激光雷达点云特征线检测与结构化研究进展与展望

实景三维(3D)建设是国家新型基础测绘建设的重要组成部分,是对在3D地理场景上承载结构化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的地理实体进行构建。而结构化是实现地理实体单体分割并获取其几何轮廓及组成结构的过程。随着大范围、城市级激光点云数据采集成本逐渐降低,3D点云的应用也越来越广泛。基于3D点云能完成生成地物的结构化表达,涉及线、面、体重建及语义分割、实例分割等。点云数据处理的核心内容是点云特征线检测、特征线线段化及特征线结构化。因此,点云特征线对点云处理和行业应用具有理论和实践价值。进行城市场景点云自适应特征线检测和精细结构化研究具有重要意义;研究点云特征线智能感知理论及结构化表达方法能为点云数据处理提供新的视角,对各类工程实践具有重要的理论指导意义,可服务于实景3D建设、二维(2D)、3D高清地图生成等具体应用。本文从点云特征线检测、点云特征线线段化、点云特征线结构化角度进行国内外研究现状综述,总结归纳点云特征线检测与结构化研究存在问题,并明确下一步研究思路。

三维球床几何稀疏条数长特征线加速方法

特征线法具有非常强的几何适应性,可用于三维球床高温气冷堆全堆芯求解,但存在迭代次数多、计算速度慢的缺点。本文将长特征线加速方法应用于三维球床高温气冷堆以解决非规则几何数值加速的问题,基于三维模型特征线布置较二维模型稠密的分析,提出了稀疏条数长特征线加速方法,极大地减少了加速方程的计算量,在不降低角度离散精度的前提下,获得了非常好的加速效果。通过基准题对加速参数的选取方式进行了研究,条数稀疏度取3~5、长特征线长度取2.0 cm左右、加速迭代步取20~60步可获得良好的加速效果。小型轻水堆三维基准题和球床堆芯简化模型的计算结果表明,采用稀疏条数长特征线加速可获得7倍左右的时间加速比,此时对应的迭代步加速比为20倍左右。

滚动球变换支持下的TIN-DDM地形特征线自动提取方法

针对传统规则格网数字高程模型地形特征线提取方法中存在阈值难以定量调控、连接方式无法自适应调整以及地形特征线类型不完整的问题,将滚动球变换模型应用于不规则三角网数字水深模型(triangulated irregular network digital depth model,TIN-DDM)地形特征线的自动提取,在构建临界滚动球半径关联的地形特征点定量识别判定准则基础上,引入地形形态边界点概念,采用逆向工程的建模思路,建立了以剖分单元为基础的地形特征线自动提取模型,结合地形类型判定准则的多尺度表达特性及顾及水深数值的地形特征优化模型,提出了可多尺度表达且类型完整的地形特征线自动提取方法。试验结果表明:相比于经典地表流水模拟方法,该方法可实现完整、连续且细分的TIN-DDM地形特征线自动提取及多尺度表达,且提取的地形特征线具有更高的地形重构精度。

基于神经网络特征线提取的飞机位姿识别方法研究

为实现复杂情况下的飞机位姿识别,提出了基于神经网络特征线提取的位姿识别新方法。该方法利用3D模型进行图像渲染,通过添加背景形成数据集,为提高算法鲁棒性进行了数据集增强。特征线提取模型采用卷积神经网络提取目标深度特征,利用热力图获取飞机特征线。结合飞机特征线、飞机3D模型以及n线透视方法解算目标位姿。该方法建立的飞机特征线提取模型,在复杂背景下准确率约为91%。叠加了各类噪声后,准确率为84%。飞机位姿通过EPnL算法与非线性优化进行求解。在目标背景复杂的情况下,实验得到的平均预测角度误差约为0.57°,平均预测平移误差约为0.47%。图像叠加各类噪声后,得到的平均预测角度误差约为2.11°,平均预测平移误差约为0.93%。提出的飞机位姿识别方法在复杂背景、各类噪声影响下可以较精准地预测飞机位姿,应用场景更加广泛。

异构并行的高阶散射特征线方法及其在临界实验装置模拟中的应用

在临界实验装置的物理计算中,由于较厚水反射层的存在,中子各向异性散射会对计算结果有重要影响。基于P1各向异性散射特征线方法(MOC),开发了能够处理各向异性散射的特征线输运计算程序,并实现了高阶散射特征线输运计算的高性能异构并行。为确认程序对临界实验装置的物理计算精度,本文选取LCT011临界实验基准进行堆芯物理计算,并与蒙特卡罗程序进行对比验证。各向异性源使得计算量与内存消耗均有显著增加,给异构系统带来较大的显存负担,因此本文进而对高阶散射输运求解器进行性能分析。数值结果表明:在高阶散射计算条件下,程序可达到蒙特卡罗程序的同等精度,且具有较高的计算效率。

基于近邻点重加权的点云特征线提取算法

针对3维点云模型特征线提取存在断裂、不完整问题,提出一种基于近邻点重加权的点云特征线提取算法。算法分为提取特征点和特征点连接成线2个环节,在特征点提取环节,引入近邻重加权局部质心算子获取特征点集,通过欧式最小生成树构建特征线。实验结果表明:采用近邻重加权局部质心算法进行特征点提取,跟传统基于曲率的算法相比其结果更加准确和稳健,能有效提取点云模型的几何特征。

考虑平衡气体效应的乘波体特征线设计方法及气体模型影响

乘波体在高空高超声速飞行时,流场温度急剧升高,气体热力学性质发生改变,其气动特性与采用完全气体模型得到的结果存在差异,因此在飞行器设计中开展真实气体效应影响研究具有重要的工程价值。本文针对锥导乘波体设计提出了一种考虑平衡气体效应的特征线方法(Method of characteristic, MOC),基于不同半锥角和不同流动捕获曲线生成了不同外形的乘波体,并使用快速估算方法估算平衡气体条件和完全气体条件下各乘波体的气动特性和几何特征参数,研究了不同气体模型对乘波体设计结果的影响。研究结果表明,高马赫数下基于平衡气体模型设计得到的乘波体升阻比、容积率和俯仰力矩系数等特性参数相比完全气体结果存在差异,并且平衡气体效应对不同外形乘波体的影响程度和影响规律不同。

基于微地貌形态学特征的地形特征线提取研究

地形特征线是地形地貌和地质灾害研究中重要的区域分界线,通常使用ArcGIS软件进行提取。针对传统方法提取的地形特征线后续处理过于烦琐,算法适用性较窄等问题,以图像处理技术为手段,提出了一种以高分辨率格网数字高程模型(DEM)为基础数据提取地形特征线的新方法。该算法结合形态学特征,参考地形特征线的几何形态,把线段从微地貌的角度分解成多种构型,并应用到提取过程中,同时优化已有方法,能够快速提取出特征线。结果表明,提取的特征线基本吻合实际地形特征线,还可提取水库边缘和大型宽谷等平坦地形边缘。相较于其他算法,该方法提取效率得到提升,在解决传统方法出现的问题上提出了新的方向。

门外板小尺寸圆角特征线成形失效CAE评估方法

为解决小尺寸圆角特征线成形失效计算机辅助工程(CAE)评估困难的问题,针对存在该特征的某车型门外板,利用AutoForm,通过调节拉延筋控制材料流入量获得特征线区域存在不同成形状态的4种门外板模型,分别分析了考虑厚向应力和不考虑厚向应力的成形情况和实际冲压情况,结果表明,厚向应力使小尺寸圆角特征线的成形极限降低,进一步成形会发生不均匀的塑性变形,导致传统的成形性CAE评估方法不适用于小尺寸圆角特征线。最后,提出了结合滑移量的小尺寸圆角特征线成形性CAE评估方法,即当滑移量不超过5mm且减薄率和最大非线性失效值均满足要求时,认为小尺寸圆角特征线不存在成形性风险。

基于特征线细分的径向基函数孔洞修复方法

物体自身遮挡、扫描设备局限性等使得扫描后的三维数据模型存在孔洞,为解决模型的孔洞问题,以展示完整的三维模型,提出一种基于特征线细分的径向基函数孔洞修复方法。首先使用径向基函数构建隐式曲面,然后通过特征线细分孔洞区域,并采用梯度下降法调整新增三角面片顶点拟合到隐式曲面上,实现孔洞修复。实验采用公共点云数据集进行验证,结果表明,所提出的修复算法耗时明显缩短且修复效果更佳,能有效修复各种类型的孔洞,孔洞区域与周围区域有良好的平滑过渡效果。

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。

基于特征线法模拟全尺寸临界流实验喷放特性

为了获取冷却剂丧失事故喷放阶段热工水力参数峰值等关键数,本文使用一维两相流体动力学方程组对失水事故现象进行数值模拟研究。对于喷放物理过程中的强对流带来的非线性特性和耦合特性,使用特征线法对动量方程和能量方程解耦,进而实现控制方程组在瞬态下的离散求解。以Marviken临界流实验为例,同时使用基于特征线法的自编程序和系统分析程序RELAP5进行求解,通过数值模拟的结果和实验数据的对比验证了特征线法的有效性。此外还对喷管的几何尺寸、初始流体状态参数等对喷放特性的影响进行了计算,并给出了相应的变化规律。

基于特征线法的CO_(2)减压波传播模型构建及止裂壁厚研究

基于特征线法并结合描述CO_(2)状态的S-W方程,构建了减压波传播模型。将减压波波速模拟结果与工业规模实验结果对比,验证了模型的可靠性。采用构建的减压波模型与日本高强度管道研究委员会(HLP)提出的HLP模型,分别对不同初始压力或温度下一维超临界CO_(2)管道泄漏过程中减压波波速及X65和X70管钢裂纹扩展速度进行模拟计算与比较,以探究初始压力或温度变化对初期减压波速及管道止裂最小壁厚的影响。结果表明:减压波速近似等于初始条件下的声速,故初始压力升高和温度降低(声速上升)会提高减压波的传播速度;当初始压力由7.5 MPa升至9.5 MPa,初期减压波速(0.01 s)上升了53%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了13%和14%;当初始温度由45℃降至35℃时减压波速上升了56%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了20%和19%;当工作压力都低于8.0 MPa (工作温度为35℃)或工作温度分别高于41℃和39℃(工作压力为9.0MPa)时,由GB 150—2011所计算X65和X70管钢壁厚不具备止裂能力。

地形特征线的判定因子及提取算法

地形特征线构成了地形起伏变化的骨架线,其中的山脊线和山谷线对于地形地貌的研究具有重要意义.根据山脊线和山谷线的特性,首先,提出确定地形特征线起点的4个判定因子(张角因子α、距离因子S、标志因子β_(1)和β_(2)),基于DP算法所提取的地形特征点判别特征线起点.其次,提出一种将特征点判断与方位加权法相结合的地形特征线提取算法,以特征点为中心把4个象限划分成若干个区域,通过一定的判断准则从区域内提取出符合条件的点,以此法来追踪山脊线和山谷线.编写相应程序验证所提算法的正确性和有效性,结果表明,当α<165°、S<6倍等高距、β_(1)=1且β_(2)=0时,所提取的地形特征线与实际地形相符合.

基于特征线重合的测量系统与机器人坐标系对齐方法

为了提高测量过程中测量系统与机器人之间坐标系转换的精度,结合机器人的结构特点,提出了一种基于特征线重合的坐标转换方法。针对激光跟踪仪测量的坐标数据,求解坐标点云最小闭包球,同时在两个不同的坐标系下的点云中提取对应的特征线。根据空间几何关系,通过一系列的旋转和平移变换使特征线对应重合。利用矩阵变换理论得到变换矩阵,实现坐标系的转换。实验结果表明:相对于一些随机点多点拟合坐标系转换方法,该方法X、Y、Z方向的综合e_(RMS)误差仅为0.2829 mm,综合误差降低超过了10%。该坐标系转换方法可有效提高坐标系转换精度,提升工业机器人测量过程中坐标系的转换精度。

基于形态特征线的汽车喷涂型面分割设计研究

文章针对数字曲面微滴喷射技术在汽车喷涂中喷涂型面依靠个人熟练度的问题,提出以汽车形态特征线为型面分割依据的区域分割方法,旨在明确喷涂型面的区域分布,提高汽车喷涂效率和喷涂图案与汽车车身的契合度。文章通过研究形态特征线和型面特征在汽车喷涂领域的应用现状,提出以汽车形态特征线为喷涂型面分割依据的区域分割方法;基于对形态特征线的分析,得出汽车形态特征线的简化原则和提取原则,在此基础上提出基于形态特征线的喷涂型面区域划分原则和分割方法。以五菱宏光MINI EV真车为例,进行个性化彩色图案自动喷涂实验,验证方法的可行性。文章得出结论:在汽车形态特征线的基础上,按照汽车形态特征线的简化和提取原则分割喷涂型面,可减少设计部门与技术部门之间的沟通时间,降低个人在喷涂型面时受到不确定因素影响的可能性,提高喷涂效率和质量。

法向量夹角的点云特征线提取算法研究

文章提出一种基于法向量夹角的点云特征线提取算法,该算法过程主要分为特征点提取和特征点连接两个阶段。在基于法向量夹角的特征点提取的过程中,通过构建最小生成树来实现法向量重定向,一定程度上提高了传统法向量提取特征点的准确性,随后对初选特征点进行细化和删减,得到点云数据的特征点集。在特征点连接阶段通过建立特征点的最小生成树以及相应的最小生成树裁剪算法构建特征曲线。实验证明,该算法原理简单,能很好地提取点云模型尖锐特征与细节特征,是一种有效的三维点云特征线提取算法。

基于U-Net深度学习方法对沙丘特征线提取研究

近地球表面风况及其环境变化与沙丘特征形态演变过程息息相关,在研究过程中,较大范围的沙丘特征线提取存在效率低、成本高等问题。基于U-Net深度学习,对库布齐沙漠内存在的大范围沙丘特征线进行高精度提取,所识别的沙丘特征线为沙脊线和沙丘背风坡坡脚线。实验结果表明:基于U-Net深度学习方法提取卫星影像中的沙丘特征线精度评价指标分别为:MIoU值77.43%、MPA值80.25%、Precision值87.67%,评价指标数据均优于SegNet方法;提取出的沙脊线走向呈NW-SE分布,与气象站测得的风向基本保持一致;利用U-Net深度学习方法自动提取的沙丘特征线的准确性高,与实际观测结果较为符合,可有效地用于区域性的沙脊线走向分析,为沙丘特征演变研究提供了有利方法。

基于特征线法的车隧压缩波演化数值分析

为研究压缩波沿隧道传播演化的影响规律,采用考虑压缩波惯性效应和壁面摩擦效应的一维特征线法,建立了压缩波沿隧道传播演化的数值模型,通过一维平面波方程与实车测试两种方法共同验证了该模型的准确性。针对波前形状、车身波等、压力幅值关键因素,研究了初始压缩波沿隧道传播时,最大压力梯度的变化规律。在此基础上,进一步探讨分析了摩擦与气室阵列共同作用对压缩波波前演化的影响以及壁面摩擦的作用机理。结果表明:初始压缩波波形相同时,压缩波最大压力梯度随波前幅值的增大而增大;不同波形的初始压缩波沿隧道的演化规律不完全相同,但列车车身进入隧道所产生的车身波并不会影响压缩波波前的最大压力梯度;考虑壁面摩擦后,气室阵列对压缩波最大压力梯度的缓解效果有了进一步提高,壁面摩擦越大,缓解效果越显著。

一种山谷三维特征线的提取方法及应用

当前,数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据生产过程中,利用现有商业软件在山地、高山地密林区域的自动滤波精度难以达到生产要求,仍需利用人工目视采集山谷三维特征线以辅助滤波,造成了生产难度大、效率低下的问题。针对此问题,本文提出利用ArcGIS软件的水文分析功能进行二次开发,实现自动化提取山谷三维特征线以辅助滤波,有效降低了山地、高山地密林区域DEM自动滤波生产过程中的生产难度,提高了生产效率。