CN111284014B - 基于激光遥感成像和3d打印技术的体积测量方法及系统 - Google Patents

基于激光遥感成像和3d打印技术的体积测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法及系统，通过将激光遥感成像技术和3D打印技术相结合，使用激光雷达扫描待测物获得目标三D点云数据，进一步处理获得待测物的数字表面模型，经网格化平滑后转换成可供3D打印使用的文件格式，最终通过3D打印输出模型，利用排水法间接获得打印模型体积后，按比例可间接获得被测物体的体积。本发明解决了在地理科学中复杂形态地表的人工测量方式存在测量耗时、成本高及精确度较低的问题。

Description

基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法及系统
技术领域
本发明涉及激光打印技术领域，尤其涉及基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法及系统。
背景技术
在地理科学中需对树木枝干及河床等体积进行测量，由于这些地物的表面形貌结构较为复杂，目前采用的人工测量方式难度较大、测量成本高且效率低下，同时测量的精确度欠佳。
目前，激光雷达测量的技术在很多的领域中都有被运用。其中，卫星、航天飞机或UAV载荷平台结合其他定位及遥感等高新技术，可进行大范围数字地表模型的高精度实时获取。特定波段下激光雷达相较光学成像具有良好穿透性，可非接触式遥测获得普通物体及林木、甚至水域等复杂地物的表面形貌，并通过回波信息可获得目标物形貌高程信息。激光雷达在地理科学垂直结构测量方面有着无可比拟的优势，可以更准确地获取大范围三维空间结构的分布特征。同时3D打印作为新兴技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过将材料进行叠加的方式来使工作台的高度进行调整，然后将零部件从虚拟的状态中制作出来，使其变成实体，其特点是采用数字化手段快速制造不同材质具有复杂结构的单件或小批量制品，使制品的生产真实的展现在人们面前。这两项技术的发展为其结合用于物体体积的测量带来可能。
发明内容
本发明为解决现有在地理科学中的人工测量方式存在测量耗时、成本高及精确度较低的问题，提供了基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法及系统。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，包括以下步骤：
S1.采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据；
S2.根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；
S3.导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；
S4.基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；
S5.利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；
S6.基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积。
上述方案中，通过将激光雷达遥感成像技术与3D打印技术相结合，打印出待测物的3D打印模型，然后以一定测量方式测量打印出来3D打印模型的体积，再按比例间接求解出待测物的体积即可完成对复杂形态地物的体积测量。
优选的，所述步骤S1还包括对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。在本优选方案中，由于在3D点云数据的获取过程中，激光雷达扫描系统本身或成像条件环境干扰等因素会导致点云数据中包含许多噪声点及异常点，因此需要对其进行去噪处理，该去噪处理可以直接用已有的第三方软件手动去噪。由于激光雷达扫描系统得到的3D点云数据包含地面点云及地面上的建筑物等非地面点，在构建数字表面模型前，有些场景需要消除地势影响，因此去噪之后需要对点云数据进行滤波处理以分离出地面点与非地面点。
优选的，所述步骤S3中基于Meshlab软件将所述数字表面模型网格化及平滑处理，并导出所述数字表面模型所对应的打印文件。在本优选方案中，MeshLab支持输出各种3D打印文件格式，因此通过使用MeshLab等同功能软件将对数字模型通过网格插值、平滑、渲染以消除孔洞，得到可以打印的3D打印模型并保存相应格式模型，以供3D打印。
优选的，步骤S3所述的打印文件为stl格式。
优选的，所述步骤S5中通过排水法计算所述3D打印模型的体积。在本优选方案中，由于3D打印模型为不规则形状物体，采用排水法可以准确且方便地测出其体积。
本发明还提供了基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，包括：
数据获取模块，采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据；
数字表面模型生成模块，用于根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；
3D打印文件转换模块，用于导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；
3D打印模块，用于基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；
间接测量模块，用于利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；
待测物体积计算模块，用于基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积。
在上述提供的系统中，通过将激光雷达遥感成像技术与3D打印技术相结合，打印出待测物的3D打印模型，然后以一定测量方式测量打印出来3D打印模型的体积，再按比例间接求解出待测物的体积即可完成对复杂形态地物的体积测量。
优选的，所述数据获取模块还用于对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。
优选的，所述数字表面模型生成模块基于Meshlab软件构建所述待测物的网格化及平滑处理后的数字表面模型。
优选的，所述间接测量模块通过排水法计算所述3D打印模型的体积。
优选的，所述3D打印文件转换模块导出的打印文件为stl格式。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法及系统，将激光遥感成像技术和3D打印技术相结合，使用激光雷达扫描待测物获得目标三D点云数据，进一步处理获得待测物的数字表面模型，经网格化平滑后转换成可供3D打印使用的文件格式，最终通过3D打印输出模型，利用排水法间接获得打印模型体积后，按比例可间接获得被测物体的体积。本发明解决了在地理科学中复杂形态地表的人工测量方式存在测量耗时、成本高及精确度较低的问题。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图。
图2为实施例2的模块图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例1提供了一种基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，包括以下步骤：
S1.采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据，对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。
在本实施例中，通过在一定高度的载荷平台上搭载激光雷达扫描仪，从而针对地表目标监测扫描。特别指出，针对水域，需要特定使用绿光波段激光，因为该波长传播到水中并从底面反射，而红外激光用于水面(空气/水界面)、陆地表面和水面的探测。同时由于在3D点云数据的获取过程中，激光雷达扫描系统本身或成像条件环境干扰等因素会导致点云数据中包含许多噪声点及异常点，因此需要对其进行去噪处理，该去噪处理可以直接用已有的第三方软件手动去噪。由于激光雷达扫描系统得到的3D点云数据包含地面点云及地面上的建筑物等非地面点，在构建数字表面模型前，有些场景需要消除地势影响，因此去噪之后需要对点云数据进行滤波处理以分离出地面点与非地面点。本实施例采用经典的自适应不规则三角网滤波算法(TIN)对其进行滤波处理。通过设置所选点到TIN不规则三角网的平面距离及不规则三角网平面与连接筛选的点和小平面最近点的线之间的角度，算法从原始数据集迭代选择地面测量值来逐渐逼近地表，即逐渐加密从所筛选的点云产生的稀疏的不规则三角网以创建逼近原始地貌的地表模型。
S2.根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；此处需根据应用场景的不同需要而采用不同的生成模型方式，以下举例河床测量及树木枝干测量两个特例进行阐述。
测量林木体积时，采用移动窗口差分算法首先对点云数据进行网格化，获得每个网格内的最高点、最低点，作为初始数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)参考面，然后根据初始参考面，通过分别设定不同的阈值，对剩余未分类的点云进行细分，以将DSM、DEM进行细化。最后是由DSM与DEM进行差值运算生成冠层高度模型(CHM)用于后续步骤。
测量河床体积时，首先利用水域边界信息将落入水域边界内的原始LiDAR点云进行滤除，进而采用水域分段点云插值拟合生成水域内点云数据，将水域内点云数据与原始LiDAR点云数据进行合并，获得较完整的LiDAR点云数据，最后利用地面点(包含水域内点云)构建三角网生成高精度数字高程模型(DEM)并用于后续处理。
S3.导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；在该步骤中，由于3D打印技术有自己特定的文件格式，MeshLab支持输出各种3D打印文件格式，因此在本实施例中使用MeshLab这款软件将对数字表面模型通过网格插值、平滑、渲染以消除孔洞，得到可以打印的3D立体模型并保存相应格式模型，以供3D打印。在本实施例中，将打印文件保存为stl格式。
S4.基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；在该步骤中，将对应的打印文件传入3D打印机器便可打印出待测物所对应的3D打印模型；
S5.利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；由于3D打印模型为不规则形状物体，在本实施例中通过排水法计算所述3D打印模型的体积；
S6.基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积；在该步骤中，基于遥感成像相关比例参数，应用数学运算公式即求得待测物的体积。
以上步骤得到的3D打印模型，除了可以获取目标物的体积参数，亦可用于与此参数关联的相关研究，如树木生长、生物量贡献，河床蓄水量、降水量变化分析，也可进行相关保护、规划或受损后的恢复，进一步提供了本发明方法的实用性。
实施例2
基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，包括：
数据获取模块，采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据；对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。
数字表面模型生成模块，用于根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；
3D打印文件转换模块，基于Meshlab软件将所述数字表面模型网格化及平滑处理，并导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；
3D打印模块，用于基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；
间接测量模块，用于利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；
待测物体积计算模块，用于基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据；
S2.根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；
S3.导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；
S4.基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；
S5.利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；
S6.基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积；
采用经典的自适应不规则三角网滤波算法TIN对其进行滤波处理， 通过设置所选点到TIN不规则三角网的平面距离及不规则三角网平面与连接筛选的点和小平面最近点的线之间的角度，算法从原始数据集迭代选择地面测量值来逐渐逼近地表，即逐渐加密从所筛选的点云产生的稀疏的不规则三角网以创建逼近原始地貌的地表模型；
测量林木体积时，采用移动窗口差分算法首先对点云数据进行网格化，获得每个网格内的最高点、最低点，作为初始数字表面模型DSM、数字高程模型DEM参考面，然后根据初始参考面，通过分别设定不同的阈值，对剩余未分类的点云进行细分，以将DSM、DEM进行细化，最后是由DSM与DEM进行差值运算生成冠层高度模型CHM用于后续步骤；
测量河床体积时，首先利用水域边界信息将落入水域边界内的原始LiDAR点云进行滤除，进而采用水域分段点云插值拟合生成水域内点云数据，将水域内点云数据与原始LiDAR点云数据进行合并，获得较完整的LiDAR点云数据，最后利用地面点，包含水域内点云，构建三角网生成高精度数字高程模型DEM并用于后续处理。
2.根据权利要求1所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，其特征在于，所述步骤S1还包括对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。
3.根据权利要求1所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，其特征在于，所述步骤S3中基于Meshlab软件将所述数字表面模型网格化及平滑处理，并导出所述数字表面模型所对应的打印文件。
4.根据权利要求3所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，其特征在于，步骤S3所述的打印文件为stl格式。
5.根据权利要求1所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量方法，其特征在于，所述步骤S5中通过排水法计算所述3D打印模型的体积。
6.基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，采用激光雷达扫描待测物并获得其激光雷达3D点云数据；
数字表面模型生成模块，用于根据所述激光雷达3D点云数据构建待测物的数字表面模型；
3D打印文件转换模块，用于导出所述数字表面模型所对应的打印文件，所述打印文件符合3D打印的文件格式要求；
3D打印模块，用于基于所述打印文件进行3D打印得到待测物的3D打印模型；
间接测量模块，用于利用间接测量法计算所述3D打印模型的体积；
待测物体积计算模块，用于基于所述3D打印模型的体积按比例求得实际的待测物体积。
7.根据权利要求6所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，其特征在于，所述数据获取模块还用于对获得的激光雷达3D点云数据进行去噪及滤波的预处理操作，从而对激光雷达3D点云数据进行目标区域外点云滤除。
8.根据权利要求6所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，其特征在于，所述3D打印文件转换模块基于Meshlab软件将所述数字表面模型网格化及平滑处理，并导出所述数字表面模型所对应的打印文件。
9.根据权利要求8所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，其特征在于，所述3D打印文件转换模块导出的打印文件为stl格式。
10.根据权利要求6所述的基于激光遥感成像和3D打印技术的体积测量系统，其特征在于，所述间接测量模块通过排水法计算所述3D打印模型的体积。
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