CN106291584A - 一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法 - Google Patents

一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法，包括以下步骤：(1)判断初始扫描线；(2)判断扫描线结束点；(3)根据扫描线内回波点之间距离进行抽稀；(4)判断角不重复扫描线；(5)计算角不重复扫描线间最小距离；(6)根据扫描线间最小距离进行抽稀。该方法具具有以下效果：(1)根据前后激光回波点的扫描角判断激光扫描线，并根据最远距离规则判断扫描线结束点；(2)计算激光扫描线内前后激光回波点之间的距离，按照距离阈值判断是否保存回波点；(3)根据‑5度和+5度范围内激光回波点判断激光扫描线之间的最小距离，按照距离阈值判断是否保存扫描线。

Description

一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法。
背景技术
对于机载激光雷达扫描系统来说，激光雷达按照一定的频率发射激光脉冲，并接收来自地物的回波。激光雷达扫描装置按照一定的扫描频率改变激光脉冲的发射方向，扫描方向一般垂直于飞行平台的运动方向。通过飞行平台的运动和扫描装置的扫描可以得到覆盖了一定宽度的条带状激光雷达点云数据。
为了分析点云密度对地物三维结构的影响，需要对点云进行抽稀，抽稀方法一般分为两种，一种是根据点序列位置进行抽稀，一种是根据点之间距离进行抽稀，这两种方法均未考虑点云的扫描特征。这里提出了一种基于扫描特征的点云抽稀方法，按照距离约束规则进行点云抽稀。
由于飞行平台稳定性、激光扫描模式等因素的影响，扫描线内前后回波点之间的距离不均匀，扫描线之间距离也不均匀，对扫描线内前后回波点之间距离进行约束和扫描线间距离进行约束，可以得到更为均一的点云，提高点云的均一性。
激光扫描模式一般分为单向扫描和双向扫描，单向扫描是指激光沿着单个扫描方向扫描，扫描线通常为平行线，双向扫描是指激光沿着往返扫描方向扫描，扫描线可以为之字形、椭圆形等。通过激光扫描角的变化可以判别激光扫描模式，对于单向扫描模式来说，前后扫描线之间存在扫描角突变，即前一扫描线的结束点扫描角和后一扫描线的开始点扫描角之间存在突变，在扫描线内前后扫描角表现为递增或递减规律；对于双向扫描模式来说，前后扫描线的扫描角存在重叠现象，即前一扫描线的结束点扫描角等于后一扫描线的开始点扫描角，在扫描线内前后扫描角表现为递增与递减交互变换规律。
激光雷达点云数据中激光扫描角存储为整型，单位为度，由于激光脉冲发射频率较高，在激光扫描线上，1度扫描角范围内可能存在多个激光回波点，即多个激光回波点具有相同的扫描角整型值，因此，判断激光扫描线时需要考虑扫描角取整产生的影响。由于存在激光回波信号丢失现象，导致扫描线内缺少0度角回波点，因此，采用一定扫描角范围内回波点判断扫描线之间的距离。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种根据前后激光回波点的扫描角判断激光扫描线，并根据最远距离规则判断扫描线结束点；计算激光扫描线内前后激光回波点之间的距离，按照距离阈值判断是否保存回波点；根据-5度和+5度范围内激光回波点判断激光扫描线之间的最小距离，按照距离阈值判断是否保存的扫描线的基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法，包括以下步骤：
(1)判断初始扫描线：
扫描线是转向回波点之间的回波点构成的线，转向回波点是扫描方向改变的回波点，根据前后激光回波点扫描角计算扫描角差值dSA，以及扫描角差值的累计和sum(dSA)，根据dSA和sum(dSA)判断扫描线是否结束，具体判别规则如下：
若dSA＝0，表示扫描线内扫描角相同的激光回波点；
若dSA＞0并且sum(dSA)＜0，表示扫描线内扫描角的单调递减方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＞1，表示扫描模式为从正向负单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
若dSA＜0并且sum(dSA)＞0，表示扫描线内扫描角的单调递增方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＜-1，表示扫描模式为从负向正单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
(2)判断扫描线结束点：
对于单向扫描，扫描线最后一个回波点为扫描线结束点；
对于双向扫描，根据最远距离规则判断扫描线结束点，在初始扫描线中，计算第一个回波点与其它回波点之间的距离，将与第一个回波点之间距离最大的回波点作为扫描线结束点；
(3)根据扫描线内回波点之间距离进行抽稀：
保存扫描线第一个激光回波点，根据前后激光回波点的位置计算回波点之间的距离Da，若距离Da小于距离阈值DT，则抽稀后一回波点，否则保存后一回波点，迭代处理扫描线内所有回波点；
(4)判断角不重复扫描线：
角不重复扫描线是指扫描线内回波点的扫描角不重复，由于扫描角取整使得多个回波点具有相同扫描角，在角不重复扫描线中仅包含具有相同扫描角的多个回波点中的第一个回波点；
判断回波点扫描角是否位于-5度和+5度范围内，若回波点扫描角位于该范围内，则继续判断是否为不重复扫描角；
根据前后激光回波点扫描角是否相等判断不重复扫描角，若前后回波点扫描角相等，则表示重复扫描角，否则表示不重复扫描角，不重复扫描角回波点放入角不重复扫描线内，则用于判断扫描线之间的最小距离；
(5)计算角不重复扫描线间最小距离：
根据角不重复扫描线计算扫描线间最小距离，判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角是否为递增，若不为递增，则对角不重复扫描线取反，使得角不重复扫描线内回波点扫描角为递增；
判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角的关系，分为三种判别规则：
前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i等于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则计算两个回波点之间的距离Dbi，若未初始化角不重复扫描线间最小距离DMin，则距离Dbi用于初始化最小距离DMin，否则判断距离Dbi与最小距离DMin之间的关系，若距离Dbi小于最小距离DMin，则最小距离等于距离Dbi，继续迭代判断前后角不重复扫描线下一个回波点扫描角SA1i+1和SA2i+1的关系；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i与后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则：若前一角不重复扫描线回波点扫描角SA1i小于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA1i+1与后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i+1大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
(6)根据扫描线间最小距离进行抽稀：
保存第一个扫描线，若扫描线间最小距离Db小于距离阈值DT，则抽稀后一扫描线，否则保存后一扫描线，迭代处理所有扫描线。
本发明的有益效果为：通过该技术方案，能够对激光雷达扫描数据进行处理，计算激光扫描线内激光回波点之间的距离，以及激光扫描线间的最小距离，根据距离判别规则对扫描线内回波点和扫描线进行抽稀，得到更为均一的激光点云数据，满足特定的点云密度需求。
附图说明
图1为本发明一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法，包括以下步骤：
(1)判断初始扫描线：
扫描线是转向回波点之间的回波点构成的线，转向回波点是扫描方向改变的回波点，根据前后激光回波点扫描角计算扫描角差值dSA，以及扫描角差值的累计和sum(dSA)，根据dSA和sum(dSA)判断扫描线是否结束，具体判别规则如下：
若dSA＝0，表示扫描线内扫描角相同的激光回波点；
若dSA＞0并且sum(dSA)＜0，表示扫描线内扫描角的单调递减方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＞1，表示扫描模式为从正向负单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
若dSA＜0并且sum(dSA)＞0，表示扫描线内扫描角的单调递增方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＜-1，表示扫描模式为从负向正单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
(2)判断扫描线结束点：
对于单向扫描，扫描线最后一个回波点为扫描线结束点；
对于双向扫描，根据最远距离规则判断扫描线结束点，在初始扫描线中，计算第一个回波点与其它回波点之间的距离，将与第一个回波点之间距离最大的回波点作为扫描线结束点；
(3)根据扫描线内回波点之间距离进行抽稀：
保存扫描线第一个激光回波点，根据前后激光回波点的位置计算回波点之间的距离Da，若距离Da小于距离阈值DT，则抽稀后一回波点，否则保存后一回波点，迭代处理扫描线内所有回波点；
(4)判断角不重复扫描线：
角不重复扫描线是指扫描线内回波点的扫描角不重复，由于扫描角取整使得多个回波点具有相同扫描角，在角不重复扫描线中仅包含具有相同扫描角的多个回波点中的第一个回波点；
判断回波点扫描角是否位于-5度和+5度范围内，若回波点扫描角位于该范围内，则继续判断是否为不重复扫描角；
根据前后激光回波点扫描角是否相等判断不重复扫描角，若前后回波点扫描角相等，则表示重复扫描角，否则表示不重复扫描角，不重复扫描角回波点放入角不重复扫描线内，则用于判断扫描线之间的最小距离；
(5)计算角不重复扫描线间最小距离：
根据角不重复扫描线计算扫描线间最小距离，判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角是否为递增，若不为递增，则对角不重复扫描线取反，使得角不重复扫描线内回波点扫描角为递增；
判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角的关系，分为三种判别规则：
前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i等于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则计算两个回波点之间的距离Dbi，若未初始化角不重复扫描线间最小距离DMin，则距离Dbi用于初始化最小距离DMin，否则判断距离Dbi与最小距离DMin之间的关系，若距离Dbi小于最小距离DMin，则最小距离等于距离Dbi，继续迭代判断前后角不重复扫描线下一个回波点扫描角SA1i+1和SA2i+1的关系；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i与后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则：若前一角不重复扫描线回波点扫描角SA1i小于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA1i+1与后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i+1大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
(6)根据扫描线间最小距离进行抽稀：
保存第一个扫描线，若扫描线间最小距离Db小于距离阈值DT，则抽稀后一扫描线，否则保存后一扫描线，迭代处理所有扫描线。
本发明的有益效果为：通过该技术方案，能够对激光雷达扫描数据进行处理，计算激光扫描线内激光回波点之间的距离，以及激光扫描线间的最小距离，根据距离判别规则对扫描线内回波点和扫描线进行抽稀，得到更为均一的激光点云数据，满足特定的点云密度需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖子本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于激光雷达扫描特征的点云抽稀方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)判断初始扫描线：
扫描线是转向回波点之间的回波点构成的线，转向回波点是扫描方向改变的回波点，根据前后激光回波点扫描角计算扫描角差值dSA，以及扫描角差值的累计和sum(dSA)，根据dSA和sum(dSA)判断扫描线是否结束，具体判别规则如下：
若dSA＝0，表示扫描线内扫描角相同的激光回波点；
若dSA＞0并且sum(dSA)＜0，表示扫描线内扫描角的单调递减方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＞1，表示扫描模式为从正向负单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
若dSA＜0并且sum(dSA)＞0，表示扫描线内扫描角的单调递增方向改变，当前扫描线结束，新扫描线开始，并将扫描角差值的累计和清零，若dSA＜-1，表示扫描模式为从负向正单向扫描，否则表示扫描模式为双向扫描；
(2)判断扫描线结束点：
对于单向扫描，扫描线最后一个回波点为扫描线结束点；
对于双向扫描，根据最远距离规则判断扫描线结束点，在初始扫描线中，计算第一个回波点与其它回波点之间的距离，将与第一个回波点之间距离最大的回波点作为扫描线结束点；
(3)根据扫描线内回波点之间距离进行抽稀：
保存扫描线第一个激光回波点，根据前后激光回波点的位置计算回波点之间的距离Da，若距离Da小于距离阈值DT，则抽稀后一回波点，否则保存后一回波点，迭代处理扫描线内所有回波点；
(4)判断角不重复扫描线：
角不重复扫描线是指扫描线内回波点的扫描角不重复，由于扫描角取整使得多个回波点具有相同扫描角，在角不重复扫描线中仅包含具有相同扫描角的多个回波点中的第一个回波点；
判断回波点扫描角是否位于-5度和+5度范围内，若回波点扫描角位于该范围内，则继续判断是否为不重复扫描角；
根据前后激光回波点扫描角是否相等判断不重复扫描角，若前后回波点扫描角相等，则表示重复扫描角，否则表示不重复扫描角，不重复扫描角回波点放入角不重复扫描线内，则用于判断扫描线之间的最小距离；
(5)计算角不重复扫描线间最小距离：
根据角不重复扫描线计算扫描线间最小距离，判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角是否为递增，若不为递增，则对角不重复扫描线取反，使得角不重复扫描线内回波点扫描角为递增；
判断前后角不重复扫描线内回波点扫描角的关系，分为三种判别规则：
前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i等于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则计算两个回波点之间的距离Dbi，若未初始化角不重复扫描线间最小距离DMin，则距离Dbi用于初始化最小距离DMin，否则判断距离Dbi与最小距离DMin之间的关系，若距离Dbi小于最小距离DMin，则最小距离等于距离Dbi，继续迭代判断前后角不重复扫描线下一个回波点扫描角SA1i+1和SA2i+1的关系；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则：若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i与后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i+1，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则：若前一角不重复扫描线回波点扫描角SA1i小于后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i，则判断前一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA1i+1与后一角不重复扫描线内回波点扫描角SA2i的关系，若二者相等，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角相等判别规则，若前一角不重复扫描线内回波点扫描角SA1i+1大于后一角不重复扫描线内下一个回波点扫描角SA2i，则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角大于判别规则，否则迭代前后角不重复扫描线内回波点扫描角小于判别规则；
(6)根据扫描线间最小距离进行抽稀：
保存第一个扫描线，若扫描线间最小距离Db小于距离阈值DT，则抽稀后一扫描线，否则保存后一扫描线，迭代处理所有扫描线。
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