CN114998155A - 一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法在代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法基础上,利用拟合椭圆上任一点P’与拟合椭圆中心O’的距离D’(θ),θ为∠P’O’X’构造出一个基于拟合椭圆的环状过滤器对投影到隧道设计断面坐标系下的全断面隧道扫描点云进行迭代过滤与椭圆拟合,逐次缩小椭圆环状过滤器的大小,获得仅包含圆形隧道结构本体三维扫描点云的断面点集及基于此点集拟合出的椭圆参数作为该处隧道断面几何特征拟合结果。本发明快速过滤全断面隧道三维激光扫描点云中不属于圆形隧道结构本体的三维点云噪点,同时可以获得基于被保留圆形隧道结构本体点云和代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法的隧道断面几何特征椭圆拟合参数。
Description
技术领域
本发明属于三维激光测量和精密工程测量技术领域,具体涉及一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法。
背景技术
三维激光扫描仪作为一种新型的快速、高精度、高密度测量技术装备,因其可以快速获取物体表面高精度、高密度空间位置点而很快成为一种三维测量和检测的高技术装备。该设备与传统的全站仪相比,其应用上的优势主要体现在对复杂物体表面几何形态信息的快速、全面、准确的获取。与传统全站仪等测量手段一次获取一个物体表面的离散抽样特征点不同的是,扫描仪一次扫描作业,大约3~5分钟,即可获取物体表面数以千万计的空间位置点,这些点在一些专业数据处理软件的辅助下,很容易就提取出物体表面高精度的复杂几何形态特征。
三维激光扫描法获得的隧道点云已逐渐被广泛用于隧道断面变形测量应用中。但三维激光扫描法获得的隧道全断面点云包含有大量不属于隧道本体结构的管线、线架、隧道中设施设备的点云。这些点云对于隧道断面变形测量应用来讲就是噪声点,需要在对隧道结构本体测量点云进行特征拟合前进行有效滤除才能在隧道断面点云特征拟合中获得反映隧道本体实际几何特征的拟合结果。
圆形隧道受力变形后其几何形状符合椭圆特征。通过RANSAC算法和曲线拟合确定地铁隧道的中心轴,然后使用RANSAC优化提取的垂直截面,以滤除噪声。基于隧道结构的对称性和圆形形状,在消除大部分噪声同时避免许多低效的迭代,提高了检测效率。程效军等介绍了基于中轴线拟合的方式,通过双向投影提取隧道点云中轴线并设定距离阈值进行滤波。通过优化椭圆拟合算法,提高了椭圆拟合算法对于形变检测的能力,并将其应用于圆形隧道及竖井的形变检测中。采用了椭圆拟合的方式进行点云数据滤波,分别基于最小二乘法的不同优化进行椭圆拟合,通过计算标准差,剔除掉误差较大的点,取得了较好的滤波效果。但是上述方法中步骤繁琐,不能够快速过滤全断面隧道三维激光扫描点云中不属于圆形隧道结构本体的三维点云噪点,实际使用时不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,包括
S1:采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云;
S2:将上述步骤得到的全断面三维点云按照垂直于隧道里程方向进行点云切片,获得隧道里程方向厚度为4cm的三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi),i为点云切片中点的序号;
S3:将上述步骤中三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi)投影到隧道设计断面坐标系中,得到该隧道里程处的二维断面PC(Xi,Yi),i为点云切片中点的序号;
S4:将上述步骤中二维断面点集PC(Xi,Yi)作为输入点集输入到代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法中进行拟合获得拟合椭圆参数,其中椭圆长轴长A、椭圆短轴长B、椭圆中心点坐标(X椭,Y椭)和椭圆旋转角θ椭;
S5:计算上述步骤获得的拟合椭圆中心点的(X椭,Y椭)坐标,如果本次拟合椭圆中心的(X椭,Y椭)坐标值与上一次拟合椭圆中心的ΔX、ΔY坐标差值均小于0.001米则终止后续迭代过滤过程,输出本轮椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果;
S6:以上述步骤输出的拟合椭圆参数构造以拟合椭圆中心为原点O’,与隧道设计断面坐标系X轴和Y轴平行的拟合椭圆参考断面坐标系X’O’Y’,并获得O’点至拟合椭圆上任一点P’(θ)的距离D’(θ),θ为∠P’O’X’;
S7:以ΔD(θ)=D(θ)-D’(θ)的值构造一个椭圆形环状过滤器,对步骤S3中的隧道设计断面坐标系下的二维断面点集进行过滤,将ΔD(θ)数值在[-d,d]范围外的点视作噪点进行滤除,d为过滤器的阈值;
S8:使d=d-0.01作为下一轮迭代过滤器的阈值,以此逐渐缩小过滤器的过滤范围;
S9:将步骤S7过滤后保留的有效点作为输入点集,重复步骤S4-S8,直至达到步骤S5中的迭代过滤终止条件输出椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果。
优选的是,在步骤S3中,所述隧道设计断面坐标系是以隧道设计断面的圆形中心为原点O,垂直于隧道轴线方向右手为X轴正方向,垂直与X轴向上为Y轴正方向的二维直角坐标系XOY。
上述任一方案中优选的是,在步骤S1中,所述全断面三维点云包含圆形隧道结构本体的三维点云。
上述任一方案中优选的是,在步骤S1中,所述全断面三维点云还包括不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点。
一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,包括隧道三维扫描点云、椭圆环状过滤器和迭代过滤噪点;所述隧道三维扫描点云特指的是采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云,包含圆形隧道结构本体三维点云与不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点;所述椭圆环状过滤器是根据基于三维激光扫描法获得的圆形隧道全断面点云在隧道里程方向截取的点云切片拟合出的椭圆为基线构造出的一个椭圆环状过滤器如附图,用于滤除过滤器之外的点云噪点。所述隧道三维扫描点云噪点是指所扫描的圆形隧道上不属于圆形隧道结构本体的管线、线架、轨道板等物体所形成的点云。所述迭代过滤是指以过滤前的隧道断面点云作为输入点集拟合出的椭圆构成环状过滤器滤除噪点后以剩余点云作为输入点集再次拟合椭圆形成新的椭圆环状过滤器进行点云过滤操作,如此循环直至拟合出的新椭圆与上一次拟合椭圆的中心点X和Y坐标差值均小于0.001米时停止。
采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云,包含圆形隧道结构本体的三维点云与不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点。
根据基于三维激光扫描法获得的圆形隧道全断面点云在隧道里程方向截取的点云切片拟合出的椭圆为基线构造出的一个椭圆环状过滤器如附图,用于滤除过滤器之外的点云噪点。
以过滤前的隧道断面点云作为输入点集拟合出的椭圆构成环状过滤器滤除噪点后以剩余点云作为输入点集再次拟合椭圆形成新的椭圆环状过滤器进行点云过滤操作,如此循环直至拟合出的新椭圆与上一次拟合椭圆的中心点X和Y坐标差值均小于0.001米停止。
本发明的技术效果和优点:该基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法能够快速过滤全断面隧道三维激光扫描点云中不属于圆形隧道结构本体的三维点云噪点,并最大限度保留圆形隧道结构本体点云不被滤除,同时可以获得基于被保留圆形隧道结构本体点云和代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法的隧道断面几何特征椭圆拟合参数。
附图说明
图1为本发明椭圆环状过滤器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于椭圆环状过滤器的隧道三维扫描点云噪点迭代过滤算法;所述隧道三维扫描点云特指的是采用三维激光扫描法获得的具有隧道设计坐标系三维坐标的圆形隧道全断面点云;所述椭圆环状过滤器是根据基于三维激光扫描法获得的圆形隧道全断面点云在隧道里程方向截取的点云切片拟合出的椭圆为基线构造出的一个椭圆环状过滤器如附图1,用于滤除过滤器之外的点云噪点。所述隧道三维扫描点云噪点是指所扫描的圆形隧道上不属于圆形隧道结构本体的管线、线架、轨道板等物体所形成的点云。所述迭代过滤是指以过滤前的隧道断面点云作为输入点集拟合出的椭圆构成环状过滤器滤除噪点后以剩余点云作为输入点集再次拟合椭圆形成新的椭圆环状过滤器进行点云过滤操作,如此循环直至拟合出的新椭圆与上一次拟合椭圆的中心点X和Y坐标差值均小于0.001米停止。
一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,包括
S1:采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云,全断面三维点云包含圆形隧道结构本体的三维点云,还包括不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点;
S2:将上述步骤得到的全断面三维点云按照垂直于隧道里程方向进行点云切片,获得隧道里程方向厚度为4cm的三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi),i为点云切片中点的序号;
S3:将上述步骤中三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi)投影到隧道设计断面坐标系中,得到该隧道里程处的二维断面PC(Xi,Yi),i为点云切片中点的序号;
S4:将上述步骤中二维断面点集PC(Xi,Yi)作为输入点集输入到代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法中进行拟合获得拟合椭圆参数,其中椭圆长轴长A、椭圆短轴长B、椭圆中心点坐标(X椭,Y椭)和椭圆旋转角θ椭;
S5:计算上述步骤获得的拟合椭圆中心点的(X椭,Y椭)坐标,如果本次拟合椭圆中心的(X椭,Y椭)坐标值与上一次拟合椭圆中心的ΔX、ΔY坐标差值均小于0.001米则终止后续迭代过滤过程,输出本轮椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果;
S6:以上述步骤输出的拟合椭圆参数构造以拟合椭圆中心为原点O’,与隧道设计断面坐标系X轴和Y轴平行的拟合椭圆参考断面坐标系X’O’Y’,并获得O’点至拟合椭圆上任一点P’(θ)的距离D’(θ),θ为∠P’O’X’;
S7:以ΔD(θ)=D(θ)-D’(θ)的值构造一个椭圆形环状过滤器,对步骤S3中的隧道设计断面坐标系下的二维断面点集进行过滤,将ΔD(θ)数值在[-d,d]范围外的点视作噪点进行滤除,d为过滤器的阈值;
S8:使d=d-0.01作为下一轮迭代过滤器的阈值,以此逐渐缩小过滤器的过滤范围;
S9:将步骤S7过滤后保留的有效点作为输入点集,重复步骤S4-S8,直至达到步骤S5中的迭代过滤终止条件输出椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果。
优选的是,在步骤S3中,所述隧道设计断面坐标系是以隧道设计断面的圆形中心为原点O,垂直于隧道轴线方向右手为X轴正方向,垂直与X轴向上为Y轴正方向的二维直角坐标系XOY。
一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,包括隧道三维扫描点云、椭圆环状过滤器和迭代过滤噪点;所述隧道三维扫描点云特指的是采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云,包含圆形隧道结构本体三维点云与不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点;所述椭圆环状过滤器是根据基于三维激光扫描法获得的圆形隧道全断面点云在隧道里程方向截取的点云切片拟合出的椭圆为基线构造出的一个椭圆环状过滤器如附图,用于滤除过滤器之外的点云噪点。所述隧道三维扫描点云噪点是指所扫描的圆形隧道上不属于圆形隧道结构本体的管线、线架、轨道板等物体所形成的点云。所述迭代过滤是指以过滤前的隧道断面点云作为输入点集拟合出的椭圆构成环状过滤器滤除噪点后以剩余点云作为输入点集再次拟合椭圆形成新的椭圆环状过滤器进行点云过滤操作,如此循环直至拟合出的新椭圆与上一次拟合椭圆的中心点X和Y坐标差值均小于0.001米时停止。
采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云,包含圆形隧道结构本体的三维点云与不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点。
根据基于三维激光扫描法获得的圆形隧道全断面点云在隧道里程方向截取的点云切片拟合出的椭圆为基线构造出的一个椭圆环状过滤器如附图,用于滤除过滤器之外的点云噪点。
以过滤前的隧道断面点云作为输入点集拟合出的椭圆构成环状过滤器滤除噪点后以剩余点云作为输入点集再次拟合椭圆形成新的椭圆环状过滤器进行点云过滤操作,如此循环直至拟合出的新椭圆与上一次拟合椭圆的中心点X和Y坐标差值均小于0.001米停止。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,其特征在于:包括
S1:采用三维激光扫描法获得的圆形隧道的全断面三维点云;
S2:将上述步骤得到的全断面三维点云按照垂直于隧道里程方向进行点云切片,获得隧道里程方向厚度为4cm的三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi),i为点云切片中点的序号;
S3:将上述步骤中三维点云切片SC(Ni,Ei,Hi)投影到隧道设计断面坐标系中,得到该隧道里程处的二维断面PC(Xi,Yi),i为点云切片中点的序号;
S4:将上述步骤中二维断面点集PC(Xi,Yi)作为输入点集输入到代数距离平方和最小二乘椭圆拟合算法中进行拟合获得拟合椭圆参数,其中椭圆长轴长A、椭圆短轴长B、椭圆中心点坐标(X椭,Y椭)和椭圆旋转角θ椭;
S5:计算上述步骤获得的拟合椭圆中心点的(X椭,Y椭)坐标,如果本次拟合椭圆中心的(X椭,Y椭)坐标值与上一次拟合椭圆中心的ΔX、ΔY坐标差值均小于0.001米则终止后续迭代过滤过程,输出本轮椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果;
S6:以上述步骤输出的拟合椭圆参数构造以拟合椭圆中心为原点O’,与隧道设计断面坐标系X轴和Y轴平行的拟合椭圆参考断面坐标系X’O’Y’,并获得O’点至拟合椭圆上任一点P’(θ)的距离D’(θ),θ为∠P’O’X’;
S7:以ΔD(θ)=D(θ)-D’(θ)的值构造一个椭圆形环状过滤器,对步骤S3中的隧道设计断面坐标系下的二维断面点集进行过滤,将ΔD(θ)数值在[-d,d]范围外的点视作噪点进行滤除,d为过滤器的阈值;
S8:使d=d-0.01作为下一轮迭代过滤器的阈值,以此逐渐缩小过滤器的过滤范围;
S9:将步骤S7过滤后保留的有效点作为输入点集,重复步骤S4-S8,直至达到步骤S5中的迭代过滤终止条件输出椭圆拟合参数和过滤后剩余点集作为椭圆拟合与过滤过程的最终计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,其特征在于:在步骤S3中,所述隧道设计断面坐标系是以隧道设计断面的圆形中心为原点O,垂直于隧道轴线方向右手为X轴正方向,垂直与X轴向上为Y轴正方向的二维直角坐标系XOY。
3.根据权利要求1所述的一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,其特征在于:在步骤S1中,所述全断面三维点云包含圆形隧道结构本体的三维点云。
4.根据权利要求1所述的一种基于椭圆环状过滤器的隧道扫描点云噪点迭代过滤算法,其特征在于:在步骤S1中,所述全断面三维点云还包括不属于圆形隧道结构本体的管线、线架等物体所形成的三维点云噪点。
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