一种水下地形点云滤波与三维建模方法与流程

本发明涉及图像数据处理与三维空间建模，具体涉及一种水下地形点云滤波与三维建模方法。

背景技术：

1、水下地形三维数字高程模型是航道开挖维护和水下工程空间分析的重要基础数据，现有测量作业通常由测量平台搭载声学测深系统沿测线采集水下点云序列，并在完成潮位改正和声速改正后形成三维离散点云集，作为生成数字高程模型和进行三维曲面重构的基础数据，在实际水体探测过程中，悬浮泥沙、浮游生物、空化微气泡以及声波多路径折射等因素，会使原始测深序列中混入大量离散噪点和高程跳变点，与此同时，在航道边坡、深槽等起伏较大的区域，真实地形本身也会在较短距离内出现明显的高程变化，通用滤波算法通常依据三维空间内的高程统计阈值判断异常点，难以准确区分水体中的悬浮噪点与陡坡断面上的真实高程变化，滤波门限设置较严时，容易把真实的水下边坡坡折一并平滑掉；滤波门限设置较宽时，又容易保留悬浮噪点，使其在后续建模中形成虚假地形，在离散点云降采样和规则化网格重构过程中，常规网格算法通常采用网格单元内各点高程的算术平均值作为代表高程，当网格内深水点较多、碍航浅点分布较少时，浅点高程容易被平均结果掩盖，导致关键浅点极值在规则化模型中遗漏。

2、在从离散点云到复杂水下地形三维重构的处理链路中，除常规空间滤波与栅格平滑手段外，业界尝试引入体素等值面提取与局部网格加密等算法构建三维地貌，例如，授权公告号为cn120876766b的中国发明专利公开了一种基于三维建模的海洋地形数字展示方法，通过将多源数据插值构建三维空间密度场，利用改进的marchingcubes算法提取等值面生成初始地形模型，并结合局部三维delaunay三角网对高曲率区域实施细化，然而，该类方案在应用于高噪声水声测深点云时，体素密度场的空间插值易将水体悬浮杂波与真实地形边界混合均化，导致等值面提取阶段难以解耦水体噪声与微地貌坡折，在航道转向段、异形港池等具有非凸多边形边界的测区，通用空间三角剖分算法通常根据全部离散点的凸包建立拓扑连接，由于凸包不能准确贴合边界凹角，凹角区域容易产生跨越实际水域外边界的虚假三角形，若再通过人工方式对这些区域进行几何拆分和拼接，还容易造成三角网拓扑连接不连续或边界出现几何缝隙，从而影响三维曲面重构的连续性和空间体积积分精度。

3、因此，如何在二维图像特征空间中区分悬浮噪点与真实地形坡折并保留地形边界，如何在栅格化降采样过程中保留局部控制性浅点极值，以及如何在非凸拓扑边界的强约束下自动构建贴合实际边界的连续三维三角网曲面，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，所采用的技术方案具体如下：一种水下地形点云滤波与三维建模方法，包含以下步骤：

2、步骤s101，获取测区水下三维离散测深点云集，依据声学脉冲时序与瞬时航向方位角提取同一发射脉冲截面内的测深点，计算测深点垂直于航向的投影距离作为横坐标，将原始高程作为纵坐标，生成二维测深剖面空间点阵；

3、步骤s102，将二维测深剖面空间点阵转换为包含局部点密度通道与高度梯度通道的双通道几何特征张量，输入卷积目标检测网络预测异常噪声包围框，剔除落入异常噪声包围框内的测深点，输出由纯净水下地形点构成的纯净水下地形点云集；

4、步骤s103，划分规则空间网格单元，以预设设计基准高程面为参照提取相对高程差值为正的浅点组成浅点子集，依据浅点子集的高程均值与高程标准差计算网格单元的代表水深值，生成包含规则化水深特征点的规则化水深矩阵；

5、步骤s104，提取测区外轮廓构建非凸封闭拓扑边界环，以纯净水下地形点与规则化水深特征点初始化构建平面三角网，插入非凸封闭拓扑边界环作为强约束线段并翻转相交对角线使其成为共有边，依据质心射线相交次数奇偶性剔除外部三角形，将内部三角形拓扑映射至三维空间，构建三维水下数字高程模型。

6、优选的，步骤s101中生成二维测深剖面空间点阵包含：步骤s1011，确定换能器在第个发射脉冲触发时的水平中心坐标与瞬时航向方位角；步骤s1012，对于属于第个发射脉冲截面的任意离散测深点，依据水平中心坐标与瞬时航向方位角，解算测深点在垂直于航向上的横向投影距离并作为剖面横坐标，将原始高程作为剖面纵坐标；步骤s1013，以单个发射脉冲截面为单位生成二维测深剖面空间点阵，沿航迹方向按发射脉冲时序逐脉冲分别生成各发射脉冲截面对应的二维测深剖面空间点阵以供送入卷积目标检测网络。

7、优选的，步骤s102中转换为包含局部点密度通道与高度梯度通道的双通道几何特征张量包含：步骤s1021，在局部二维剖面坐标系中按0.05m空间分辨率划分局部像素单元；步骤s1022，统计落入各像素单元内的离散测深点数量，构建表征局部点密度的第一特征通道；步骤s1023，计算各列像素单元内部点集的代表高程相对于相邻列的高程一阶差分，构建表征归一化高度梯度的第二特征通道；步骤s1024，组合第一特征通道与第二特征通道生成双通道二维几何特征张量，并将双通道二维几何特征张量输入包含特征金字塔的单阶段卷积检测网络，输出异常噪声包围框及其分类置信度得分；比对分类置信度得分与预设判定门限，当分类置信度得分大于或等于预设判定门限时，剔除落入对应包围框几何范围内的测深点，预设判定门限的取值范围为0.80至0.90。

8、优选的，步骤s104中插入非凸封闭拓扑边界环作为强约束线段并翻转相交对角线使其成为共有边包含：步骤s1041，提取测区实际外边界线段构建有序封闭点序列；步骤s1042，以纯净水下地形点与规则化水深特征点为输入离散节点集，在二维平面上构建初始标准delaunay三角网；步骤s1043，逐一遍历非凸封闭拓扑边界环中的各强约束线段，检索初始标准delaunay三角网中与当前强约束线段发生几何相交的三角形边，对相交边所在的一对共边三角形实施局部对角线翻转，直至各强约束线段完整嵌入三角网中成为相邻三角形的共有边。

9、优选的，步骤s104中依据质心射线相交次数奇偶性剔除外部三角形包含：步骤s1044，计算平面三角网中每个三角形在二维投影面上的几何质心坐标；步骤s1045，自各几何质心沿水平坐标轴正方向发射一条水平射线，遍历统计水平射线与非凸封闭拓扑边界环中全部线段的几何相交总次数；步骤s1046，当几何相交总次数为偶数时，判定对应三角形位于非凸测区几何边界外部并予以剔除；当几何相交总次数为奇数时，判定对应三角形位于非凸测区几何边界内部并予以保留；将保留的全部内部三角形的二维拓扑结构映射至三维空间，并为各网格顶点赋予大地水深高程值，生成作为三维水下数字高程模型的三维非规则三角网曲面模型。

10、优选的，在构建三维水下数字高程模型之后，还包含横断面形态动态提取步骤：步骤s105，在构建的三维水下数字高程模型中指定剖面起点与剖面终点生成剖面基准线段，解算剖面基准线段与三维三角网中各空间三角形面片边界边的空间交点序列，按与剖面起点的水平投影距离对空间交点序列进行线性升序排列并在空间交点之间内插生成航道横向高程变化连续曲线，将航道横向高程变化连续曲线与设计断面边坡线进行重叠比对，输出通航底宽与边坡坡比核验数据。

11、优选的，在构建三维水下数字高程模型之后，还包含多期地形演变差分分析步骤：步骤s106，获取同一测区的基准期三维地形曲面模型，将当前期构建的三维水下数字高程模型与基准期三维地形曲面模型进行共线垂向投影差分以构建反映冲淤变化的空间连续差分场，当差分场数值大于零时标记为泥沙堆积回淤区域，当差分场数值小于零时标记为水流冲刷或开挖切除区域，依据差分数值梯度渲染生成空间冲淤色斑分布图。

12、优选的，在构建三维水下数字高程模型之后，还包含工程土方体积积分步骤：步骤s107，提取指定工程计算区域内包含的全部三维微元三角形，对于任意第m个三维微元三角形，依据其三个顶点的平面坐标计算该微元三角形在水平面上的投影面积，获取三个顶点分别相对于设计开挖基准面的开挖深度，将投影面积乘以三个顶点开挖深度之和的三分之一作为微元三棱柱单元的土方体积，对指定工程计算区域内的全部微元三棱柱单元的土方体积进行代数累加，解算得到区域总工程土方开挖量。

13、优选的，在生成规则化水深矩阵之后，还包含通航水深安全预警步骤：步骤s108，设定航道维护水深基准阈值，遍历检索规则化水深矩阵中水深值小于航道维护水深基准阈值的异常网格节点，提取异常网格节点的平面坐标与水深高程，比对异常网格节点的水深高程与预设设计基准高程面以计算局部碍航浅点的超高差值与平面影响范围，输出指示航道欠挖障碍位置的空间预警标记。

14、本发明的有益效果是：

15、1、在水下地形点云滤波与三维建模中，通过将三维离散点云转换到与航向正交的二维剖面，并结合局部点密度与高度梯度进行异常噪声识别，能够更准确地区分悬浮杂波、气泡干扰与真实地形的高程变化，减少滤波过程中对航道边坡坡折和深槽边界的误删，在滤除噪点的同时，可较好地保留真实水下地形原有的几何连续性和走向，提高后续三维地形重构所采用点云数据的可靠性。

16、2、在规则空间网格处理中，以浅点子集的高程特征确定网格单元的代表水深，使代表水深更多地反映局部浅水点的实际情况，避免大量深水点采用算术平均后掩盖少量碍航浅点，由此能够在点云降采样和规则化重构过程中保留局部通航控制性浅点极值，降低关键浅点被平滑遗漏的可能，为后续水深安全核查提供更可靠的地形数据。

17、3、通过非凸封闭拓扑边界环对三角网边界进行约束，并剔除实际测区边界之外的三角形，可减少非凸边界凹角处出现跨界三角形的问题，与依靠人工拆分、拼接测区相比，该方式能够降低拓扑撕裂、几何缝隙和边界失真的影响，使生成的三维非规则三角网曲面更加连续，并能够更好地贴合复杂非凸测区的实际边界。

18、4、在工程空间分析与综合应用中，利用所构建的三维水下数字高程模型与规则化水深矩阵，能够沿空间交点连续提取横断面高程并精准核验底宽与坡比，通过多期投影差分与色斑梯度渲染直观呈现冲淤演变分布，结合微元三棱柱单元体积积分提升非凸异形区域土方开挖量的计算精度，并经由阈值比对实现对局部碍航浅点的主动安全预警，全方位提升了复杂水域工程量测、形态核验及安全维护的作业效率与解算可靠性。