基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法

技术领域

本发明涉及工程测绘技术领域，具体涉及一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法。

背景技术

机载激光扫描集成了高精度位姿(POS)、激光扫描器，具有精度高，点云密度可达50～100个/平方米，还有多次回波，可滤除植被的影响，已应用于地形测绘、森林普查等领域。陡崖地表信息为地质灾害评价和治理所必需，现有技术中，机载Lidar点云滤波软件均没考虑陡崖反坡多个投影交点，坡度常出现负值，在点云滤波提取地面点时，陡崖区域岩壁地表信息往往被忽略，导致地表信息的缺失。

由图7显见，对于陡崖反坡，投影垂线与陡崖反坡地形线有多个投影交点(O、P、Q)，不同于一般地形只有一个投影交点，由于投影交点之间互相压盖，因此，数字高程模型DEM无法表达这种特殊地形。

虽然地面式Lidar也可以扫描陡崖反坡，但扫描视角往往难以覆盖全部陡崖区域。

因此，需要研究有效的滤波方法对陡崖区域的岩壁点进行高效提取，为陡崖等高线绘制提供数据基础。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法，消除了陡崖点云反坡形态，并显著减小了坡度，便于地面点提取，最终得到地面点点云。

本发明的一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法，其包括以下步骤：

采用机载激光扫描设备沿设计航线对陡崖区域进行扫描；

对扫描得到的数据进行解算，获得工程坐标系的点云LAS0；

对陡崖的上边缘线进行直线拟合，得到线段AB，作法线垂直于AB；

基于线段AB的法线，对点云LAS0进行刚性坐标变换，得到陡崖面的初始点云LAS1；

用点云处理软件进行地面点和非地面点分类，由陡崖面的初始点云 LAS1提取出地面点点云LAS2，生成陡崖面的等高线。

较为优选的，所述基于线段AB的法线，对点云LAS0进行刚性坐标变换包括：

对工程坐标系的点云LAS0进行第一次刚性变换，使点云LAS0的纵坐标轴旋转至线段AB的法线方向。

较为优选的，在第一次刚性变换后，还进行第二次刚性变换，包括：

将第一次刚性变换后的高程坐标作为新的x轴坐标，将第一次刚性变换后的x轴坐标转换为新的y轴坐标，将第一次刚性变换后的y轴坐标转换为新的高程坐标，得到新坐标系下陡崖面的初始点云LAS1。

较为优选的，所述用点云处理软件进行地面点和非地面点分类包括：

选取多个种子点，并通过选取的多个种子点生成一个三角网；

考察每个种子点与所述三角网的距离和坡度；

通过重复以上步骤的方式进行逐层迭代，进行地面点和非地面点分类。

较为优选的，提取出地面点点云LAS2后，还包括：

根据地面点点云LAS2构建不规则三角网；

追踪等高线，生成陡崖面的等高线。

较为优选的，所述采用机载激光扫描设备进行扫描时，使设计的航线面平行于陡崖面。

较为优选的，所述航线面相对于陡崖面距离为80-120m。

较为优选的，所述机载激光扫描设备进行扫描时，扫描角不小于60°。

较为优选的，所述机载激光扫描设备进行扫描时，航线重叠度大于35％。

较为优选的，采用高精度POS数据解算和/或激光点云数据解算的方法对所述扫描得到的数据进行解算。

本发明的有益效果为：

1、对陡崖的上边缘线进行直线拟合，得到线段AB，基于线段AB的法线，对机载激光扫描的工程坐标系点云LAS0进行刚性坐标变换，并采用点云处理软件进行地面点和非地面点分类，可以提取出地面点点云 LAS2，从而生成陡崖面的等高线，最终得到地面点。本方法消除了陡崖点云反坡形态，便于地面点提取，进而生成陡崖面的等高线(深度)。

2、基于线段AB的法线，对点云LAS0进行第一次刚性变换，使点云 LAS0的纵坐标轴旋转至线段AB的法线方向，在第一次刚性变换后，将第一次刚性变换后的高程坐标作为新的x轴坐标，将第一次刚性变换后的x 轴坐标转换为新的y轴坐标，将第一次刚性变换后的y轴坐标转换为新的高程坐标，实现第二次刚性变换，从而可以得到新坐标系下陡崖面的初始点云LAS1，为后续提取地面点点云提供基础。

3、点云处理软件选取多个种子点，并通过选取的多个种子点生成一个三角网；考察每个种子点与三角网的距离和坡度；通过重复以上步骤的方式进行逐层迭代，可以进行地面点和非地面点分类，进而由陡崖面的初始点云LAS1提取出地面点点云LAS2。

附图说明

图1为本发明一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法的流程示意图；

图2为本发明线段AB的法线示意图；

图3为本发明原始点云上点P的刚性变换示意图；

图4为本发明工程坐标系的点云LAS0示意图；

图5为本发明陡崖面的初始点云LAS1示意图；

图6为本发明陡崖面的等高线示意图；

图7为本发明反坡地形线示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为解决如上所述的技术问题，本发明采用的技术方案为：针对陡崖区域点云，经刚性坐标变换后，消除反坡形态，得到陡崖面的初始点云LAS1，然后，采用点云处理软件Terrasolid，由LAS1提取地面点。

实施例一

为实施上述技术方案，本实施例提供了一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法，而图1示出了本申请较佳实施例提供的一种基于机载激光扫描的陡崖点云提取方法的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

S1，采用机载激光扫描设备沿设计航线对陡崖区域进行扫描；

S2，对扫描得到的数据进行解算，获得工程坐标系的点云LAS0；

S3，对陡崖的上边缘线进行直线拟合，得到线段AB，作法线垂直于 AB；

S4，基于线段AB的法线，对点云LAS0进行刚性坐标变换，得到陡崖面的初始点云LAS1；

S5，用点云处理软件进行地面点和非地面点分类，由陡崖面的初始点云LAS1提取出地面点点云LAS2，生成陡崖面的等高线。

对于S1，机载激光扫描设备为设置于无人机上的激光扫描设备，通过遥控无人机，使其按照设计的航线进行扫描。扫描时，使设计的航线面平行于陡崖面，航线面相对于陡崖面的距离100m左右，扫描角不小于60°、航线重叠度大于35％。

对于S2，在扫描获取数据后，本是实施例采用了精度POS数据解算和激光点云数据解算法对获取的数据进行解析，得到工程坐标系(XYH)

对于S3，基于已有数据绘制出整个陡崖的上边缘线，并对上边缘线进行直线拟合，得到线段AB，作法线垂直于AB。AB的法线方向如图2所示。

对于S4，对点云LAS0(见图4)进行的刚性坐标变换包括第一次刚性变换和第二次刚性变换。

其中第一次刚性变换过程如下：

对点云LAS0进行第一次刚性变换，将其纵坐标轴旋转θ角至线段AB的法线方向，与法线方向重合(见图2)，得到坐标系(XYH)

其中，

在第一次刚性变换后，进行第二次刚性变换，包括：

将第一次刚性变换后的高程坐标作为新的x轴坐标，将第一次刚性变换后的x轴坐标转换为新的y轴坐标，将第一次刚性变换后的y轴坐标转换为新的高程坐标，得到新坐标系下陡崖面的初始点云LAS1。

如图3所示，以p为原始点云上的任一点，对第一次刚性变换和第二次刚性变换进行示意。p′指第一次刚性变换后p点的对应点，p″为第二次刚性变换后p 点的对应点。其中p点坐标为(x，y，h)，p′坐标为(x′，y′，h′)，p″坐标为(x″， y″，h″)。p绕原点旋转θ，得到点p′，相应的x、y坐标也旋转θ为x′、y′，高程h′等于h。

再对p′进行第二次刚性变换，高程h′坐标值转换为第二次刚性变换后的x轴即x″，x′坐标值转换为第二次刚性变换后的y轴即y″，y′坐标值转换为第二次刚性变换后的z轴即h″，得到坐标系(XYH)

其中，

第二次刚性变换后，x″的数值等于原高程h，而x″作为横坐标，投影方向与法线方向一致(如图7)，消除了陡崖反坡形态，显著减小了陡崖面坡度，得到陡崖面的初始点云LAS1，可直观反映陡崖的形态。且由于消除了反坡形态，深度坐标面的坡度显著减小，实现了陡崖区域岩壁地表信息的高效提取。

对于S5，用点云处理软件Terrasolid，基于不规则三角网TIN加密滤波算法，先通过一些较低种子点生成一个稀疏TIN，然后考察每个点与TIN的距离和坡度，并逐层迭代加密，进行地面点和非地面点(植被)分类，由LAS1提取出地面点点云LAS2。

然后根据点云LAS2，构成不规则三角网TIN，然后追踪等高线，可生成等高线(深度)，如图6所示。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。