CN111091508B - 基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法，包括以下步骤：利用彩色三维扫描激光雷达获取彩色点云；为彩色点云中的各点赋予类标签；同一类标签中的点数小于个数阈值，则在彩色点云中删除该类标签中的点。本方法直接对由彩色三维扫描激光雷达获取的彩色点云进行处理，实现容易，处理速度快。克服了现有点云滤波方法对在建筑物和植被边缘的有效点云中包含着大量的噪声不能够很好去除的局限，将彩色点云中的噪声有效滤除。同时利用彩色点云的空间信息和颜色信息对点云数据进行滤波，对噪声点的识别精度比一些传统的方法要高很多。

Description

基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法

技术领域

本发明涉及遥感测绘技术领域，尤其涉及基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法。

背景技术

点云滤波是把点云数据中存在的噪声点给滤除，突出点云的细节或者主体特征，使得点云的视觉化效果更好。对三维扫描激光雷达获取的点云数据进行滤波是点云数据处理中的最基本的一步，对后续的点云处理起到关键的作用。现有的三维扫描激光雷达通常是采用单波长激光器发射出激光并且回波的接收也是单通道的，即是一种单发单收的模式。使用这种设备获取的点云包含空间三维信息，但是色彩信息和纹理信息缺失。为了获取颜色信息和纹理信息，则必须要借助彩色相机，但由于获取点云的点数和照片的像素数量不对等，还需要大量的人力对数据进行处理。对这种点云进行滤波利用探测到的回波强度值的差异和点云的几何特征，在大多数场景下是可以达到较高的滤波精度的，但是在建筑物和植被边缘的有效点云中包含着大量的噪声。利用单通道的信息对这种噪声进行滤除容易过度滤除或者滤除不足。

彩色三维扫描激光雷达采用超连续谱激光器发射出超连续谱激光，采用多个通道接收回波，在获取每个扫描点的空间三维信息的同时可以不需要借助彩色相机直接获取每个扫描点的颜色信息，获取的颜色信息包含颜色三颜色刺激值R、G、B。使用彩色三维扫描激光雷达获取的彩色点云具有更好地色觉效果和更高地物识别能力，能够全面提高三维扫描激光雷达地物识别的精度和地物遥感探测的能力和应用范围。本发明专利提出了基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法，和现有的点云滤波相比，除了利用点云的几何特征，还用到了点云的色彩特征。该方法先利用彩色点云的几何信息将点云中的每一个点都分到对应的邻域内，再在每一个邻域内根据点云的颜色信息，将每一个邻域内包含颜色相近的点分到一个类中，最后在每一个类中设定类中包含点数阈值，如果某类中包含的点数小于阈值则认为该类中的点是噪声点，将该类中的点给予去除；否则认为该类中的点不是噪声点，将该类中的点给予保留。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的上述问题，提供基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法，包括以下步骤：

步骤1、利用彩色三维扫描激光雷达获取彩色点云；

步骤2、为彩色点云中的各点赋予类标签；

步骤3、同一类标签中的点数小于个数阈值，则在彩色点云中删除该类标签中的点。

如上所述的步骤2包括以下步骤：

步骤2a、建立矩阵E，矩阵E中的每行的元素分别为彩色点云中的点的坐标值、红绿蓝色刺激值、以及与坐标原点的距离；

步骤2b、根据彩色点云中的点与坐标原点的距离对矩阵E进行划分获得子矩阵E_j；

步骤2c、根据彩色点云中的点之间的距离对子矩阵E_j进行划分获得矩阵G_{j_f}；

步骤2d、根据彩色点云中的点之间的加权曼哈顿距离对矩阵G_{j_f}中各行对应的彩色点云中的点赋予类标签。

如上所述的步骤2a包括以下步骤：

求出彩色点云中任一个点i到坐标原点的距离d_i，

定义矩阵E为：

矩阵E中的每一行依次为彩色点云中的一个点的坐标值(x1_i，y1_i，z1_i)，红绿蓝色刺激值(R1_i，G1_i，B1_i)以及与坐标原点的距离d1_i，i∈{1～n}，n为彩色点云中的点的总数，d1₁～d2_n依次增大。

如上所述的步骤2b包括以下步骤：

步骤2.2、设定阈值T_d，把矩阵E分成多个子矩阵E_j，每个子矩阵E_j中任意两行对应的彩色点云中的点到坐标原点的距离的差值小于阈值T_d。

如上所述的步骤2c包括以下步骤：

步骤2.3、定义子矩阵E_j的其中一行对应的彩色点云中的点为种子点，

步骤2.4、求取子矩阵E_j的各行对应的彩色点云的点与种子点之间的距离作为子矩阵E_j的各行对应的筛选距离，选取小于阈值T_l的筛选距离以及小于阈值T_l的筛选距离对应的子矩阵E_j的行组成矩阵G_{j_f}；筛选距离大于等于阈值T_l的子矩阵E_j的各行组成新的子矩阵E_j并返回步骤2.3，直至新的子矩阵E_j为空矩阵。

如上所述的步骤2d包括以下步骤：

步骤2.5、选取矩阵G_{j_f}中的任一行所对应的彩色点云的点作为基准点，并将基准点标记第一类标签，遍历矩阵G_{j_f}中的其他行，若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与其中一类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离M小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为该类标签；若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与各个类标签中的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离M均大于等于阈值T_c，则将该点标记为新的一类标签。

若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与多类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为最小加权曼哈顿距离对应的类标签。

本发明相对现有技术，具有以下有益效果：

1、本方法直接对由彩色三维扫描激光雷达获取的彩色点云进行处理，实现容易，处理速度快。

2、本方法克服了现有点云滤波方法对在建筑物和植被边缘的有效点云中包含着大量的噪声不能够很好去除的局限，将彩色点云中的噪声有效滤除。

3、本方法同时利用彩色点云的空间信息和颜色信息对点云数据进行滤波，对噪声点的识别精度比一些传统的方法要高很多。

附图说明

图1为彩色三维扫描激光雷达的硬件结构示意框图；

图2为彩色三维扫描激光雷达探测获得彩色点云的原理图；

图3为本发明实施例对彩色点云中的各点分到不同的邻域内的流程图；

图4为本发明实施例对彩色点云的各邻域内颜色聚类的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法，包括以下步骤：

步骤1、利用彩色三维扫描激光雷达获取彩色点云。

如图1所示，本发明实施例采用的彩色三维扫描激光雷达包括激光发射系统1、扫描接收系统2、光电探测单元3、信号采集和时序控制单元4、信号处理电路及计算机数据处理单元5。

激光发射系统1发出超连续谱激光，入射到扫描接收系统2，经扫描接收系统2对目标地物进行三维扫描，扫描形成的回波信号被光电探测单元3所捕获，光电探测单元3将探测到的光强信号转化为电信号送至信号采集和时序控制单元4进行多通道数据采集与时序计算，结果输出到计算机数据处理单元5。

如图2所示，激光发射系统1为一台超连续谱激光器6，扫描接收系统2包括中心孔反射镜7和扫描转镜8，通过扫描转镜8竖直平面内旋转实现二维扫描。扫描转镜8设置在基座上，再配合基座180°水平旋转实现三维空间扫描。

扫描接收系统2还包括接收光学系统，接收光学系统包括第一分光滤光片9、第二分光滤光片13、第三分光滤光片17、第一窄带滤光片10、第二窄带滤光片14、第三窄带滤光片18、第一聚焦透镜11、第二聚焦透镜15以及第三聚焦透镜19。

光电探测单元3包括第一光电探测器12、第二光电探测器16和第三光电探测器20。光电探测器(12、16、20)能够将接收到的光强信号转换为激光探测点的回波强度值，获得景物中红、绿、蓝三个激光分量的光信号，形成彩色点云的数据。

超连续谱激光器6发射出扫描激光入射到中心孔反射镜7的中心孔透过入射到扫描转镜8上，通过扫描转镜8进行三维激光扫描，扫描激光打在地物目标上形成回波信号，回波信号返回到扫描转镜8上，通过中心孔反射镜7反射后入射到第一分光滤光片9上。其中蓝光经第一分光滤光片9反射后入射到第一窄带滤光片10上，经第一窄带滤光片10透射后入射到第一聚焦透镜11，通过第一聚焦透镜11聚焦后入射到第一光电探测器12进行探测。绿光和红光经第一分光滤光片9透射后入射到第二分光滤光片13上。绿光经第二分光滤光片13反射后入射到第二窄带滤光片14上，经第二窄带滤光片14透射后入射到第二聚焦透镜15，通过第二聚焦透镜15聚焦后入射到第二光电探测器16进行探测。红光经第二分光滤光片13透射后入射到第三分光滤光片17上，经第三分光滤光片17反射到第三窄带滤光片18上，经第三窄带滤光片18透射后入射到第三聚焦透镜19，通过第三聚焦透镜19聚焦后入射到第三光电探测器20进行探测。

彩色三维扫描激光雷达对目标地物的三维扫描，得到彩色点云中任一个点i都有坐标值x_i,y_i,z_i、以及红回波强度值r_i、绿回波强度值g_i和蓝回波强度值b_i，即彩色点云中每个点i包含的信息p_i＝[x_i,y_i,z_i,r_i,g_i,b_i]^T可以表示为：

其中，d_i为扫描激光从扫描转镜8出射点到地物目标表面的距离，θ_i为扫描转镜8竖直扫描的角度，α_i为扫描转镜8水平扫描角度，λ为扫描激光的波长，E(λ)是扫描激光的光谱分布函数，S_i(λ)是目标地物的表面反射率，R(λ)，G(λ)和B(λ)分别是第三光电探测器20、第二光电探测器16和第一光电探测器12的响应函数，分别为红回波响应函数、绿回波响应函数和蓝回波相应函数，可由红绿蓝三个波段的光电探测器相应决定。

根据红绿蓝回波强度值[r_i,g_i,b_i]^T能够计算出彩色点云中任一个点i的红色刺激值R_i、绿色刺激值G_i、蓝色刺激值B_i，即彩色点云中每个点i包含的信息也可以表示为p_i＝[x_i,y_i,z_i,R_i,G_i,B_i]^T。

步骤2、对彩色点云进行聚类，为彩色点云中的各点赋予类标签。

步骤2.1、求出彩色点云中任一个点i到坐标原点的距离d_i，

定义矩阵E为：

矩阵E中的每一行依次为彩色点云中的一个点的坐标值(x1_i，y1_i，z1_i)，红绿蓝色刺激值(R1_i，G1_i，B1_i)以及与坐标原点的距离d1_i，i∈{1～n}，n为彩色点云中点的总数，d1₁～d2_n依次增大。

矩阵E相邻行的对应的彩色点云的点有到原点距离相近的特点。

步骤2.2、设定阈值T_d，把矩阵E分成多个子矩阵E_j，每个子矩阵E_j中任意两行对应的彩色点云中的点到坐标原点的距离的差值小于阈值T_d。

其中，j为子矩阵E_j的序号，子矩阵E_j中的每行对应彩色点云的一个点，子矩阵E_j中的每行也为矩阵E的其中一行，子矩阵E_j中的每行中的x2_k、y2_k、z2_k为子矩阵E_j的第k行对应的彩色点云中的点的坐标值，R2_k、G2_k、B2_k为子矩阵E_j的第k行对应的彩色点云中的点的红色刺激值、绿色刺激值和蓝色刺激值，d2_k为子矩阵E_j的第k行对应的彩色点云中的点与坐标原点的距离，m为子矩阵E_j的总行数，k∈{1～m}，d2₁至d2_m依次增大，d2_m-d2₁＜T_d。

步骤2.3、定义子矩阵E_j的其中一行对应的彩色点云中的点为种子点，

步骤2.4、求取子矩阵E_j的各行对应的彩色点云的点与种子点之间的距离作为子矩阵E_j的各行对应的筛选距离，选取小于阈值T_l的筛选距离以及小于阈值T_l的筛选距离对应的子矩阵E_j的行组成矩阵G_{j_f}；筛选距离大于等于阈值T_l的子矩阵E_j的各行组成新的子矩阵E_j并返回步骤2.3，直至新的子矩阵E_j为空矩阵进入步骤2.5，其中，f为每个子矩阵E_j所对应的各个矩阵G_{j_f}的序号。

其中，矩阵G_{j_f}中的每行对应彩色点云的一个点，矩阵G_{j_f}中每行的x_q、y_q、z_q为矩阵G_{j_f}的第q行对应的彩色点云中的点的坐标值，R_q、G_q、B_q为矩阵G_{j_f}的第q行对应的彩色点云中的点的红色刺激值、绿色刺激值和蓝色刺激值，d_q为第q行对应的彩色点云中的点与坐标原点的距离，L_q为所在行对应的彩色点云中的点与种子点的距离，p为矩阵G_{j_f}的总行数，q∈{1～p}，L₁至L_p依次增大。

步骤2.5、求取矩阵G_{j_f}中R_q的方差s_R ²，G_q的方差s_G ²，以及B_q的方差s_B ²。

选取矩阵G_{j_f}中的任一行所对应的彩色点云的点作为基准点，并将基准点标记第一类标签，遍历矩阵G_{j_f}中的其他行，若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与其中一类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离M小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为该类标签；若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与各个类标签中的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离M均大于等于阈值T_c，则将该点标记为新的一类标签。

若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与多类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为最小加权曼哈顿距离对应的类标签。

加权曼哈顿距离M通过以下公式获得：

其中，一类标签的点的平均颜色刺激值包括

为，

为同一类标签的点的平均红色刺激值、

为同一类标签的点的平均绿色刺激值，

为同一类标签的点的平均蓝色刺激值，h表征第h类标签，彩色点云的点的颜色刺激值包括R_q、G_q、B_q；

步骤3、判断每类标签包含的彩色点云的点是否为噪声点，从而决定是否给予滤除。

设定阈值T_n。如果第h类标签中包含的点数h_N小于设定的个数阈值T_n，则认为该类标签中的点为噪声点，将该类标签中的点给予滤除；如果第h类标签中包含的点数h_N大于等于设定的个数阈值T_n，则认为该类标签中的点不是噪声点，将该类标签中包含的点给予保留。

所有保留下来的点形成新的彩色点云，得到最终的滤波结果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (1)

1.基于彩色三维扫描激光雷达的彩色点云滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用彩色三维扫描激光雷达获取彩色点云；

步骤2、为彩色点云中的各点赋予类标签；

步骤3、同一类标签中的点数小于个数阈值，则在彩色点云中删除该类标签中的点，

所述的步骤2包括以下步骤：

步骤2a、建立矩阵E，矩阵E中的每行的元素分别为彩色点云中的点的坐标值、红绿蓝色刺激值、以及与坐标原点的距离；

步骤2b、根据彩色点云中的点与坐标原点的距离对矩阵E进行划分获得子矩阵E_j；

步骤2c、根据彩色点云中的点之间的距离对子矩阵E_j进行划分获得矩阵G_{j_f}；

步骤2d、根据彩色点云中的点之间的加权曼哈顿距离对矩阵G_{j_f}中各行对应的彩色点云中的点赋予类标签，

所述的步骤2a包括以下步骤：

求出彩色点云中任一个点i到坐标原点的距离d_i，

定义矩阵E为：

矩阵E中的每一行依次为彩色点云中的一个点的坐标值(x1_i，y1_i，z1_i)，红绿蓝色刺激值(R1_i，G1_i，B1_i)以及与坐标原点的距离d1_i，i∈{1～n}，n为彩色点云中的点的总数，d1₁～d2_n依次增大，

所述的步骤2b包括以下步骤：

步骤2.2、设定阈值T_d，把矩阵E分成多个子矩阵E_j，每个子矩阵E_j中任意两行对应的彩色点云中的点到坐标原点的距离的差值小于阈值T_d，

所述的步骤2c包括以下步骤：

步骤2.3、定义子矩阵E_j的其中一行对应的彩色点云中的点为种子点，

步骤2.4、求取子矩阵E_j的各行对应的彩色点云的点与种子点之间的距离作为子矩阵E_j的各行对应的筛选距离，选取小于阈值T_l的筛选距离以及小于阈值T_l的筛选距离对应的子矩阵E_j的行组成矩阵G_{j_f}；筛选距离大于等于阈值T_l的子矩阵E_j的各行组成新的子矩阵E_j并返回步骤2.3，直至新的子矩阵E_j为空矩阵，

所述的步骤2d包括以下步骤：

步骤2.5、选取矩阵G_{j_f}中的任一行所对应的彩色点云的点作为基准点，并将基准点标记第一类标签，遍历矩阵G_{j_f}中的其他行，若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与其中一类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为该类标签；若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与各个类标签中的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离均大于等于阈值T_c，则将该点标记为新的一类标签，

若矩阵G_{j_f}中的其中一行所对应的彩色点云的点的颜色刺激值与多类标签的点的平均颜色刺激值之间的加权曼哈顿距离小于阈值T_c，则将该行所对应的彩色点云的点标记为最小加权曼哈顿距离对应的类标签，

彩色三维扫描激光雷达包括激光发射系统、扫描接收系统、光电探测单元、信号处理电路及计算机数据处理单元，

扫描接收系统包括中心孔反射镜、扫描转镜、以及接收光学系统，

通过扫描转镜竖直平面内旋转实现二维扫描，扫描转镜设置在基座上，配合基座180°水平旋转实现三维空间扫描，

接收光学系统包括第一分光滤光片、第二分光滤光片、第三分光滤光片、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及第三聚焦透镜，

光电探测单元包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，

激光发射系统发射出扫描激光入射到中心孔反射镜的中心孔透过入射到扫描转镜上，通过扫描转镜进行三维激光扫描，扫描激光打在地物目标上形成回波信号，回波信号返回到扫描转镜上，通过中心孔反射镜反射后入射到第一分光滤光片上，蓝光经第一分光滤光片反射后入射到第一窄带滤光片上，经第一窄带滤光片透射后入射到第一聚焦透镜，通过第一聚焦透镜聚焦后入射到第一光电探测器进行探测，绿光和红光经第一分光滤光片透射后入射到第二分光滤光片上，绿光经第二分光滤光片反射后入射到第二窄带滤光片上，经第二窄带滤光片透射后入射到第二聚焦透镜，通过第二聚焦透镜聚焦后入射到第二光电探测器进行探测，红光经第二分光滤光片透射后入射到第三分光滤光片上，经第三分光滤光片反射到第三窄带滤光片上，经第三窄带滤光片透射后入射到第三聚焦透镜，通过第三聚焦透镜聚焦后入射到第三光电探测器进行探测，

通过彩色三维扫描激光雷达对目标地物的三维扫描，得到彩色点云中任一个点的坐标值、红回波强度值、绿回波强度值和蓝回波强度值，根据彩色点云中任一个点的红回波强度值、绿回波强度值和蓝回波强度值计算红色刺激值、绿色刺激值、蓝色刺激值。

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