CN116659460A - 一种公路横断面激光点云切片快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，包括以下步骤：步骤1、按照设定大小对激光点云数据分块；步骤2、公路断面端点坐标计算，利用所提供的断面中桩坐标和设定的断面长度，计算断面的两个端点的平面坐标；步骤3、公路断面端点三角网索引构建；步骤4、激光点所在断面的快速判断，首先利用三角网索引快速定位出所在三角形，然后仅对三角形顶点所对应的断面进行判断；步骤5、公路断面点云切片生成，按断面顺序输出激光点云生成点云切片。本发明引入Delauney三角网构建断面端点的空间索引关系，并将断面编号挂接到端点信息中，实现所需比较断面的快速定位，避免遍历断面逐个计算与比较，大大提升了公路断面点云切片生成的效率。

Description

一种公路横断面激光点云切片快速生成方法

技术领域

本发明属于公路勘测设计领域，具体涉及一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，该方法可以快速准确的获取断面附近一定距离内的激光点云，为后继数据处理提供支撑。

背景技术

激光雷达测量技术(LiDAR)集成高精度三维激光扫描仪、定位定姿系统和高清数码相机，通过激光测距实现对现实环境的主动式测量。与其他传统测量手段相比，具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、数据精度高等优点，可以大面积、快速、完整的获取高精度的三维空间坐标信息和纹理信息，是基础设施建设工程应用的重要数据源。

获取准确、丰富的地表三维信息(横断面、纵断面)是公路勘测设计的一项重要工作。激光雷达测量技术，因为能够穿透植被缝隙达到地面，即使在植被茂密地区，仍然可以获得精确的地面信息。当前，利用激光点云获取公路断面信息正成为主流技术方式。

将激光点云生成规则格网数字高程模型DEM，进而提取断面地面线信息，具有数据量小、效率高等优势，但是其仅能保留地面点信息，且在生成规则格网时会损失特征信息。提取断面附近的所有的激光点云，不仅有利于生成更高精度的地面线信息，而且有利于将地面线信息与激光点云直接比较，进行交互编辑。激光点云的“海量性”给点云数据的后处理带来很大困难。

为此，本发明提出了一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，顾及公路断面的特点和激光点云数据海量的特点，构建高效的索引，实现断面附近激光点云的快速获取。该方法在公路横断面地面线生产与交互编辑、隧道断面点云提取等方面具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明针对实际公路工程应用中断面激光点云切片生成效率低的难题，提出了一种公路断面激光点云切片快速生成方法，基于三角网索引和断面标号的激光点所属断面快速定位，利用三角网索引以及激光点的空间邻近性提升检索效率，可实现海量断面激光点云切片的快速生成。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术措施：

一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，包括以下步骤：

步骤1、激光点云数据的分块：对于公路工程获取的海量的激光点云，按固定格网大小进行分区，每个分区对应一个点云文件；

步骤2、公路断面端点坐标计算：利用所提供的断面中桩坐标和设定的断面长度，计算断面的两个端点的平面坐标；

步骤3、公路断面端点三角网索引构建：将断面编号作为断面端点的属性，将断面端点作为构网点集，生成公路断面端点的Delauney三角网。

步骤4、激光点所属断面的快速判断：利用三角网索引，快速定位激光点所在三角形，从三角形顶点信息中获得距离其邻近断面编号，进一步计算激光点与邻近断面的垂直距离，判断其归属；

步骤5、公路断面点云切片生成：按断面顺序，输出该断面对应所有激光点，从而完成公路断面点云切片的生成。

可选地，所述的公路断面端点坐标计算，具体为：

读取所提供的断面中桩文件，断面中桩文件包含有所需生成激光点云切片的断面中桩坐标；

假设有n个断面，断面中桩坐标依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、……、(x_n,y_n)，对每个断面，利用其自身中桩坐标和后一个断面的中桩坐标计算路线前进方向，最后一个断面的路线前进方法直接取为倒数第二个断面的前进方向；

第i个断面中桩坐标为(x_i,y_i)，第i+1个断面中桩坐标为(x_i+1,y_i+1)，则路线前进方向用角度θ表示，计算公式为：

断面方向与路线前进方向垂直，断面左端和右端对应的方向角分别为θ+90°和θ+270°，假设断面单侧的宽度为D，则第i个断面的左端点(X_{i_left},Y_{i_left})、右端点(X_{i_right},Y_{i_right})的坐标分别为：

该断面所对应的直线方程可以表示为：

AX+BY+C＝0 (4)

其中，A、B和C分别为直线方程的系数，

B＝-1，C＝Y_{i_left}-A*X_{i_left}。

可选地，所述的激光点所属断面的快速判断，具体为：

步骤4.1、选定某分块激光点云文件中的第一个激光点；

步骤4.2、从Delauney三角网中随机选择一个三角形作为初始的搜索三角形，判断其与当前搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成；

步骤4.3、如果该激光点位于Delauney三角网外部，选取下一个激光点重复执行步骤4.2；

步骤4.4、如果该激光点位于Delauney三角网某个三角形，则进行如下操作：

读取该三角形三个顶点信息，顶点信息用triPoint结构保存，属性attr存储了断面标号，通过断面标号检索到断面所对应的直线方程参数；

利用该激光点的平面坐标，以及通过断面标号检索到的断面所对应的直线方程参数，通过点到直线距离的计算公式，计算出该激光点到断面的垂直距离；

当激光点与某断面的垂直距离小于给定阈值且为最小距离时，将激光点云归属于该断面；否则，激光点不归属于任何断面；操作完成后，选取下一个激光点执行步骤4.5；

步骤4.5、将步骤4.4中激光点定位的三角形设置为新的搜索三角形，判断当前激光点与新的搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成；

重复执行步骤4.3和步骤4.4直至遍历完该分块激光点云文件中所有的激光点；

步骤4.6、按步骤4.1～步骤4.5遍历所有分块的激光点云文件，至此完成激光点所在断面的快速判断。

与现有的技术相比，本发明的显著优点和效果主要表现在：

(1)利用断面端点构建三角网索引，实现激光点与公路断面空间位置的快速判断，方法简单实用，运算效率高；

(2)将定位成功的三角形作为下一个激光点搜索三角形，充分利用激光点云的空间邻近性，实现激光点的快速概略定位；

(3)相比传统的遍历搜索方法，可大大提升了定位效率，实现断面激光点云切片的快速生成，效率提升在10倍以上。

本发明可以实现公路断面附近激光点云的快速提取。相比传统方法，工作效率提高10倍以上，有效解决了公路断面激光点云切片快速生成的难题，展现了重大的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种公路横断面激光点云切片快速生成方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，如图1所示，包括以下具体步骤：

第一步，激光点云数据的分块

利用Terrasolid软件，采用固定格网大小，如1km×1km对工程区域进行分区，每个分区中激光点云存储在一个文件中，实现海量激光点云的分块处理。

第二步，公路断面端点坐标计算

读取所提供的断面中桩文件，断面中桩文件包含有所需生成激光点云切片的断面中桩坐标。

假设有n个断面，断面中桩坐标依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、……、(x_n,y_n)。对每个断面，利用其自身中桩坐标和后一个断面的中桩坐标计算路线前进方向，最后一个断面的路线前进方法直接取为倒数第二个断面的前进方向。以第i个断面为例，其断面中桩坐标为(x_i,y_i)，第i+1个断面中桩坐标为(x_i+1,y_i+1)，则路线前进方向用角度θ表示，计算公式为：

断面方向与路线前进方向垂直，断面左端和右端对应的方向角分别为θ+90°和θ+270°，假设断面单侧的宽度为D，则第i个断面的左端点(X_{i_left}，Y_{i_left})、右端点(X_{i_right},Y_{i_right})的坐标分别为：

该断面所对应的直线方程可以表示为：

AX+BY+C＝0 (4)

其中，A、B和C分别为直线方程的系数，具体为：

B＝-1，C＝Y_{i_left}-A*X_{i_left}。

第三步，公路断面端点三角网索引构建

对断面端点构建Delauney三角网索引，从而建立断面空间位置关系索引。

生成的Delauney三角网，除边界外，其中的每个三角形都有三个相邻的三角形，三角形之间的公共边把相邻的三角形一分为二。这种三角形之间通过公共边咬合的关系是遍历三角网的基础。为了表达这种相邻的拓扑关系，把顶点、三角形的数据结构定义为：

其中的orient取值为0、1、2，分别代表三角形的一条边，也代表相应的有向边为底的三角形。

利用所有断面的端点构建triPOINT点集，triPOINT中的属性x和y存储各断面端点的坐标，属性attr存储端点对应的断面标号。假设有n个断面，则会生成2n个triPOINT点。利用生成的2n个triPOINT点，构建Delauney三角网。目前，Delauney三角网构建已有较多成熟算法，代表性的有增量插入算法、分治合并算法、平面扫描算法等，本实施例中采用了分治合并算法。

第四步，激光点所属断面的快速判断

本实施例中激光点所在断面的快速概略判断，通过快速遍历Delauney三角网中三角形实现。在此基础上，进一步计算激光点与邻近断面的垂直距离来判断其所属断面。具体步骤如下：

1)选定某分块激光点云文件中的第一个激光点。

2)从Delauney三角网中随机选择一个三角形作为初始的搜索三角形，判断其与当前搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成。

3)如果该激光点位于Delauney三角网外部，选取下一个激光点重复执行步骤2)。

4)如果该激光点位于Delauney三角网某个三角形，则进行如下操作：

读取该三角形三个顶点信息，顶点信息用triPoint结构保存，属性attr存储了断面标号，通过断面标号可以检索到断面所对应的直线方程参数。

利用该激光点的平面坐标，以及通过断面标号检索到的断面所对应的直线方程参数，通过点到直线距离的计算公式，可以计算出该激光点到断面的垂直距离。

可以发现，需计算垂直距离的断面个数最多只有3个。当激光点与某断面的垂直距离小于给定阈值(如1m)且为最小距离时，将激光点云归属于该断面。否则，激光点不归属于任何断面。

操作完成后，选取下一个激光点执行步骤5)。

5)将步骤4)中激光点定位的三角形设置为新的搜索三角形，判断当前激光点与新的搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成。

重复执行步骤3)和步骤4)直至遍历完该分块激光点云文件中所有的激光点。

6)按步骤1)～步骤5)遍历所有分块的激光点云文件，至此完成激光点所在断面的快速判断。

第五步，公路断面点云切片生成

按断面顺序，输出该断面对应所有激光点，从而完成公路断面点云切片生成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种公路横断面激光点云切片快速生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、激光点云数据的分块：对于公路工程获取的海量的激光点云，按固定格网大小进行分区，每个分区对应一个点云文件；

步骤2、公路断面端点坐标计算：利用所提供的断面中桩坐标和设定的断面长度，计算断面的两个端点的平面坐标；

步骤3、公路断面端点三角网索引构建：将断面编号作为断面端点的属性，将断面端点作为构网点集，生成公路断面端点的Delauney三角网；

步骤4、激光点所属断面的快速判断：利用三角网索引，快速定位激光点所在三角形，从三角形顶点信息中获得距离其邻近断面编号，进一步计算激光点与邻近断面的垂直距离，判断其归属；

步骤5、公路断面点云切片生成：按断面顺序，输出该断面对应所有激光点，从而完成公路断面点云切片的生成。

2.根据权利要求1所述的公路横断面激光点云切片快速生成方法，其特征在于，所述的公路断面端点坐标计算，具体为：

读取所提供的断面中桩文件，断面中桩文件包含有所需生成激光点云切片的断面中桩坐标；

假设有n个断面，断面中桩坐标依次为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、……、(x_n,y_n)，对每个断面，利用其自身中桩坐标和后一个断面的中桩坐标计算路线前进方向，最后一个断面的路线前进方法直接取为倒数第二个断面的前进方向；

第i个断面中桩坐标为(x_i,y_i)，第i+1个断面中桩坐标为(x_i+1,y_i+1)，则路线前进方向用角度θ表示，计算公式为：

断面方向与路线前进方向垂直，断面左端和右端对应的方向角分别为θ+90°和θ+270°，假设断面单侧的宽度为D，则第i个断面的左端点(X_{i_left},Y_{i_left})、右端点(X_{i_right},Y_{i_right})的坐标分别为：

该断面所对应的直线方程可以表示为：

AX+BY+C＝0 (4)

其中，A、B和C分别为直线方程的系数，

B＝-1，C＝Y_{i_left}-A*X_{i_left}。

3.根据权利要求1所述的公路横断面激光点云切片快速生成方法，其特征在于，所述的激光点所属断面的快速判断，具体为：

步骤4.1、选定某分块激光点云文件中的第一个激光点；

步骤4.2、从Delauney三角网中随机选择一个三角形作为初始的搜索三角形，判断其与当前搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成；

步骤4.3、如果该激光点位于Delauney三角网外部，选取下一个激光点重复执行步骤4.2；

步骤4.4、如果该激光点位于Delauney三角网某个三角形，则进行如下操作：

读取该三角形三个顶点信息，顶点信息用triPoint结构保存，属性attr存储了断面标号，通过断面标号检索到断面所对应的直线方程参数；

利用该激光点的平面坐标，以及通过断面标号检索到的断面所对应的直线方程参数，通过点到直线距离的计算公式，计算出该激光点到断面的垂直距离；

当激光点与某断面的垂直距离小于给定阈值且为最小距离时，将激光点云归属于该断面；否则，激光点不归属于任何断面；操作完成后，选取下一个激光点执行步骤4.5；

步骤4.5、将步骤4.4中激光点定位的三角形设置为新的搜索三角形，判断当前激光点与新的搜索三角形的位置关系，如不在该三角形，根据其位置关系旋转到邻近三角形，直至定位完成；

重复执行步骤4.3和步骤4.4直至遍历完该分块激光点云文件中所有的激光点；

步骤4.6、按步骤4.1～步骤4.5遍历所有分块的激光点云文件，至此完成激光点所在断面的快速判断。