基于激光点云数据的滤波方法及系统与流程

1.本发明属于点云处理领域，尤其涉及一种点云滤波的方法及系统。


背景技术：

2.我国的地理环境比较复杂，在激光雷达的采集的数据中，包含有平原、城市、山地、丘陵等各种复杂地形。根据需求，利用激光点云数据可以建立：
3.数字地形模型(digital terrain model，简称dtm)：是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，dtm就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
4.数字高程模型(digital elevation model，简称dem)：是一定范围内规则格网点的平面坐标(x，y)及其高程(z)的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的。dem是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息。
5.数字表面模型(digital surface model，简称dsm)：是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。其表示的是最真实地表达地面起伏情况。和dem相比，dem只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息，dsm是在dem的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。
6.对于dtm、dem，现有的点云滤波方法很难区分地面点与建筑、树木等非地面点；而对于dsm现有地点云滤波方法也很难获得比较精确的计算结果。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种基于激光点云数据的滤波方法及系统，对原始点云进行滤波处理，使得点云计算结果更加的精确。
8.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于激光点云数据的滤波方法，包括：
9.预处理步骤：对原始点云进行预处理，消除孤立点；若需要获取数字地形模型或者数字高程模型，则将点云倒置；
10.初始化网格步骤：生成网格，设置网目尺寸，并将网格布置于点云的上方；
11.确定最邻近点步骤：为每个网格粒子在点云中寻找最邻近点；
12.外部因素计算步骤：计算网格粒子仅受重力自然下落产生的位移量；
13.权值系数计算步骤：通过地形起伏参数参考值和地形起伏参数确定相邻网格粒子间的权值系数；
14.内部因素计算步骤：通过权值系数计算网格粒子受到网格粒子之间作用力产生的位移量；
15.重复执行外部因素计算步骤、权值系数计算步骤、内部因素计算步骤，直到所有网
格粒子高程变化小于预设值或者迭代次数大于预设值。
16.作为一种改进，所述预处理步骤中所述将点云倒置为将点云以xoy平面为对称面进行翻转。
17.作为一种改进，所述初始化网格步骤中，所述网格由若干四边形网目组成，网目的每个顶点为一个网格粒子。
18.作为一种优选，所述确定最邻近点步骤包括：将网格粒子和点云投影到同一平面上，计算网格粒子与周围点云之间的距离，选择距离最近的一个点为最邻近点。
19.作为一种改进，所述外部因素计算步骤：计算网格粒子仅受重力自然下落产生的位移。
20.作为一种改进，外部因素计算步骤中，计算所有网格粒子仅受重力自然下落产生的位移量后，将每个网格粒子下落后的高程与其在点云中最邻近点的高程进行比较，如果网格粒子的高程小于或者等于其最邻近点的高程，则将该网格粒子的高程调整到其最邻近点的高程并将该网格粒子标记为不可移动粒子；如果网格粒子的高程大于其最邻近点的高程，则将该网格粒子标记为可移动粒子。
21.作为一种改进，内部因素计算步骤中对于任意两个相邻的网格粒子，如果两个网格粒子均为不可移动粒子，则不进行移动；如果两个网格粒子均为可移动粒子，则两个网格粒子向相反方向移动同样的距离；如果两个网格粒子中一个为不可移动粒子另一个为可移动粒子，则将可移动粒子进行移动。
22.作为一种改进，所述内部因素计算步骤中，当两个相邻网格粒子一个为不可移动粒子另一个为可移动粒子时，可移动粒子的位移量区间为(0，h]，h为两个相邻网格粒子的高差，并通过权值系数在区间范围内进行调节；两个相邻网格粒子均为可移动粒子时，该两个网格粒子的位移量区间为(0，0.5h],h为两个相邻网格粒子的高差，并通过权值系数在区间范围内进行调节。
23.作为一种改进，若需要获取数字地形模型或者数字高程模型，计算点云与其在网格粒子中的最邻近点的高差，如果高差大于或者等于阈值则认为其为非地面点并清除，如果高差小于阈值则认为其为地面点并保留。
24.本发明还提供一种基于激光点云数据的滤波系统，包括：
25.点云预处理模块，用于对原始点云进行预处理，消除孤立点；对于数字地形模型或者数字高程模型输出，可将点云倒置；
26.网格生成模块，用于生成网格，定义网目尺寸，并将网格布置于点云上方；
27.最邻近点寻找模块，用于为每一个网格粒子在点云中寻找最邻近点；
28.外部因素计算模块，用于计算网格粒子仅受重力自然下落的位移量；
29.权值系数计算模块，用于利用地形起伏参数参考值以及地形起伏参数确定相邻网格粒子间的权值系数；
30.内部因素计算模块，用于通过权值系数计算网格粒子受到网格粒子之间作用力产生的位移量。
31.作为一种改进，还包括点云分割模块，用于在输出数字地形模型或者数字高程模型时，对地面点云和非地面点云进行分割。
32.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器内存储有点云滤波
程序，所述处理器执行该程序可实现上述基于激光点云数据的滤波方法。
33.本发明还提供一种存储设备，所述存储器内存储有点云滤波程序，所述点云滤波程序被处理器执行时可实现上述基于激光点云数据的滤波方法。
34.本发明的有益之处在于：具有上述步骤的滤波方法，针对地形地貌变化比较复杂的区域，该方案能够提高布料仿真算法的计算精度，让生成的dem或dsm数据更加接近真实地形地貌，分割的地面或非地面点也更加准确。
附图说明
35.图1为本发明输出dtm和dem时的原理示意图(网格落至点云表面)。
36.图2为本发明输出dsm时的原理示意图(网格为初始化状态)。
37.图3为本发明的流程图。
38.图4为权值系数函数特征图。
39.图5为不同d
ref
取值下的权值曲线图。
40.图6为本发明的结构原理图。
41.图中标记：1点云、2网格。
具体实施方式
42.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
43.如图1、图2所示，本发明的原理是利用网格自然下落到点云上，通过网格对点云外形轮廓的覆盖获取与点云外形一致的模型，从而进行滤波达到：(1)减少异常数据(如空中噪点、地下噪点、比较稀疏的点云数据)对结果的影响，提高计算结果的稳定性；(2)让计算结果较为连续。另外对于dtm、dem输出，通过将点云翻转，利用网格粒子之间的相互拉扯作用，将非地面点过滤。
44.为了达到上述发明目的，本发明提供一种基于激光点云数据的滤波方法，如图3所示，包括：
45.s1预处理步骤：对原始点云进行预处理，消除孤立点；若需要获取数字地形模型或者数字高程模型，则将点云倒置；所述将点云倒置是指将点云以xoy平面为对称面进行翻转，实际上只要将点云翻转底部朝上即可。
46.s2初始化网格步骤：生成网格，设置网目尺寸，并将网格布置于点云的上方；本实施例中，所述网格由若干四边形网目组成，网目的每个顶点为一个网格粒子，每个网格粒子有四个相邻点。初始化的时候，整个网格位于同一平面上，假设某个网格粒子的坐标为(x,y),那么该网格粒子的四个相邻点坐标分别为(x 1,y 1)、(x 1,y-1)、(x-1,y 1)、(x-1,y-1)。另外初始化时，网格粒子需要高于所有的点云。
47.s3确定最邻近点步骤：为每个网格粒子在点云中寻找最邻近点；本实施例中，寻找最邻近点的方法为将网格粒子和点云投影到同一平面上，计算网格粒子与周围点云之间的距离，选择距离最近的一个点为最邻近点。网格粒子和点云都投影到同一平面后，只需要计算二者的平面距离并选择距离最短者，二者互为最邻近点。
48.s4外部因素计算步骤：计算网格粒子仅受重力自然下落产生的位移量；假设网格
粒子均为具有恒定质量且无尺寸的质点，该网格的方式也称作为质点弹簧模型。要模拟网格作为自由落体中某一时刻的形状，需要计算出各个网格粒子的空间位置。假设各个网格粒子只能在垂直方向进行移动，且只受重力与相邻点的相互作用力。当只考虑重力作用时，由牛顿第二定律可知，网格粒子的空间位置和其所受的作用力之间的关系可由下式确定：
49.x(t δt)＝2x(t)-x(t-δt) gδt2/m
50.其中，m表示网格粒子的质量，g表示重力加速度常数，x(t)表示某一时刻的网格粒子位置，δt表示时间步长。当时间步长和网格粒子的初始位置已知时，可以结算出网格粒子的当前位置。
51.计算所有网格粒子仅受重力自然下落产生的位移量后，将每个网格粒子下落后的高程与其在点云中最邻近点的高程进行比较，如果网格粒子的高程小于或者等于其最邻近点的高程，则将该网格粒子的高程调整到其最邻近点的高程并将该网格粒子标记为不可移动粒子；如果网格粒子的高程大于其最邻近点的高程，则将该网格粒子标记为可移动粒子。
52.s5权值系数计算步骤：通过地形起伏参数参考值和地形起伏参数确定相邻网格粒子间的权值系数；
53.为提高本发明中滤波在不同地形下的计算精度，本发明在相邻网格粒子间引入权值系数函数进行调节，其中，pi为pj的相邻粒子，x为地形起伏参数(x越大，地形起伏越大，x越小，地形起伏越小；其包含但不局限于曲率、梯度、特征熵、各项异性、线性、网格粒子间高差等)，将地形起伏直接转换为相邻粒子间的权系数，以提高本发明所述的滤波对于复杂地形的适应能力。
54.如图4所示，权值系数函数具有以下特征：
55.1、当x趋于0时，权值系数趋于1，随着x的增大，权值系数趋于0；
56.2、函数整体呈递减趋势，但是下降的速度为先逐渐变大，当增大到一定速度时，下降速度又会逐渐变小。
57.本实施例中，地形起伏参数选用网格粒子间的高差，权值系数函数的计算公式为：
[0058][0059]
其中，x为相邻粒子pi和pj的高差，d
ref
为参考的高度，由用户输入。图5为不同d
ref
取值下的权值曲线图。
[0060]
s6内部因素计算步骤：通过权值系数计算网格粒子受到网格粒子之间作用力产生的位移量；对于任意两个相邻的网格粒子，如果两个网格粒子均为不可移动粒子，则不进行移动；如果两个网格粒子均为可移动粒子，则两个网格粒子向相反方向移动同样的距离；如果两个网格粒子中一个为不可移动粒子另一个为可移动粒子，则将可移动粒子进行移动。
[0061]
当两个相邻网格粒子一个为不可移动粒子另一个为可移动粒子时，可移动粒子的位移量区间为(0，δh]，δh＝p
i-pj为两个相邻网格粒子的高差，并通过权值系数在区间范围内进行调节，其公式为：
[0062]
[0063]
两个相邻网格粒子均为可移动粒子时，该两个网格粒子的位移量区间为(0，0.5δh],δh＝p
i-pj为两个相邻网格粒子的高差，并通过权值系数在区间范围内进行调节,其公式为：
[0064][0065]
上述两个公式中，d为粒子的位移量，当粒子可移动时b等于1，不可移动时b为0，pi为pj的相邻粒子，n是点进行标准化到垂直方向上的单位向量(0，0，1)
t
。
[0066]
s7重复执行s4外部因素计算步骤、s5权值系数计算步骤、s6内部因素计算步骤，直到所有网格粒子高程变化小于预设值或者迭代次数大于预设值。
[0067]
s8若需要获取数字地形模型或者数字高程模型，计算点云与其在网格粒子中的最邻近点的高差，如果高差大于或者等于阈值则认为其为非地面点并清除，如果高差小于阈值则认为其为地面点并保留。
[0068]
如图6所示，本发明还提供一种基于激光点云数据的滤波系统，包括：
[0069]
点云预处理模块，用于对原始点云进行预处理，消除孤立点；对于数字地形模型或者数字高程模型输出，可将点云倒置；
[0070]
网格生成模块，用于生成网格，定义网目尺寸，并将网格布置于点云上方；
[0071]
最邻近点寻找模块，用于为每一个网格粒子在点云中寻找最邻近点；
[0072]
外部因素计算模块，用于计算网格粒子仅受重力自然下落的位移量；
[0073]
权值系数计算模块，用于利用地形起伏参数参考值以及地形起伏参数确定相邻网格粒子间的权值系数；
[0074]
内部因素计算模块，用于通过权值系数计算网格粒子受到网格粒子之间作用力产生的位移量；
[0075]
点云分割模块，用于在输出数字地形模型或者数字高程模型时，通过点云与其在网格粒子中的最邻近点的高差与阈值相比较的结果，对地面点云和非地面点云进行分割。
[0076]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器内存储有点云滤波程序，所述处理器执行该程序可实现上述基于激光点云数据的滤波方法。
[0077]
本发明还提供一种存储设备，所述存储器内存储有点云滤波程序，所述点云滤波程序被处理器执行时可实现上述基于激光点云数据的滤波方法。
[0078]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。