CN112785724B - 一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，包括：获取LiDAR的3D点云数据并提取建筑物三维点云数据；将建筑物的三维点云数据拆分成具有不同属性的类平面结构；采集对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据；完成平面拟合工作，获得平面的法向量；将平面点云数据与建筑物的三维点云数据做法向量重叠计算点云质心重叠；基于k近邻分类算法进行色彩交换处理，完成可视化配色工作。通过使用本发明，使得无序的点云数据可以客观地被赋予符合实际属性的RGB色彩信息。本发明作为一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法及系统，可广泛应用于地理信息科学技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及地理信息科学技术领域，尤其涉及一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法。
背景技术
最近十年，激光雷达技术快速发展,它集成激光测距技术、计算机技术等于一体,该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破,有多种设备和应用程序在不同的领域引入了3D对象和场景，如精确农业和林业,洪水分析,智能交通系统(ITS)和高级驾驶员辅助系统等领域。激光雷达具有360度视野，但需要多测站才能记录目标物体的完整三维空间信息。在室内场景捕捉中，基于激光雷达的三维扫描仪通过配准技术获取完成场景信息。然而，由于激光雷达获取的点云不具有颜色信息，往往需要在地基激光扫描仪上配备相应的全彩色照相机完成上色工作，这使得成品效果受光线、数据采集时间等因素影响极大。最终数据成果在某些场景中可视化程度低，如地区偏远、无照明工具的古代建筑，或是测量大型古建筑群落，时间跨度大的情况，在上述条件下，成品测量数据应用受限。目前的方法均无法将激光雷达点云和二维图像分析结合以增强点云数据的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，对无序的点云数据赋予符合实际属性的RGB色彩信息。
本发明所采用的第一技术方案是：种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，包括以下步骤：
S1、获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A；
S2、将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B；
S3、采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C；
S4、基于最小二乘法完成平面点云数据C与类平面结构点云B的平面拟合工作，获得平面的法向量；
S5、根据平面的法向量将平面点云数据C与类平面结构点云B做法向量重叠计算并通过点云质心重叠，得到重叠点云数据D；
S6、基于k近邻分类算法对重叠点云数据D进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作。
进一步，所述获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A这一步骤，其具体包括：
S11、获取LiDAR的3D点云数据并对3D点云数据进行网格化处理，得到网格点云；
S12、遍历所有网格点云，逐一使用半径滤波过滤数据，剔除在设置半径范围内点数少于阈值的离群点，提取得到建筑物的三维点云数据A。
进一步，所述将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B这一步骤，其具体包括：
S121、基于CSF滤波算法对建筑物的三维点云数据进行处理，提取建筑物地面；
S122、基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云；
S123、基于最小二乘法将步骤S122获取的平面点云执行平面拟合操作，得到对应的法向量；
S123、根据对应的法向量对提取的平面点云分别标注属性，得到具有不同属性的类平面结构点云B。
进一步，所述基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云这一步骤，其具体包括：
S1221、将剩余的建筑物的三维点云数据作为给定的数据集；
S1222、从给定的数据集中随机挑选预设数量的数据；
S1223、根据挑选得到的数据得到一个预设的平面模型；
S1224、根据预设规则以预设的平面模型为基准，将拟合方程作用于建筑物的三维点云数据，并区分模型的内点信息和外点信息；
S1225、判断到满足模型要求的点数大于预设阈值时，视为成功提取一个属性平面，并将除挑选外的剩余点作为给定数据集返回步骤S1222。
进一步，所述采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C这一步骤，其具体包括：
S31、基于相机采集具有多种属性的照片，通过裁剪和旋转获取只存在单一属性物体的正射母本图像；
S32、根据相机参数设置像元的间距，以正射母本图像像元序列号乘以间距作为X、Y坐标值，Z轴数值默认为0，得到点云数据；
S33、将正射母本图像分解为m×n×3的矩阵，并结合点云数据得到转换后的点云矩阵；
S34、将转换后的点云矩阵与颜色信息结合，得到带有RGB色彩信息的、法向量竖直向上的平面点云数据C。
进一步，所述最小二乘法的表达式如下：
fi(a，b，c，d)＝axi+byi+czi-d
上式中，(a，b，c，d)代表平面方程的四个参数；fi(a，b，c，d)指的是每个点带入方程的残差；函数F(a，b，c，d)的值最小时，则完成平面拟合工作，向量(a，b，c)即为所求法向量。
进一步，法向量重叠计算的计算公式如下：
上式中，和/>分别代表平面点云数据法向量C与具有不同属性的类平面结构点云B的平面法向量，/>是旋转轴，k是对应的旋转角度。
进一步，所述基于k近邻分类算法对重叠点云数据进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作这一步骤，其具体包括：
S61、获取重叠点云数据中色彩丢失的点作为测试对象，计算测试对象与带有RGB色彩信息的平面点云数据中每个点的距离；
S62、根据预设距离圈定最近的k个点，作为测试对象的相应近邻，并将这k个对象的色彩平均值赋给测试对象；
S63、根据这k个点的主要属性判断该测试对象的属性，完成配色。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过提取可控的母本图像数据中的RGB色彩信息，进一步对无序的点云数据被赋予符合实际属性的RGB色彩信息，以一种近乎于自定义颜色特征的方式满足了可视化工作需求。
附图说明
图1是本发明一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法的步骤流程图；
图2是本发明具体实施例的数据处理流程图；
图3是本发明具体实施例基于RANSAC算法提取平面的示意图；
图4是本发明具体实施例将母本图像转化为三维空间的平面点云的示意图；
图5是本发明具体实施例法向量重叠计算的示意图；
图6是本发明具体实施例古建筑物配色前后的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
本发明首先从地基激光检测与测距(LiDAR)的3D点云中通过半径滤波获得清晰的建筑物点云数据，运用CSF与RANCAC结合的算法，自动化从无序的点云中提取带有属性的平面点云数据(如门、窗、地面、屋顶等)。然后通过处理后的母本图像映射为三维空间的平面点云，利用针对法向量计算的平移旋转，使得两种数据重合。最后利用k近邻分类算法完成RGB色彩信息交互的工作。
参照图1和图2，本发明提供了一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A；
S2、将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B；
具体地，根据RANSAC算法和CSF算法对提取的建筑物数据执行点云分割工作，将无序的点云数据按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构，如地板、墙面、门窗、屋顶等。
S3、采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C；
S4、基于最小二乘法完成平面点云数据C与类平面结构点云B的平面拟合工作，获得平面的法向量；
S5、根据平面的法向量将平面点云数据C与类平面结构点云B做法向量重叠计算并通过点云质心重叠，得到重叠点云数据D；
S6、基于k近邻分类算法对重叠点云数据进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作。
具体地，对可视化配色改良前后进行目视比对，评判配色前后的直观可视效果，相应结果如图6所示。
进一步作为本方法的优选实施例，所述获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A这一步骤，其具体包括：
S11、获取LiDAR的3D点云数据并对3D点云数据进行网格化处理，得到网格点云；
S12、遍历所有网格点云，逐一使用半径滤波过滤数据，剔除在设置半径范围内点数少于阈值的离群点，提取得到建筑物的三维点云数据A。
具体地，将原始数据进行分块操作，然后对所有数据都执行网格化处理，并针对网格化点云分配网格值；然后逐一对单块数据完成半径滤波操作，删除半径r范围内，邻近点数少于N的点，即是去噪，使得建筑物点云清晰。
进一步作为本方法的优选实施例，所述将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B这一步骤，其具体包括：
S121、基于CSF滤波算法对建筑物的三维点云数据进行处理，提取建筑物地面；
S122、基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云；
S123、基于最小二乘法将步骤S122获取的平面点云执行平面拟合操作，得到对应的法向量；
S123、根据对应的法向量对提取的平面点云分别标注属性，得到具有不同属性的类平面结构点云B。
进一步作为本方法的优选实施例，所述基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云这一步骤，其具体包括：
S1221、将剩余的建筑物的三维点云数据作为给定的数据集；
S1222、从给定的数据集中随机挑选预设数量的数据；
S1223、根据挑选得到的数据得到一个预设的平面模型；
S1224、根据预设规则以预设的平面模型为基准，将拟合方程作用于建筑物的三维点云数据，并区分模型的内点信息和外点信息；
S1225、判断到满足模型要求的点数大于预设阈值时，视为成功提取一个属性平面，并将除挑选外的剩余点作为给定数据集返回步骤S1222。
具体地，基于RANSAC算法提取平面的示意图参照图3。
进一步作为本方法优选实施例，所述采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C这一步骤，其具体包括：
S31、基于相机采集具有多种属性的照片，通过裁剪和旋转获取只存在单一属性物体的正射母本图像；
S32、根据相机参数设置像元的间距，以正射母本图像像元序列号乘以间距作为X、Y坐标值，Z轴数值默认为0，得到点云数据；
S33、将正射母本图像分解为m×n×3的矩阵，并结合点云数据得到转换后的点云矩阵；
具体地，其中m×n代表图像中的像元的个数，其中的“3”即代表RGB三原色对应的值，矩阵中(:,:,1)表示红色R，(:,:,2)表示绿色G,(:,:,3)表示蓝色B；
S34、将转换后的点云矩阵与颜色信息结合，得到带有RGB色彩信息的、法向量竖直向上的平面点云数据C。
具体地，母本图像转化为三维空间的平面点云方法示意图参照图4；
进一步作为本方法优选实施例，所述最小二乘法的表达式如下：
fi(a，b，c，d)＝axi+byi+czi-d
上式中，(a，b，c，d)代表平面方程的四个参数；fi(a，b，c，d)指的是每个点带入方程的残差；函数F(a，b，c，d)的值最小时，则完成平面拟合工作，向量(a，b，c)即为所求法向量。
具体地，要使F(a，b，c，d)最小，应满足即是可解的参数(a，b，c，d)。
进一步作为本方法优选实施例，法向量重叠计算的计算公式如下：
上式中，和/>分别代表平面点云数据法向量C与具有不同属性的类平面结构点云B的平面法向量，/>是旋转轴，k是对应的旋转角度。
具体地，法向量重叠计算参照图5。
进一步作为本方法优选实施例，所述基于k近邻分类算法对重叠点云数据进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作这一步骤，其具体包括：
S61、获取重叠点云数据中色彩丢失的点作为测试对象，计算测试对象与带有RGB色彩信息的平面点云数据中每个对象的距离；
具体地，给定测试对象(色彩丢失的LiDAR数据中任一个点)，计算它与训练集(母本图像转换的带有RGB色彩信息的三维平面点云)中的每个对象的距离；
S62、根据预设距离圈定最近的k个点，作为测试对象的相应近邻，并将这k个对象的色彩平均值赋给测试对象；
S63、根据这k个点的主要属性判断该测试对象的属性，完成配色。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A；
S2、将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B；
S3、采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C；
S4、基于最小二乘法完成平面点云数据C与类平面结构点云B的平面拟合工作，获得平面的法向量；
S5、根据平面的法向量将平面点云数据C与类平面结构点云B做法向量重叠计算并通过点云质心重叠，得到重叠点云数据D；
S6、基于k近邻分类算法对重叠点云数据D进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作；
法向量重叠计算的计算公式如下：
上式中，和/>分别代表平面点云数据C的法向量与具有不同属性的类平面结构点云B的平面法向量，/>是旋转轴，p是对应的旋转角度；
所述基于k近邻分类算法对重叠点云数据D进行色彩交换处理，完成可视化配色改良工作这一步骤，其具体包括：
S61、获取重叠点云数据中色彩丢失的点作为测试对象，计算测试对象与带有RGB色彩信息的平面点云数据中每个点的距离；
S62、根据预设距离圈定最近的k个点，作为测试对象的相应近邻，并将这k个点的色彩平均值赋给测试对象；
S63、根据这k个点的主要属性判断该测试对象的属性，完成配色。
2.根据权利要求1所述一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，所述获取LiDAR的3D点云数据并进行半径滤波处理，提取得到建筑物三维点云数据A这一步骤，其具体包括：
S11、获取LiDAR的3D点云数据并对3D点云数据进行网格化处理，得到网格点云；
S12、遍历所有网格点云，逐一使用半径滤波过滤数据，剔除在设置半径范围内点数少于阈值的离群点，提取得到建筑物的三维点云数据A。
3.根据权利要求2所述一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，所述将建筑物的三维点云数据A按照几何位置关系拆分成具有不同属性的类平面结构点云B这一步骤，其具体包括：
S121、基于CSF滤波算法对建筑物的三维点云数据A进行处理，提取建筑物地面；
S122、基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云；
S123、基于最小二乘法将步骤S122获取的平面点云执行平面拟合操作，得到对应的法向量；
S123、根据对应的法向量对提取的平面点云分别标注属性，得到具有不同属性的类平面结构点云B。
4.根据权利要求3所述一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，所述基于RANSAC算法对剩余的建筑物的三维点云数据进行处理，提取所有点数超过阈值的平面点云这一步骤，其具体包括：
S1221、将剩余的建筑物的三维点云数据作为给定的数据集；
S1222、从给定的数据集中随机挑选预设数量的数据；
S1223、根据挑选得到的数据得到一个预设的平面模型；
S1224、根据预设规则以预设的平面模型为基准，将拟合方程作用于建筑物的三维点云数据，并区分模型的内点信息和外点信息；
S1225、判断到满足模型要求的点数大于预设阈值时，视为成功提取一个属性平面，并将除挑选外的剩余点作为给定的数据集返回步骤S1222。
5.根据权利要求4所述一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，所述采集具有多种属性的类平面结构对应的正射照片，经过预处理得到平面点云数据C这一步骤，其具体包括：
S31、基于相机采集具有多种属性的照片，通过裁剪和旋转获取只存在单一属性物体的正射母本图像；
S32、根据相机参数设置像元的间距，以正射母本图像像元序列号乘以间距作为X、Y坐标值，Z轴数值默认为0，得到点云数据；
S33、将正射母本图像分解为m×n×3的矩阵，并结合点云数据得到转换后的点云矩阵；
S34、将转换后的点云矩阵与颜色信息结合，得到带有RGB色彩信息的、法向量竖直向上的平面点云数据C。
6.根据权利要求5所述一种基于LiDAR点云和二维图像的古建筑可视化配色方法，其特征在于，所述最小二乘法的表达式如下：
fi(a,b,c,d)＝axi+byi+czi-d
上式中，(a,b,c,d)代表平面方程的四个参数；fi(a,b,c,d)指的是每个点带入方程的残差；函数F(a,b,c,d)的值最小时，则完成平面拟合工作，向量(a,b,c)即为所求法向量。
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