CN107633523A

CN107633523A - 基于点云的提取建筑特征线方法和系统

Info

Publication number: CN107633523A
Application number: CN201610565366.2A
Authority: CN
Inventors: 陈成华
Original assignee: Seize Heavenly Palace (shenzhen) Technology Co Ltd
Current assignee: Seize Heavenly Palace (shenzhen) Technology Co Ltd
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2036-07-18
Also published as: CN107633523B

Abstract

本发明提供了一种基于点云的提取建筑特征线方法和系统，其中所述方法包括：从海量点云平面数据中取出多个平面；在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则返回计算并提取所述两个平面的交线的步骤，若否，则结束流程。本发明提供的基于点云的提取建筑特征线方法，将共享近邻聚类算法用于地面三维激光扫描建筑物点云平面分割，聚类过程中无需输入聚类的个数，同时利用平面相交的方法提取建筑物棱线特征，平面相交判别方法相对简单，棱线点坐标计算准确。

Description

基于点云的提取建筑特征线方法和系统

技术领域

本发明属于提取装修特征线技术领域，尤其涉及基于点云的提取建筑特征线方法和系统。

背景技术

现有的点云特征线提取方法主要有以下几类：

Gum hold等首先通过构造黎曼树表示点云之间的空间位置关系，利用局部邻域坐标向量的协方差矩阵的特征值作为度量一点属于特征点的依据，并将得到的权重作为构造最小生成树的依据；然后通过优化特征点集的最小生成树连接特征点，生成特征折线。Demarsi等基于法向聚类的方法提出了一种三维点云数据封闭特征线提取方法。首先根据计算的法向将点云数据分割；然后，对分割得到的没一个区域的点云进行边界探测，将边界点连接起来生成特征线。王丽辉等提出了一种基于密度和曲率的特征点检测算法，该算法为每个数据点定义一个特征参数，这个参数由三个部分组成，分别为点到邻近点的平均距离；点的法向与邻居点法向的夹角和数据点曲率。为了让每个数据点特征参数更加的准确，在计算特征参数阀值的过程中将点云密度添加进去，减少了模型变化对阀值的影响。庞旭芳等使用数据点的曲率来标识特征点，然后从中选择合适的平滑点来生成特征折线，最后滤除特征折线上的噪声点，得到光滑的特征线。邹冬等提出了一种基于移动最小二乘法的点云模型尖锐特征提取算法，该算法首先根据数据点的投影残差来判别特征点，然后采用一种改进的主元分析法光顺潜在的特征点，再利用改进的折线生长算法生成特征折线，最后计算模型的角点，优化提取的特征线。

现有的点云特征线的提取主要是依靠数据点的法矢、曲率、投影残差等识别出点云中潜在的特征点，然后根据一定的准则生成折线，完成模型的特征线提取。对特征线进行插值，填补点云中棱线上的特征点，这个过程中需要计算每个数据点的特征信息，计算数据量大，并且对得到的特征点需要排序，确认连接关系，计算复杂，不适用于城市点云建筑物点云特征线的提取。

发明内容

针对现有技术不适用于城市点云建筑物点云特征线的提取，本发明实施例提供一种基于点云的提取建筑特征线方法和系统。

本发明提供一种基于点云的提取建筑特征线方法，包括：

从海量点云平面数据中取出多个平面；

在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；

若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；

判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则返回计算并提取所述两个平面的交线的步骤，若否，则结束流程。

优选的，所述判断两个平面是否相交具体包括：

计算所述两个平面的夹角，根据所述夹角判断所述两个平面是否平行；

若不平行，则判断所述两个平面在棱线附近是否都存在扫描点；

若所述两个平面的棱线附近都存在扫描点，则说明所述两个平面相交。

优选的，根据所述夹角判断所述两个平面是否平行，包括：

计算数据点云的法向量，搜索点的k个邻近点，根据k个点的坐标拟合平面，平面拟合方程为

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

对平面上扫描点数为k＝3，则平面可唯一确定，如果k>3，则要进行最小二乘拟合求解平面特征参数，根据(1-1)式对平面所有的观测，即对“1”观测，观测方程为

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

式中V＝[v₁ v₂ … v_k]^T，若拟合误差小于给定的阀值，则将拟合平面的单位法向量n＝(n₁,n₂,n₃)作为这k个点的法向量，若拟合误差大于给定的阀值，则该点处在棱角附近或者为噪声点不参与聚类；

每一类点按公式(1-1)拟合一个平面，得到其法向量n，m。按公式(1-6)计算每两个平面法向量的夹角γ。

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。

优选的，所述判断所述两个平面在棱线附近是否都存在扫描点，具体包括：：

坐标转化的方式为：将交线法向量l旋转到l₀＝(0,0,1)，旋转矩阵R由下式计算

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

转换之后同一平面点的x，y坐标在一条直线上，即将转换后两平面点云投影到XOY平面后为两条直线，交线L投影到XOY平面后为一个点l；

E₁′、E₂′为旋转后的两平面点云在交点l的r邻域内的点集，若E₁′、E₂′均为非空集合，计算点集E₁′、E₂′中z坐标的范围，分别为{z|minz₁≤z≤maxz₁}、{z|minz₂≤z≤maxz₂}，按公式(1-9)计算两个点集z坐标的范围的交集{z|minz≤z≤maxz}:

若minz＜maxz，则证明两个点集z坐标的范围的交集不为空，则两平面相交，填补两平面的交线点。

优选的，所述交线点的特征点坐标包括：E₁、E₂为两个平面点集,按公式(1-1)拟合平面，得到两个平面的单位法向量为n＝(n₁,n₂,n₃)和m＝(m₁,m₂,m₃)，则两个平面的Hesse标准公式

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

对E₁、E₂按公式(1-8)进行旋转，l旋转到l₀＝(0,0,1)，某已知P点旋转后坐标为(x_P,y_P,z_P)，E₁、E₂旋转后为E₁′、E₂′，这时交线上所有的点的x、y坐标为常数，既x_P、y_P，只需确定z坐标；

x_P、y_P的计算方式为：对E₁′、E₂′中的x,y坐标，分别按公式(1-12)拟合直线，

Ax+By-1＝0 (1-12)

得到两条直线的参数分别为A₁、B₁，A₂、B₂，两条直线的交点坐标即为x_P、y_P，按下式计算x_P、y_P的值：

按公式(1-9)计算E₁′、E₂′中z坐标的范围的交集，设定填补的棱线点间距为Δ，则填补点个数N为：

则交线的第i个点坐标为：

本发明还提供一种基于点云的提取建筑特征线系统，包括：

取出模块，用于从海量点云平面数据中取出多个平面；

第一判断模块，用于在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；

交线计算模块，用于判定若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；

第二判断模块，用于判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则返回计算并提取所述两个平面的交线的步骤，若否，则结束流程。

优选的，所述第一判断模块具体还包括：

第一判断单元，用于计算所述两个平面的夹角，根据所述夹角判断所述两个平面是否平行；

第二判断单元，用于若两平面不平行，则判断所述两个平面在棱线附近是否都存在扫描点；

优选的，所述第一判断单元具体用于：

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。

优选的，所述第二判定单元具体用于：

转换模块，用于坐标转化:

E₁、E₂为两个平面点集，按公式(1-1)拟合平面，得到两个平面的单位法向量为n＝(n₁,n₂,n₃)和m＝(m₁,m₂,m₃)，则两个平面的Hesse标准公式

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

将交线法向量l旋转到l₀＝(0,0,1)，旋转矩阵R由下式计算

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

优选的，所述交线计算模块具体用于：

Ax+By-1＝0 (1-12)

则交线的第i个点坐标为：

本发明提供的基于点云的提取建筑特征线方法和系统，将共享近邻聚类算法用于地面三维激光扫描建筑物点云平面分割，聚类过程中无需输入聚类的个数，计算效率较高，同时利用平面相交的方法提取建筑物棱线特征，平面相交判别方法相对简单，棱线点坐标计算准确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于点云的提取建筑特征线方法的步骤图；

图2为本发明实施例提供的基于点云的提取建筑特征线方法的逻辑图；

图3为本发明实施例提供的基于点云的提取建筑特征线方法的提取结果示意图；

图4为本发明实施例提供的基于点云的提取建筑特征线系统的结构图；

图5为本发明实施例提供第一判断模块的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于点云的提取建筑特征线方法，如图1和图2所示，包括：

一种基于点云的提取建筑特征线方法，包括：

S100、从海量点云平面数据中取出多个平面；

S200、在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；

S300、若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；

S400、判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则返回计算并提取所述两个平面的交线的步骤，若否，则结束流程。

优选的，所述判断两个平面是否相交具体包括：

优选的，根据所述夹角判断所述两个平面是否平行，包括：

计算数据点云的法向量，采用基于局部表面拟合的方法计算点云的法向量，搜索点的k个邻近点，根据k个点的坐标拟合平面，平面拟合方程为

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

具体的，在数学上，求解平面特征参数(A,B,C)^T的过程称为拟合,)对平面上扫描点数为k＝3，则平面可唯一确定，如果k>3，则要进行最小二乘拟合求解平面特征参数。具体的，所述最小二乘拟合求解平面特征参数具体为求解平面特征参数(A,B,C)^T。根据(1-1)式，认为对平面所有的观测，就是对“1”观测，观测方程为

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

式中V＝[v₁ v₂ … v_k]^T，如果拟合误差小于给定的阀值，则将拟合平面的单位法向量n＝(n₁,n₂,n₃)作为这k个点的法向量，如果拟合误差大于给定的阀值，则该点很可能处在棱角附近或者为噪声点，该点不参与聚类；

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。进一步的，若判断两平面不平行，计算平面交线的法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)。

具体的，为了简单快速的判断两平面在棱线附近是否都纯在扫描点，统一所有平面的判断方法，方便计算机的实现，采用坐标转换的方法来判断两平面在交线附近是否存在扫描点。)优选的，所述通过两平面在交线附近是否都有扫描点判断两个平面是否相交，具体为通过坐标转换判断两平面在交线附近是否存在扫描点：

坐标转化的方式为：

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

将交线法向量l旋转到l₀＝(0,0,1)，旋转矩阵R由下式计算

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

若minz＜maxz，则证明两个点集z坐标的范围的交集不为空，则两平面相交。具体的，若判断两平面相交，填补两平面的交线点。

优选的，所述交线点的特征点坐标包括：

具体的，公式(1-11)只能求解2个未知数，要假设直线上一点P(X_P,Y_P,Z_P)∈L其中一个坐标分量，计算另外两个为了快速计算，变3维计算为1维计算，对E₁、E₂按公式(1-8)进行旋转，l旋转到l₀＝(0,0,1)，某已知P点旋转后坐标为(x_P,y_P,z_P)，E₁、E₂旋转后为E₁′、E₂′，这时交线上所有的点的x、y坐标为常数，既x_P、y_P，只需确定z坐标；

Ax+By-1＝0 (1-12)

则交线的第i个点坐标为：

如图3所示，通过R^-1将交线的特征点坐标转换到原始点云坐标系，完成线特征的自动提取。

本发明提供的基于点云的提取建筑特征线方法，将共享近邻聚类算法用于地面三维激光扫描建筑物点云平面分割，聚类过程中无需输入聚类的个数，计算效率较高，同时利用平面相交的方法提取建筑物棱线特征，平面相交判别方法相对简单，棱线点坐标计算准确。

本发明还提供一种基于点云的提取建筑特征线系统，如图4所示，包括：

取出模块100，用于从海量点云平面数据中取出多个平面；

第一判断模块200，用于在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；

计算模块300，用于判定若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；

第一判断模块200，还用于判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则返回计算并提取所述两个平面的交线的步骤，若否，则结束流程。

优选的，如图5所示，所述第一判断模块200具体还包括：

第一判断单元210，用于计算所述两个平面的夹角，根据所述夹角判断所述两个平面是否平行；

第二判断单元220，用于若两平面不平行，则判断所述两个平面在棱线附近是否都存在扫描点；

优选的，所述第一判断模块还用于：

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。

优选的，所述第二判断单元还用于：

坐标转化：

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

将交线法向量l旋转到l₀＝(0,0,1)，旋转矩阵R由下式计算

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

优选的，所述交线计算模块具体用于：

Ax+By-1＝0 (1-12)

得到两条直线的参数分别为A₁、B₁，A₂、B₂，两条直线的交点坐标即为x_P、

y_P，按下式计算x_P、y_P的值：

则交线的第i个点坐标为：

更具体的，最后用R^-1将交线的特征点坐标转换到原始点云坐标系，完成线特征的自动提取。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述系统中各个模块，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本发明提供的基于点云的提取建筑特征线系统，将共享近邻聚类算法用于地面三维激光扫描建筑物点云平面分割，聚类过程中无需输入聚类的个数，计算效率较高，同时利用平面相交的方法提取建筑物棱线特征，平面相交判别方法相对简单，棱线点坐标计算准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于点云的提取建筑特征线方法，其特征在于，包括：

从海量点云平面数据中取出多个平面；

在所述多个平面中取出两个平面，判断两个平面是否相交；

若所述两个平面相交，则计算并提取所述两个平面的交线；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断两个平面是否相交具体包括：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

根据所述夹角判断所述两个平面是否平行，包括：

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

<mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mo>=</mo> <mover> <mi>A</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>X</mi> <mo>+</mo> <mover> <mi>B</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>Y</mi> <mo>+</mo> <mover> <mi>C</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>Z</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

<mrow> <msub> <mover> <mi>&sigma;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>V</mi> <mi>T</mi> </msup> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>3</mn> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

每一类点按公式(1-1)拟合一个平面，得到其法向量n，m。按公式(1-6)计算每两个平面法向量的夹角γ:

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述判断所述两个平面在棱线附近是否都存在扫描点，具体包括：

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

E′₁、E′₂为旋转后的两平面点云在交点l的r邻域内的点集，若E′₁、E′₂均为非空集合，计算点集E′₁、E′₂中z坐标的范围，分别为{z|minz₁≤z≤maxz₁}、{z|minz₂≤z≤maxz₂}，按公式(1-9)计算两个点集z坐标的范围的交集{z|minz≤z≤maxz}:

若minz<maxz，则证明两个点集z坐标的范围的交集不为空，则两平面相交。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算并提取所述两个平面的交线具体包括：对E₁、E₂按公式(1-8)进行旋转，l旋转到l₀＝(0,0,1)，某已知P点旋转后坐标为(x_P,y_P,z_P)，E₁、E₂旋转后为E′₁、E′₂，这时交线上所有的点的x、y坐标为常数，既x_P、y_P，只需确定z坐标；

x_P、y_P的计算方式为：对E′₁、E′₂中的x,y坐标，分别按公式(1-12)拟合直线，

Ax+By-1＝0 (1-12)

按公式(1-9)计算E′₁、E′₂中z坐标的范围的交集，设定填补的棱线点间距为Δ，则填补点个数N为：

<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mi>max</mi> <mi> </mi> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>z</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mi>&Delta;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

则交线的第i个点坐标为：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>z</mi> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>&Delta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>.</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>15</mn> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

6.一种基于点云的提取建筑特征线系统，其特征在于，包括：

取出模块，用于从海量点云平面数据中取出多个平面；

所述第一判断模块，还用于判断所述多个平面中是否还有其他两个相交的平面，若是，则控制所述交线计算模块计算并提取所述两个相交的平面的交线。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一判断模块具体还包括：

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一判断单元具体用于：

AX+BY+CZ-1＝0 (1-1)

式中x，y，z是平面上扫描点坐标，误差方程为

平差后平面的单位法线向量为

拟合误差为

γ＝arccos(n·m) (1-6)

通过夹角γ判断两平面是否平行。

9.如权利要求6至8任意一项所述的系统，其特征在于，所述第二判断单元具体用于：

E₁、E₂为两个平面点集,按公式(1-1)拟合平面，得到两个平面的单位法向量为n＝(n₁,n₂,n₃)和m＝(m₁,m₂,m₃)，则两个平面的Hesse标准公式

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

坐标转化：将交线法向量l旋转到l₀＝(0,0,1)，旋转矩阵R由下式计算

式中sinB＝l₁，使用公式(1-8)对E₁、E₂进行坐标转换，

若minz<maxz，则证明两个点集z坐标的范围的交集不为空，则两平面相交，填补两平面的交线点。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述交线计算模块具体用于：

交线为L＝E₁∩E₂，则交线方程为

交线L的单位法向量l＝n×m＝(l₁,l₂,l₃)；

对E₁、E₂按公式(1-8)进行旋转，l旋转到l₀＝(0,0,1)，某已知P点旋转后坐标为(x_P,y_P,z_P)，E₁、E₂旋转后为E′₁、E′₂，这时交线上所有的点的x、y坐标为常数，既x_P、y_P，只需确定z坐标；

Ax+By-1＝0 (1-12)

则交线的第i个点坐标为：