CN106772318A - 一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法 - Google Patents

一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法，包括以下步骤：（1）判断末次回波；(2)判断扫描线；（3）计算扫描线内激光回波点之间的水平距离及其统计量；（4）计算扫描线0度扫描角激光回波点的中心点；（5）计算扫描线间的水平距离及其统计量；（6）计算激光扫描均一指数；该钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法能够判别激光扫描线、判别激光扫描线中线点以及判别激光扫描均一性。

Description

一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法。
背景技术
钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称。钢的化学成分可以有很大变化，只含碳元素的钢称为碳素钢（碳钢）或普通钢；在实际生产中，钢往往根据用途的不同含有不同的合金元素，比如：锰、镍、钒等等。人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但是直到19世纪贝氏炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作。如今，钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。可以说钢是现代社会的物质基础。中华人民共和国国家标准GB/T 13304－91《钢分类》描述：“以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。”其中的一般是指除铬钢外的其他钢种，部分铬钢的含碳量允许大于2%。含碳量大于2%的铁合金是铸铁。其他国际标准如ISO 4948或EN 10020中对钢的定义也与此类似，美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中：①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示，例如，某些较普通的奥氏体不锈钢是以201、 304、 316以及310为标记。
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。飞行平台的运动速度受大气湍流、平台稳定性等因素影响，出现一定的波动和非均一性，导致激光扫描线之间的间隔出现变化。另外，不同的激光扫描模式将产生不同的激光回波点间隔，对于匀速的旋转棱镜扫描模式，随着扫描角的增加，激光回波点之间间隔而变大；对于变速的震荡镜扫描模式，随着扫描角的增加，激光回波点之间间隔呈现变小趋势。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。
扫描线之间的距离采用扫描线中心点之间的距离，由于存在多个0度角激光回波点，将0度角激光回波点的中心点作为扫描线中心点。另外，为了减小激光损失点产生的影响，采用GPS时间判别规则计算0度角激光回波点的中心点。
为了评价激光扫描间隔的均一性，这里提出了一种激光雷达扫描均一指数，并给出了测量方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题：（1）根据前后激光回波点的扫描角判断激光扫描线，计算激光扫描线内前后激光回波点之间的水平距离；（2）根据激光回波点的0度扫描角判断激光扫描线中心点，计算激光扫描线之间的水平距离；（3）根据扫描线内激光回波点之间的水平距离和扫描线之间的水平距离计算激光扫描均一指数，用于判别激光扫描的均一性。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法，包括以下步骤：
（1）判断末次回波：根据每个激光脉冲的回波个数NR和回波编号RN判断末次回波，若NR等于RN，则表示该回波点为末次回波点；
（2）判断扫描线：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<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；
（3）计算扫描线内激光回波点之间的水平距离及其统计量：根据前后激光回波点位置计算回波点之间的水平距离Da，并统计水平距离Da的平均值Mean(Da)和标准差StdDev(Da)： ；
（4）计算扫描线0度扫描角激光回波点的中心点：对于扫描线内多个0度扫描角激光回波点，根据第1个回波点的GPS时间和最后一个回波点的GPS时间，计算GPS时间中值，依次计算每个回波点GPS时间与GPS时间中值之间差值的绝对值dT，将dT最小值对应的回波点作为0度扫描角激光回波点的中心点；
（5）计算扫描线间的水平距离及其统计量：根据前后激光扫描线中心点位置计算扫描线间的水平距离Db，并统计水平距离Db的平均值Mean(Db)和标准差StdDev(Db)：；
（6）计算激光扫描均一指数：根据激光扫描线内激光回波点之间水平距离Da的统计量计算扫描线内激光扫描的均一性Ua：，根据激光扫描线间的水平距离Db的统计量计算扫描线间激光扫描的均一性Ub：，根据扫描线内激光扫描的均一性和扫描线间激光扫描的均一性计算激光扫描的均一性U：。
基本原理：激光雷达航带数据存储为点云形式，点云数据包含了每个回波点的空间坐标、扫描角等信息，仅使用末次回波点，首先根据前后两个激光回波点扫描角之间的关系判断扫描线，计算扫描线内激光回波点之间的水平距离，并统计扫描线内水平距离的平均值和标准差；根据GPS时间判断扫描线内0度扫描角激光回波点的中心点，计算激光扫描线中心点之间的水平距离，并统计扫描线间水平距离的平均值和标准差；根据扫描线内和扫描线间的统计量计算激光扫描均一指数，用于判断激光扫描的均一性。
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水平距离统计量及激光扫描线间的水平距离统计量，进而计算激光扫描均一指数，用于评价激光扫描数据的均一性，激光扫描均一指数越接近于1，表示激光扫描数据越均一。
具体实施方式
一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法，包括以下步骤：
（1）判断末次回波：根据每个激光脉冲的回波个数NR和回波编号RN判断末次回波，若NR等于RN，则表示该回波点为末次回波点；
（2）判断扫描线：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<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；
（3）计算扫描线内激光回波点之间的水平距离及其统计量：根据前后激光回波点位置计算回波点之间的水平距离Da，并统计水平距离Da的平均值Mean(Da)和标准差StdDev(Da)：；
（4）计算扫描线0度扫描角激光回波点的中心点：对于扫描线内多个0度扫描角激光回波点，根据第1个回波点的GPS时间和最后一个回波点的GPS时间，计算GPS时间中值，依次计算每个回波点GPS时间与GPS时间中值之间差值的绝对值dT，将dT最小值对应的回波点作为0度扫描角激光回波点的中心点；
（5）计算扫描线间的水平距离及其统计量：根据前后激光扫描线中心点位置计算扫描线间的水平距离Db，并统计水平距离Db的平均值Mean(Db)和标准差StdDev(Db)：；
（6）计算激光扫描均一指数：根据激光扫描线内激光回波点之间水平距离Da的统计量计算扫描线内激光扫描的均一性Ua：，根据激光扫描线间的水平距离Db的统计量计算扫描线间激光扫描的均一性Ub：，根据扫描线内激光扫描的均一性和扫描线间激光扫描的均一性计算激光扫描的均一性U：。
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水平距离统计量及激光扫描线间的水平距离统计量，进而计算激光扫描均一指数，用于评价激光扫描数据的均一性，激光扫描均一指数越接近于1，表示激光扫描数据越均一。
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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种钢结构内部激光雷达扫描密度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）判断末次回波：根据每个激光脉冲的回波个数NR和回波编号RN判断末次回波，若NR等于RN，则表示该回波点为末次回波点；
（2）判断扫描线：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<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；
（3）计算扫描线内激光回波点之间的水平距离及其统计量：根据前后激光回波点位置计算回波点之间的水平距离Da，并统计水平距离Da的平均值Mean(Da)和标准差StdDev(Da)： ；
（4）计算扫描线0度扫描角激光回波点的中心点：对于扫描线内多个0度扫描角激光回波点，根据第1个回波点的GPS时间和最后一个回波点的GPS时间，计算GPS时间中值，依次计算每个回波点GPS时间与GPS时间中值之间差值的绝对值dT，将dT最小值对应的回波点作为0度扫描角激光回波点的中心点；
（5）计算扫描线间的水平距离及其统计量：根据前后激光扫描线中心点位置计算扫描线间的水平距离Db，并统计水平距离Db的平均值Mean(Db)和标准差StdDev(Db)：；
（6）计算激光扫描均一指数：根据激光扫描线内激光回波点之间水平距离Da的统计量计算扫描线内激光扫描的均一性Ua：，根据激光扫描线间的水平距离Db的统计量计算扫描线间激光扫描的均一性Ub：，根据扫描线内激光扫描的均一性和扫描线间激光扫描的均一性计算激光扫描的均一性U：。
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