一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法技術

本發明專利技術提出一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，屬于變形監測領域，本發明專利技術采取了改進的RBF算法，通過對經過點云預處理之后的邊坡點云數據進行了曲面建模，提高了RBF算法建模效率和精度；針對邊坡點云信息提取問題，提出Cyclone結合CAD提取DEM與等高線法、三維質檢軟件法兩種方法的可行性，并將三維質檢軟件法提取的變形數據與傳統變形監測數據進行了對比，驗證了方法的正確性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于變形監測領域，具體涉及一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法。
技術介紹
20世紀90年代中期出現然后極為迅速地發展起來并且被人熟知的三維激光掃描技術，據有其他傳統邊坡變形監測方法無法比擬的優勢；三維激光掃描技術獲取高密度高精度的三維點云數據高效快速，對監測結果進行研究掌握其變形規律有很大幫助。在三維激光掃描應用于邊坡變形監測的相關技術之中，散亂的邊坡點云曲面重構技術和邊坡點云變形信息提取方法選取是關鍵。1971年，Hardy在研究曲面的二元函數中使用了MQ基函數來構造和擬合曲面，在他研究之后許多學者圍繞著他的方法又研究出大量的成果，為后續被人廣泛應用的的徑向基函數的出現奠定了大量的理論研究基礎；屈永華建立了一種適用于地質曲面重建的徑向基函數(RBF)神經網絡模型，并給出了具體算法和一般曲面插值方法相比，該模型對原始數據的分布和邊界條件無特別的要求，因而適合于遭到破壞或勘探數據較少的地質曲面的重建，但這種進行的點云曲面重建的算法只適用于數據量小的散亂點云數據，曲面重建的精度比較低。2010年趙小平等對邊坡點云數據進行了處理，再通過掃描數據處理軟件獲得DEM數據邊坡形態，他的研究中驗證了點云預處理之后的精度，為邊坡變形監測與災害預報提供基礎數據。2015年劉昌軍等提出基于八叉樹結構的點云與點云的精細直接比較算法，實現變形區域多個點云數據的自動比較，其研究運用的精細自動比較算法隨點云的數據量增加，效率降低，不能快速高效的提取復雜大量數據的邊坡點云變形信息。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提出一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，以達到提高提取變形信息效率和正確性目的。一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，包括以下步驟：步驟1、通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟2、根據實際需求間隔一段時間，再一次通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟3、對三維激光掃描儀獲取的邊坡三維點云數據進行去噪和拼接預處理；步驟4、基于最小包圍盒的RBF點云曲面重建，構建邊坡點云曲面；步驟5、對三維激光掃描儀和全站儀測得的兩次點云坐標進行比較，并根據預處理過的兩期三維點云數據生成DEM模型，將兩個DEM模型進行比較，獲得邊坡變形信息。步驟1所述的通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標，具體為：三維激光掃描儀掃描時每站需布設有4～6個反射片。步驟4所述的基于最小包圍盒的RBF點云曲面重建，構建邊坡點云曲面，具體步驟如下：步驟4-1、輸入預處理后的點云數據；步驟4-2、用坐標系旋轉確定最小包圍盒，具體如下：設三個坐標軸的初始轉角均為0，按設定的角度步長，用三重循環分別使三個坐標由0°至360°進行旋轉；在每一個旋轉位置，確定包圍盒的邊界數據和體積，求出體積最小包圍盒及相對應的轉角；步驟4-3、沿坐標系x軸方向分解包圍盒，若點云數據集的點數大于設定的包圍盒內最多點數，并且包圍盒的邊長度大于設定的最小盒子邊長，則獲取點云數據集所有點的重心；步驟4-4、采用重心x坐標所在平面對點云數據集和包圍盒進行切分，若切分后包圍盒內的數據集小于設定的包圍盒內最多點數，或者在x方向的包圍盒邊長小于等于設定的最小盒子邊長，則執行步驟4-5，否則返回執行步驟4-4；步驟4-5、對切分獲得的相鄰包圍盒及相鄰的數據集求并集，若某個包圍盒內的數據大于設定的包圍盒內最多點數，則在y軸和z軸方向上分割包圍盒，直到包圍盒內的數據均小于等于設定的包圍盒內最多點數，且所有包圍盒的并集包含該包圍盒；步驟4-6、采用徑向基函數插值方法對分割后的包圍盒的數據進行插值加密，根據插值后的數據構建邊坡點云曲面。步驟5所述的對三維激光掃描儀和全站儀測得的兩次點云坐標進行比較，并根據預處理過的兩期三維點云數據生成DEM模型，將兩個DEM模型進行比較，獲得邊坡變形信息；具體步驟如下：步驟5-1、判斷三維激光掃描儀得到的反射片的坐標值與全站儀得到的反射片的坐標值的差值是否在設定范圍內，若是，則三維激光掃描儀獲得的數據能滿足邊坡變形監測的要求，否則三維激光掃描儀重新采集數據；步驟5-2、將預處理后的三維激光掃描儀兩次采集的點云數據導入到Cyclone軟件中；步驟5-3、利用Cyclone軟件的mesh模塊生成兩個點云的DEM模型；步驟5-4、將兩個點云的DEM模型進行插值運算，找到高程相同的點，連線生成高密度等高線圖，并將其另存為dwf格式的文件；步驟5-5、用CAD打開dwf格式的文件，并對變形信息進行提取和標注，得到用于分析變形的高密度等高線文件；步驟5-6、以第一次掃描的DEM模型當做參考對象，第二次掃描的DEM模型當成結果對象，使用GeomagicQualify軟件對兩個DEM模型進行比較，獲得邊坡變形信息。本專利技術優點：本專利針對邊坡點云數據模型重建問題，采取了改進的RBF算法，通過對經過點云預處理之后的邊坡點云數據進行了曲面建模，提高了RBF算法建模效率和精度；針對邊坡點云信息提取問題，提出Cyclone結合CAD提取DEM與等高線法、三維質檢軟件法兩種方法的可行性，并將三維質檢軟件法提取的變形數據與傳統變形監測數據進行了對比，驗證了方法的正確性。附圖說明圖1為本專利技術一種實施例的邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法流程圖；圖2為本專利技術一種實施例的站位和控制點布局簡略示意圖；圖3為本專利技術一種實施例的最小包圍盒的3種形式示意圖，其中，圖(a)為AABB包圍盒示意圖，圖(b)為0BB包圍盒示意圖，圖(c)為凸包圍盒示意圖；圖4為本專利技術一種實施例的確定最小包圍盒的流程圖；圖5為本專利技術一種實施例的點云邊坡曲面與點云對比圖，其中，圖(a)是未被改進算法構建的點云邊坡曲面與點云對比圖，圖(b)是改進算法構建的點云邊坡曲面與點云對比圖；圖6為本專利技術一種實施例的等高線文件示意圖，其中，圖(a)是第一次掃描的等高線，圖(b)是第二次掃描的等高線；圖7為本專利技術一種實施例的邊坡變形示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術一種實施例做進一步說明。本專利技術實施例中，邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，如圖1所示，包括以下步驟：步驟1、通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；本專利技術實施例中，根據地形條件初步定出設站位置；本專利技術實施例中掃描對象為門頭溝一個尾礦的邊坡，環境較為復雜；尾礦底部為相對穩固的地面，可以將三維激光掃描儀架設在上面；為保證數據的完整性，同時為了避免數據重疊，總共設站6站，每一測站保證周邊能觀測到布設有4～6個反射體，并且在邊坡上固定6個反射體(這六個反射體中心點坐標不進行點云拼接)，其位置必須穩固，不易移動；并用全站儀測出每一個測站每一個反射片的中心坐標。步驟2、一個月后對尾礦邊坡進行第二次掃描，再一次通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟3、對三維激光掃描儀獲取的邊坡三維點云數據進行去噪和拼接預處理；步驟3-1、由于尾礦邊坡點云既包含坡上雜草、小灌木、電力設施和巖石早點，又包含三維激光掃描系統自身存在著一些系統誤差，所以點云情況較復雜，本專利技術實施例中提出了基本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟2、根據實際需求間隔一段時間，再一次通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟3、對三維激光掃描儀獲取的邊坡三維點云數據進行去噪和拼接預處理；步驟4、基于最小包圍盒的RBF點云曲面重建，構建邊坡點云曲面；步驟5、對三維激光掃描儀和全站儀測得的兩次點云坐標進行比較，并根據預處理過的兩期三維點云數據生成DEM模型，將兩個DEM模型進行比較，獲得邊坡變形信息。

【技術特征摘要】
1.一種邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟2、根據實際需求間隔一段時間，再一次通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標；步驟3、對三維激光掃描儀獲取的邊坡三維點云數據進行去噪和拼接預處理；步驟4、基于最小包圍盒的RBF點云曲面重建，構建邊坡點云曲面；步驟5、對三維激光掃描儀和全站儀測得的兩次點云坐標進行比較，并根據預處理過的兩期三維點云數據生成DEM模型，將兩個DEM模型進行比較，獲得邊坡變形信息。2.根據權利要求1所述的邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，其特征在于，步驟1所述的通過三維激光掃描儀獲取邊坡三維點云數據，并通過全站儀測出每個反射片的中心坐標，具體為：三維激光掃描儀掃描時每站需布設有4～6個反射片。3.根據權利要求1所述的邊坡點云曲面重建及變形信息提取方法，其特征在于，步驟4所述的基于最小包圍盒的RBF點云曲面重建，構建邊坡點云曲面，具體步驟如下：步驟4-1、輸入預處理后的點云數據；步驟4-2、用坐標系旋轉確定最小包圍盒，具體如下：設三個坐標軸的初始轉角均為0，按設定的角度步長，用三重循環分別使三個坐標由0°至360°進行旋轉；在每一個旋轉位置，確定包圍盒的邊界數據和體積，求出體積最小包圍盒及相對應的轉角；步驟4-3、沿坐標系x軸方向分解包圍盒，若點云數據集的點數大于設定的包圍盒內最多點數，并且包圍盒的邊長度大于設定的最小盒子邊長，則獲取點云數據集所有點的重心；步驟4-4、采用重心x坐標所在平面對點云數據集和包圍盒進行切分，若切分后包圍盒內的數據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊帆，邵陽，常俊飛，李龍飛，
申請(專利權)人：遼寧工程技術大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21