 点云, 并 用曲面 的微 分特 性估计 点云

数据 的 曲 率 值, 求 出 曲 率 极 值 点, 从 中 提 取 出 边 界 点。 Y ang[ 7] 等采用参数二 次曲面 方法 逼近点 云数 据, 求出 逼近 曲面的法矢 和曲率 值, 利用 曲率 提取边 界点。采 用局 部坐 标系的方法 来逼近 点云, 过 程比 较复杂, 而且逼 近的 具体 方法不同, 得到 的曲 面曲率 也不 同, 有时 可能和 原始 的曲 率差别较大。本文 提出一 种新 的基于 点数 数据 生成的 三维 T I 模型, 根据 三维 T IN 模 型之 间的 相互 关 系来 判断 边界 N 点的方法。

2 点云格网化
由于点云数 据是一 个海 量数据 源, 如果 在计 算时 直接 把点云数 据整 体 参与 运算 , 必定 会 占用 大量 的 运算 资 源, 因此在计算之前对 点云数 据进 行适当 的细 化处 理是很 有必 要的。这里采用的格网细化来处 理点云数据。 首先, 设点云数据 集为 D ( d i # D ), 对 D 中的每 个数 据进行扫描搜索得到 X、 Y Z 三个方 向上的 最大和 最小值 、 xm in 、ym in、m in 、 m ax、 m ax、m ax 。就 可 以确 定 长方 体 的 八个 角 z x y z 点 的 坐 标 ( xm ax、 m ax、m ax ) 、 ( xm in、 m in、 m in ) 、 ( xma x、 m ix、 y z y z y zm ix ) 、 ( xm in 、 m in、m ax ) 、 ( xm in、 m ax、m in ) 、 ( xm ax、 m ax、m ix ) 、 y z y z y z ( xm ix、 m ax、 max ) 、( xma x、 m ix、m ax ) 。那 么就 可以 确定 长 方体 y z y z 的最外范围。 当长方体的 最外范 围确 定之后, 就可以 对这 个区 域进 行细化, 划分成 一个 一个更 小的 长方体 格网 区域。沿 长方 体的 X、 Y、 Z 方向把最外范围划 分成 m ? n ? l个小 长方体 区域, 设小长方体区 域的长、宽、高 分别为 Q z 、 y 、 z , 那 Q Q 么就可以得到: m = I ( xm ax - xm in ) /Qx + 1 NT n = I ( ym ax - ym in ) /Qy + 1 NT l = INT ( zma x - zm in ) /Q z + 1 长方体细化之后, 对点 云数据 中的每 一个点 d i 都会被 惟一的一个小长 方体 区域所 包含, 而 每个 小长 方体区 域可 能会包含多个点 云数 据, 然后 就可以 根据 小长 方体内 的数 据特征进行计算, 这样可 以有 效的利 用计 算机 资源并 提高 计算速度。

作者简介: 黄承亮 ( 1984 ), 男, 重 庆 人, 重庆勘测院, 主要从 事大地 测量 及测 量 工程, 三 维 激 光 扫 描 方 面 的 研究。 E m a i:l hc lcum t to com @ m 收稿日期: 2009 10 28

3 基于三维 TIN 特征线提取原理
在实际应用中, 通过外 业数 据 采集 得 到 的 地形 点 云 数据 一 般都 采 用 建 立数 字 地 面模 型 的方 法 来 进 行地 形 建 模。在 建 立 数 字 地 面模 型 时 通常 采用 建 立 T I 格网 的 方 N 法, 这 样 可 以 完 整 细致 的 表

图 1 三角形法向量示意图

128

测绘科学

第 35卷

现出地形的 变化。因此 对生 成的 T IN 格 网进 行了解, 分析 其内部每个三角 形之 间的关 系, 对后 续的 模型 处理有 很大 的帮助。 如图 1, 三角形由 A、B、 C 三点构成, n1 为三 角形 ABC 的法向量, 由图可 以 得 到向 量 CA 和 向量 CB , 其 计算 公 式为: CA = ( x1 - x 3, y1 - y3, z1 - z3 ) CB = ( x2 - x 3, y2 - y3, z2 - z3 ) 因此法向量 n1 等于: i j k n1 = CA ? CB = x1 - x 3 y1 - y3 z1 - z3 = ( dx 1, dy1, dz1 ) x 2 - x 3 y 2 - y 3 z2 - z3 式中 i j, k 为单位向量, 通过计算得到 dx1, dy 1, dz1 分 , 别为: dx1 = ( y 1 - y3 ) ( z2 - z3 ) - ( y2 - y3 ) ( z1 - z3 ) dy1 = ( x 2 - x3 ) ( z1 - z3 ) - ( x1 - x3 ) ( z2 - z3 ) dz1 = ( x 1 - x3 ) ( y2 - y 3 ) - ( x2 - x3 ) ( y1 - y3 ) 这样就可以得到 一个三角形的法向 量 n1 , 同理 可以得 到与之相邻 的三 角形 的法 向量 n2 = ( dx2, dy 2, dz2 ) 。 把向 量 n1 和向量 n2 平移到一个共同的顶点, 并对向量作差运算 得 到向量 n3 = n2 - n 1 = ( dx2 - dx1 , dy2 - dy 1, dz2 - dz1 ) 。 同时也可以 得到向量 n1 , n2 , n3 的长度 l1 , l2 , l3 , 其计算 公式为。 由图 2可以看出, 角 是向量 n1 和向量 n2 的夹角, 也 就是相邻两个三 角形 平面之 间的 夹角, 因 此通 过计算 可以 得出 角, 其公式为: = arccos( l2 + l2 - l2 1 2 3 ) 2l1 l2

缓的表面采 用较大 的阈 值, 反之 采用较 小的 阈值。同 时也 可以采用对同一 物体 采用多 个阈 值来提 取特 征, 从中 选择 较好的提取效果。

4 应用实例
本次采用 T r i b le GX 200三维激光扫描仪, 分别 对地形 m 表面和建筑物表 面进 行扫描, 为了保 证有 较高 的特征 提取 精度, 因 此 采用 较 高 的 采 样 密度, 地 形 表 面 采样 间 隔 为 3mm, 建筑物表面采样间隔为 10mm。最 终获得地表 和建筑 物的扫描点云数据如图 4和图 5。

采用本文 提出 的 方法 对地 形 和建 筑物 进 行 特征 提 取。 首先分别对 点云数 据进 行格网 细化, 提 高运 算效率 , 其次 对点云数据建模, 生成地 形和 建筑物 表面 的三 维 T I 格网 N ( 如图 6和图 7, 然后 把三 维 T I 数 据导 入到 开发 程序 进行 N 特征提取, 设 置地 形的 阈值 为 45%, 建筑 物的 阈值 为 25% , 最后得到提取的特征如 图 8和图 9。对建筑物得到的特征点 云数据 进 行曲 线 拟 合, 最 终 得 到建 筑 物 的 轮 廓特 征 线 如 图 10 。

在实际应 用中 可以 知道, 在 地势 平坦 的 区域 生 成 T I N 格网时, 格网中每 个三角 形之 间的相 互连 接也 是相对 平缓 的, 即两个相邻 三角 形之 间的 法 向量 夹角 是 趋 近于 0% 。 而当地势变化比 较剧 烈的时 候, 格网 中每 个三 角形之 间的 连接也变得错综 复杂, 特 别是 在一些 特征 边界 和变化 剧烈 的地方, 两个相互 连接 的三 角形之 间的 法向量 夹角 可能 形成一个较大的 角度。因 此就 可以通 过计 算两 个连接 三角 形之间的法向量夹角 , 来判断该区域是否为要提取的特征 区域。 如图 3, 具体过程为首先计算两个连 接三角形 abc和三 角形 d bc 之间的法向 量夹角 , 然后设 定一 个合理 的阈 值, 当计算出的法 向量 夹角 小 于给 定阈值 时, 说明 该区 域没 有明显变化; 当 计算出 的夹 角 大 于给定 的阈 值时, 该区 域有明显的 变化, 因 此保 留 两个 连接 三角 形的 公共 顶 点 c 和 b, 作为特征点。反复计算 直到所 有三角 形都参 与计 算, 最后就可以得到 所要 求的特 征点, 然 后对 特征 点进行 相应 的处理就可以得 到特 征线。法 向量之 间的 差异 阈值的 选择 是根据物体表面 变化 剧烈程 度确 定, 总体 来说 对于变 化平

从提 取结 果 可以 看 出, 该方法能 有效的 提取 地形 和 建筑 物 的 特 征线。 对于地形变化 明显的 区域 例如对山脊 线、山谷 线或 悬崖边缘以及 轮廓清 晰的 建筑物等都能 有效的 提取 其特征。但此 方法也 有其 图 10 建筑物轮廓特征线 局限性, 对于 一些变 化不 明显, 地形起伏不剧烈和 一些 地形 变化 很复 杂无 规律 的区 域以及一些轮廓 不明 显, 一些 轮廓很 复杂 无规 律的建 筑物 区域可能不能得 到较 好的效 果, 同时 本文 采用 的点云 数据 是剔除粗差之后 的数 据, 并没 有考虑 原始 数据 对粗差 的剔 除方法, 这些还有待进一步的研 究。 (下转第 142页 )

142

测绘 科学

第 35卷

预 测方法, 其 结论如下: 1) 使用函 数 u = A ( e- B t 0 - e-C t ) 可以 对连拱隧 道拱顶 沉降 进行预测 , 在隧道开 挖过程中, 可随 时计算 出拱 顶沉 降 , 并与现场监 测数据结 合, 对连拱 隧道 位移进 行超 前预 测 , 从而对围 岩稳定性判 断提供重要 依据。 a - b /( 1 + e c ) 可 以对 连拱 拱 隧道水平位 移进行预测 。由此可以 随时 掌握隧 道施 工过 程中 围岩变形 情况, 对隧 道变形进 行超前 预测, 对隧 道安 全 施工具有重 要意义。 3) 通过对 实验、现场 监测数据拟 合分析 和综 合研究 , 得 出在埋深小 于 65m, 开挖宽 度小于 25m 的条件下, 连拱 隧道 拱顶沉降 和水平位移 允许 值 (表 8 ), 若 测 量数 据超 过 该 允许值, 则 应引起注意 。 4) 应用预测 公式 成功 地对 邵 怀高 速公 路 隧道 的围 岩 2) 使用函 数 y = a +
t- t 0

位移 进行了预测 , 拱顶沉降 和水平 位移预 测效 果良好 , 测 量位 移与预测 位移的允许 值基本一 致, 这为 该隧 道工 程的 安全 施工提供 了有力保证 。 参考文献 [ 1] [ 2] 肖 林萍, 李永 树 双连拱 隧道围岩位 移数值分 析研 究 [ J] 测绘 科学, 2009, ( 1): 212 216 赵玉光, 张焕新 , 肖林萍, 等 软弱 围岩 双连 拱隧 道 综合修建 关键技术研 究 [ R ] 广 惠 高速 公路 有 限 公司, 西南 交通大学 , 2005: 145 149 肖林萍 连拱 隧道 围岩 变形 规律 研究 [ D ] 西 南 交 通大学博 士学位论文 , 2009 金一 庆 数 字方法 [M ] 社 , 2002 北京 机器 工业出 版

[ 3] [ 4]

S tudy on p red ict ing way of su rroun ding disp lace ent of doub le arch tunn el m Abstract Surround ing rock w ill be defo r ed because of double a rch tunnel tunne ling W hen surround ing rock defo r ation ex : m m ceeds critical defor a tion value, itw ill br ing dengerous at stablility So it is very i po rtant to study on critical defor ation va lue of m m m surround ing ro ck defor ation and pred ic ting way T his paper m ade num er ica l analysis through equ iva len t m ater ial si ulated experi m m m ent and m on itor ing m easure data and g ot cr itica l defor a tion va lue and predicting w ay of surround ing ro ck de fo r ation T he w ay and m m critical defor ation va lue have been tested and ver ified m K ey w ord s doub le arch tunne; surround ing ro ck defor a tion; equ iva len tm ate ria l s i u lated exper i ent cr itica l de fo r ation : l m m m ; m v alue predicting w ay ; X IAO L in p ing, LI Yong shu, ZHA O Yu guang ( Schoo l o f C iv il Eng ineer ing Southw est Jiao tong U n ive rs ity Chengdu 610031, , , China)

( 上接第 128 页 )

[ 3] [ 4]

5 结束语
点云 数据特征 提取是目前 点云数 据后 处理研 究中 的一 个 热点问题, 本文提出了 一种基于三 维 T I 的格 网化 的点 N 云数 据特征提 取方法, 并 通过实例 应用, 获得了 较好 的实 验 结果, 得出 该方法对地 形变化明显 的区 域以及 轮廓 清晰 的 建筑物有良 好特征提取 效果。 参考文献

[ 5]

马立广 地 面 三 维激 光 扫 描 测 量 技 术 研究 [ D ] . 武汉: 武汉大学 , 2005 郭迎福, 李 兵, 陈安华 , 王晓强, 李 鹏南 激 光扫 描点云数据 的 NUR BS 曲面 重构 技术 研究 [ J] . 湖 南科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2006, 21 ( 3 ) : 31 33 A lrashdan A, M o rava lli S, Fa llahi B A uto a tic Seg m m enta ion o f d ig itized da ta fo r reve rse eng inee ring app li cations [ J] . II T ransaction, 200? , 32: 59 69 E M ilroy J Bradley C, V icke rs GW Segm entation o f a w ra Pa round m odel using an active con tou r [ J]. Com puter A ided D esign, 1997, 29( 4) : 299 320 Y ang M L ee E Segm entation ofm ea sured po inda ta using a pa ram etric quadric surface applica tions [ J]. Comput er A idedD esign, 1999, 31 ( 7) : 449 457

[ 6] [ 1] 胡鑫, 习俊 通, 金烨 基 于图像法的 点云数据 边界 自动提 取 [ J] . 上 海 交 通 大 学 报, 2002, 36 ( 8) : 1118 1120 李逢春, 龚 俊, 王青 基 于三维 T I 的精细表 面建 N 模方法 [ J]. 计算机应用 研究, 2006, 8: 159 161

[ 7]

[ 2]

F eature extraction of grid poin t c loud data based on 3D T IN Abstract Po int cloud data processing is a ho t top ic in current research, this pape r researched the m ethod o f feature ex traction : o f the po int c loud da ta and advanced a m ethod ba sed on 3D T I , N: first the po int c loud data pro ce ssed the g rid re fine ent in orde r , m to i prove operationa l effic iency second, the po in t c loud data w as transfo r ed into 3D T I m ode ; a t last the appropriate ex tre m ; m N l , m um w as set to co pare be t een tw o triangulars in o rder to extrac t the fina l feature o f in fo r ation T he m ethod is m o re m aneuver m w m ab ility and feas ible K ey w ord s feature extrac tion g rid; 3D tr iangu lation irregu la r netwo rk; no r a l vec tor : ; m H UAN G Cheng liang , X I ANG J uan ( Chongq ing Survey Institu te Chongq ing 400020, China , ; Chongq ing Institute of Survey andM apping , Chongq ing 400015, China )


相关文章:
三维特征云提取方法
一种提高三维点云特征点提取精度的方法探讨刘信伟 ...Huang[3]在完成数据点三 角网格化的基础上,估算各...3 曲面极值特征点的获取选用三角格网模型模拟表达被...
基于ArcGIS的三维点云数据处理方法研究
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于 ArcGIS 的三维点云数据处理方法...二 是三维数据构建 TIN 的过程中函数模型选择带来的误差,三是控制点资料所带来...
三维点云处理软件需求说明
Office Survey 模块:任意点云导入导出; 点云的裁剪、取样、过滤;提取线形地物;在办公室任意量测数据;任意纵横断 面;点云矢量化;3D 等高线及标注;三角格网生成...
三维数据获取与建模论文
1、了解三种三维模型:格网 DEM、TIN 和等值线; 2...特征线 的提取、具有点云数据渲染、点云数据压缩、...点云矢量化;3D 等高线及标注;三角格网生成;任意...
点云数据三角化
点云数据三角化_机械/仪表_工程科技_专业资料。第1...三维数据场的可视化、基于 CT 图像的体数据的三维...下图是网 格前沿法生成的三角网格实体。 第3章 ...
点云数据三维网格化
点云数据三维网格化_IT/计算机_专业资料。要以点的方式表现一件物体的外形需要数量繁多且密集的点群方能忠实呈现,因此要如何处理庞大的雷射点云数据即是一门重要的...
吴丽沙开题报告最终版
最小化两个表面的法向距离,对参考点云 TIN,建 ...②规则格网的数据组织形式[30]。基于规格格网的...主要包括点云数据的滤波分类、分割实 现平面特征提取...
机载LIDAR点云数据的DSM生成技术研究
数据的特点和数据处理思路,进而分析了 LIDAR 点云数...笔者探讨了基于规则格网重采样生成 DSM 的方法和...点云数据后处理就是 对得到的地面目标的三维点云...
2016年咨询师继续教育遥感试题
点云数据密度均匀,但是扫描角 度小且固定,地面覆盖...规则格网 DEM B.不规则三角网 DEM C.Grid-TIN ...;目标地物的属性特征;目标地物的变 化动态特征。...
激光扫描点云的体素化方法研究
基于体素的三维重建的关键问题是点 云的体素化, ...( TIN)模型三角网的特性,细划三 角面片, 使用点...图 c 为矩形格网法,这种方法只是单纯的建立点云...
更多相关标签:
三维点云数据下载 | 三维点云 | opengl 显示三维点云 | 三维点云数据 | matlab显示三维点云 | matlab点云三维重构 | matlab点云三维重建 | 点云三维重建 |