一种基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法与流程

技术特征：
1.一种基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，包括：对一建筑物进行三维扫描融合，得到所述建筑物的三维点云坐标数据；对所述三维点云坐标数据进行数据预处理，所述数据预处理包括降采样和使用主成分分析来计算点云的法向量值；基于所述数据预处理后的三维点云坐标数据进行平面拟合，所述平面拟合限制所述建筑物的朝向的数量，通过所述平面拟合得到初始平面结构；对所述初始平面结构进行手动修复；对手动修复后的所述初始平面结构进行结构优化，生成二维矢量平面图。2.根据权利要求1所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述对一建筑物进行扫描融合基于三维传感器以及相应slam算法。3.根据权利要求1所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述降采样包括：通过输入的所述三维点云坐标数据创建一个三维体素栅格；在每个所述三维体素栅格内，用所述三维体素栅格的所有点的重心来近似显示所述三维体素栅格中其他点。4.根据权利要求3所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述使用主成分分析来计算点云的法向量值具体包括：对所述降采样之后的所述三维点云坐标数据进行去中心化，所述去中心化指每个特征维度减去各自的平均值；计算协方差矩阵；用特征值分解方法求所述协方差矩阵的特征值与特征向量，并按特征值从大到小排序特征向量，其中，最小的特征向量即为法向量。5.根据权利要求1所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述平面拟合包括对目标函数的优化，所述目标函数为：其中，n是点的数量，n
i
是第i个点的邻域点集合，v是优化后的法向量集合，z
i
是第i个点的法向量在v中的序号，i是预处理阶段计算得到的法向量集合，i
i
是第i个点的原始法向量,λ是离群值惩罚系数；所述对目标函数的优化包括对下列(1)、(2)式的优化；所述对目标函数的优化包括对下列(1)、(2)式的优化；对(1)式的优化包括：计算合并两个子域时目标函数的变化δe,
其中，v
i
和v
j
分别表示两个子域，c
ij
为两个子域中相连单元的个数，w
i
为域i的点集数量，w
j
为域j的点集数量，λ0表示初始取值，即计算各点与其邻点距离中位数，取该中位数集合中的最小值；若δe为正，则合并两子域，否则不合并；合并后新子域的法向量为：对(2)式的优化包括：构建满足f(x∪{x})
‑
f(x)≥f(yu{x})
‑
f(y)for any的次模函数：其中，φ是不相连区域的集合，是第i个子区域的法向量，v
φ
是包含的法向量集合；进行初始化：y
←
φ；遍历区域内点数量大于阈值的所有区域，对第i个区域φ
i
，若f(x∪{φ
i
})
‑
f(x)≥f(y\{φ
i
})
‑
f(y)则x
←
x∪{s
i
}，反之y
←
y\{φ
i
}，得到的v即为优化结果。6.根据权利要求5所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述平面拟合还包括：若区域内点在法向量的方向上的长度大于0.1m，则将其在该方向上投影以0.01m为宽度统计点数量直方图，取两个最高点的中点为分界，将该区域分为两子区域；对每一子区域，用主成分分析的方法计算其内点在空间中的分布，得到对应特征值最大的特征向量；结合该部分法向量，得到子区域坐标系到全局坐标系的旋转矩阵以及全局坐标系到子区域坐标系的旋转矩阵；用所述全局坐标系到子区域坐标系的旋转矩阵将区域内点旋转到子区域坐标系内，排序得到z轴坐标值为中位数的点，将其用所述子区域坐标系到全局坐标系的旋转矩阵旋转回全局坐标系，得到平面在全局坐标系中经过的点p
median
。7.根据权利要求6所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述通过所述平面拟合得到初始平面结构包括：对任一子区域，通过其三维法向量获得二维方向向量为：其中，n1、n2和n3分别表示x轴、y轴和z轴方向上的方向分量；根据计算得到二维墙面的角度值θ＝arccos(d1)；将所有点的x轴和y轴坐标根据二维旋转矩阵：
旋转到局部坐标系；根据x轴方向上的最大值x
max
和最小值x
min
，以及p
median
旋转后得到的y值y
median
，得到全局坐标系下的两个端点：对于θ≤45或θ＞135的墙面线段，取x值小的作为起点，x值大的作为终点；对于45＜θ≤135的线段，取y值小的作为起点，y值大的作为终点；根据点云在z轴上的最大最小值，得到高度的范围(h
min
，h
max
)；过滤所有n3＞0.1的平面，调整墙面高度的范围，设定有阀值(h
low
，h
high
)，保留高度的范围(h
min
，h
max
)在阀值(h
low
，h
high
)内的求墙面，得到初始平面结构的二维图像。8.根据权利要求7所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述手动修复包括在所述二维图像上画线，根据两点来生成一条线，并同时计算θ，数据，或选择多余的线段，将其删除，得到修复后的草图。9.根据权利要求8所述的基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，其特征在于，所述对手动修复后的所述初始平面结构进行结构优化包括：计算所述修复后的草图上的各点是否能够通过伸缩5个像素来使图像闭合；若能，则将线段替换为闭合的优化后线段；若不能，则保留原线段。

技术总结
本发明涉及计算机视觉三维感知与三维点云处理技术领域，具体涉及一种基于三维扫描点云的建筑物平面图生成方法，包括：对一建筑物进行三维扫描融合，得到所述建筑物的三维点云坐标数据；对所述三维点云坐标数据进行数据预处理，所述数据预处理包括降采样和使用主成分分析来计算点云的法向量值；基于所述数据预处理后的三维点云坐标数据进行平面拟合，所述平面拟合限制所述建筑物的朝向的数量，通过所述平面拟合得到初始平面结构；对所述初始平面结构进行手动修复；对手动修复后的所述初始平面结构进行结构优化，生成二维矢量平面图。该生成方法能够有效避免在生成过程中数据的损失，使得完整、连续的建筑物平面图的提取成为可能。能。能。


技术研发人员：谢官麟 李锐剑 吕文涛 赵希亭
受保护的技术使用者：岱悟智能科技（上海）有限公司
技术研发日：2021.09.07
技术公布日：2021/12/11