Three Dimensional Laser Point Cloud Slicing Method for Calculating Irregular Volume

Volume parameter is the basic content of a spatial body object morphology analysis.However,the challenge lies in the volume calculation of irregular objects.The point cloud slicing method proposed in this study effectively works in calculating the volume of the point cloud of the spatial object obtained through three-dimensional laser scanning(3DLS).In this method,a uniformly spaced sequent slicing process is first conducted in a specific direction on the point cloud of the spatial object obtained through 3DLS.A series of discrete point cloud slices corresponding to the point cloud bodies are then obtained.Subsequently,the outline boundary polygon of the point cloud slicing is searched one by one in accordance with the slicing sequence and areas of the polygon.The point cloud slice is also calculated.Finally,the individual point cloud section volume is calculated through the slicing areas and the adjacent slicing gap.Thus,the total volume of the scanned spatial object can be calculated by summing up the individual volumes.According to the results and analysis of the calculated examples,the slice-based volume-calculating method for the point cloud of irregular objects obtained through 3DLS is correct,concise in process,reliable in results,efficient in calculation methods,and controllable on accuracy.This method comes as a good solution to the volume calculation of irregular objects.

基于点云切片算法的铁路钢桁拱桥线形分析

铁路桥梁线形测量对于桥梁健康检测与确保铁路安全运营具有重要作用。为提高运营铁路钢桁拱桥线形测量效率,以某3跨钢桁拱桥为例,运用地面激光扫描(TLS)技术对桥梁杆件进行整体化扫描,从桥梁线形测量精度、扫描完整性、点云个数等3方面,分析出最佳的桥梁扫描测站数为10个。运用3DNDT点云配准算法将各测站一一配准,桥梁点云配准精度为2 mm,将桥梁点云投影至xoy平面,用半径滤波器进行噪声点的去除,得到完整“纯净”的桥梁点云模型。提出点云等距切片与点云平面切片算法提取桥梁线形,并将线形点云数据导出在AutoCAD中拾取坐标。将点云切片法提取的TLS测量值、全站仪法测量结果与原始成桥线形做比较分析,结果表明:在桥面线形分析中,两方法均在跨中处A5点测量出最大变形,分别为12.69 mm、10.29 mm,两方法的最大相互较差R为2.4 mm,相关系数优于99.93%;在拱轴线线形分析中,点云切片法与全站仪法在主桁上弦跨中B4点位测量的最大变形为6.2 mm、3.9 mm,在主桁下弦跨中B10点位测量的最大变形为5.9 mm、3.5 mm,两方法的最大互相较差R为3.2 mm,相关系数优于99.87%,验证了点云切片算法的有效性与TLS测量的高精度性。拱轴线横向线形未出现明显侧移,点云等距切片得到的19个吊杆垂直度保持良好,未发生扭转与偏移。该成果对于运营铁路钢桁拱桥的线形分析与点云处理方法可提供相应的思路和参考,具有重要的实用价值。

煤矿井下巷道点云变形检测及可视化研究

为解决煤矿井下巷道变形传统检测的非连续、效率低、智能化程度低的问题,提出一种深度相机与激光雷达点云融合三维空间重构后进行变形分析的新方法。设计了点云切片及提取骨骼线算法,建立了巷道变形检测模型。三维点云处理复杂,算法集成难度大,基于Qt开发了可视化变形监控软件,通过信号槽机制完成人机交互设计。测试表明,系统可对巷道全域进行自动连续检测,变形检测精度高,软件具有良好的人机交互性。

堆石坝检测坑点云切片分割提取方法

堆石坝压实质量的检测是大坝工程安全稳定运行的重要保障措施之一。传统的灌水法中检测坑体积的测量耗时耗力,利用三维激光扫描技术可以快速计算检测坑体积,提高压实质量检测效率,而从扫描点云数据精确提取出检测坑点云数据是确保该方法计算精度的关键环节。本文提出了一种基于点云切片分割的堆石坝检测坑点云提取方法:首先对点云数据进行切片处理,然后采用单向搜索排序方法对每个切片点集进行点排序,最后采用一种基于切片点集排序序号的聚类分割方法分割每个点云切片,从而精确提取出检测坑表面点云。利用MATLAB编程实现了基于点云切片分割的堆石坝检测坑点云的快速提取,并通过堆石坝检测坑点云数据开展试验,验证了该方法的有效性。

基于无人机倾斜摄影的三维绿量估算

精准、快速、高效的绿化效果评估是现代林业发展的重要要求.针对传统方法绿地覆盖率无法反映绿化空间垂直结构的缺点,提出基于切片凸包算法利用倾斜摄影点云估测三维绿量的新方法,以河南农业大学文化路校区为研究区域,通过三种方法估算不同树种及树形的三维绿量,对比不同方法的测算精度,探索最优估算方法.利用无人机进行多光谱成像和倾斜摄影成像,通过面向对象的方法在数字正射影像基础上提取林木,结合实测33个树种的冠径、冠高等信息,分别利用冠径-冠高方程法(D-H)、实景三维模型法(3D)和基于切片凸包算法的点云体积测算法(PC)进行三维绿量测算.结果表明,三种方法测算值与实测值拟合的回归方程R2分别为0.84、0.92、0.94,RMSE分别为168.85、90.74、78.46 m^(3),精度分别为62.67%、87.26%、90.19%;优势树种悬铃木三维绿量最大,龙爪槐值最小;PC法测算水杉和球形树的相对误差最小,分别为0.56%和1.27%.利用倾斜摄影点云的切片凸包算法测算三维绿量具有可行性且最精准,为筛选不同树种及树形的三维绿量估算方法的选择上提供科学依据.

基于点云薄切技术的协作机器人喷漆轨迹规划算法

针对传统喷漆轨迹规划算法中需要大量搜索最近点对的缺陷,提出一种基于点云薄切技术的初始轨迹点提取算法。该算法通过计算点云模型密度确定切片厚度,并将薄片上的点设定为初始轨迹点,通过避免点对搜索的方式提高了运行效率。为解决传统线性插值算法导致的轨迹精度不足和曲率过大等问题,提出一种轨迹拟合算法。该算法首先将三维空间中的轨迹点映射到二维坐标系,并引入孤立森林算法去除轨迹点异常值,然后结合曲线拟合方法进行轨迹规划。实验结果表明,该算法规划的轨迹具有更高的精度和光滑度,同时提升了算法的整体运行效率。

基于内壁点云切片坐标的高速公路隧道整体变形监测方法

因高速公路隧道在使用过程中容易产生横向、纵向形变,易产生高速公路隧道安全问题,为此,提出一种基于内壁点云切片坐标的高速公路隧道整体变形监测方法。采用投影平面方式将内壁实现点云信息分层,令各段点云映射到中心位置的参考平面,提取内壁点云信息,运用最小二乘法拟合隧道平面,使用格网化内插值算出各点云内插值,通过各时间点网格内插值变化情况,判断出该隧道变形相关量,根据网格平面所在位置得出变形位置,完成隧道整体变形监测。结果表明:所提方法的监测信息数量和计算时间分别为9921个和6.21s,能够敏锐感知细微隧道变形,监测效率最高,具有较高实用性与有效性,该方法可有效提高高速公路隧道交通运行的安全性。

基于多细节特征层的三维激光点云建筑物模型构建方法研究

近年来,许多学者针对不同类型的建筑物建模提出了诸多有益的解决方案,但是针对老旧住宅型居民楼建筑物的快速建模方法研究较少。为此,本文提出了一种基于多细节特征层的三维激光点云数据建筑物快速建模方法,首先,在获取建筑物点云原始数据后,经过点云去噪与归一化处理,计算尺度信息并提取特征参数;其次,在此基础上进行点云高程切片,将切片后的分块点云分别进行边缘拟合与边界确定,并通过层级间的连接关系,构建数字化模型表面;最后,拼接模型表面并进行优化,构建整个建筑物数字化模型,并以某老旧小区住宅楼为实际样例进行测试。结果表明,该方法能较好地完成建模任务,所构建模型的精细化程度达到了工程实际应用要求,在三维点云建筑物建模领域有较好的推广价值和借鉴意义。

基于垂直切片的点云空洞补全算法

针对三维扫描设备在复杂环境物体建模时容易产生大量点云空洞的问题,提出了一种基于垂直切片的点云空洞补全算法,即对滤波处理后的点云进行垂直切片与三维信息分离处理,提取出易于处理的二维点集信息,通过二维曲线补全算法补全二维空洞,并结合三维信息分离阶段的第三维信息进行升维处理,再采用体素滤波的三维栅格大小对补全点云进行密度重建,达到与非补全点云相同的密度信息。点云测试试验结果表明,原始点云空洞能够被成功补全。与其他算法相比,其平均耗时和补全速度均最优,补全效果良好,在应对大型点云中的空洞问题时能够达到快速补全与密度重建的目的。

基于Alpha Shape的三维模型体积研究

体积是物体的一项重要属性,随着视觉识别技术的发展,三维模型体积的测量成了热点问题。本文提出了一种基于AlphaShape边界点检测的三维点云模型的体积求取算法,创新性的运用了二倍宽微分算法,结合对比随机点填充法,进行切片面积和三维体积的求取。实验表明,所设计方法所得体积误差在1%左右,能满足工程要求,具有高效性和较高的实用性,可用于实际工程中解决不规则三维物体的体积问题。

一种基于点云自适应切片的树冠体积计算方法

无人机精准施药有利于节约药液,减少环境污染。针对无人机精准施药中树冠体积计算粗略的问题,提出一种基于点云自适应切片的树冠体积计算方法。首先对树木点云数据进行等间距切片;然后根据相邻树冠点云切片的面积随高度的变化率自适应分层,使用改进的Graham凸包算法计算自适应分层前后树冠点云切片面积;最后基于台体与锥体公式累加各层树冠点云之间的体积求得整个树冠的体积。试验结果表明,研究方法确保了树冠点云切片厚度和数量与树冠自身的形状和大小相适应,同时有效缩小树冠点云切片边界空隙,得到较为准确的树冠点云切片面积,进而实现了树冠体积的精细化计算。其计算结果介于Graham凸包算法和体元法之间,在精度方面分别提高了30.89%和24.19%,可科学地为无人机施药过程中精准施药策略提供理论依据。

基于点云曲面的定角度自动铺丝路径规划

研究了点云曲面自动铺丝路径规划,提出了使用移动最小二乘投影法投影初始路径的直接投影法。对点云切片法加以改进,提出了点云投影切片法。利用三次B样条插值算法拟合投影点生成初始路径,并提出弦长细分投影的等距偏移算法。针对偏移路径无法到达曲面边界的问题,提出基于路径样条线末端延伸的边界处理方法。最后通过CATIA的逆向工程模块实现了算法的可视化,建立了三维建模软件与路径规划算法的系统关系。

不规则物体点云切片中的多轮廓分割算法

使用切片法进行不规则物体点云体积测量时,现有的多边形拆分再重组(PSR)算法难以正确拆分较近的轮廓,进而导致计算精度较低。针对这一问题,提出一种多轮廓分割算法——改进最近点搜索(INPS)算法。首先,通过局部点的单次使用原则分割多轮廓;其次,使用多边形内点判定(PIP)算法判断轮廓的包含关系,以确认轮廓面积的正负;最后,采用切片面积乘以厚度并累加的方式获取不规则物体点云的体积。实验结果表明,在两个公开点云数据集和一个化学电子密度等值面点云数据集上,所提算法都能实现高正确率的边界分割,具有一定的普适性;且该算法体积测量的平均相对误差为0.0436%,低于PSR算法的0.0627%,可见所提算法实现了高正确率的边界分割。

基于三维激光扫描的植被覆盖边坡监测

针对植被覆盖边坡难以获取高精度地面点云数据,导致精确监测边坡地表变形较为困难的问题,本文提出了一种利用布设在边坡体上的传感器获取表面点云数据以提取边坡变形的方法。布设在边坡上的GNSS天线整流罩外形是半径逐渐变化的球形设备,利用点云切片拟合出圆心坐标和半径,通过拟合残差和验后中误差评估点云精度,实现质量控制。通过两期半径的对比,实现同名点匹配,根据两期圆心坐标达到点式监测的目的;根据边坡上的台阶及雨量计的外围设备实现面式监测。实测数据表明,三维激光扫描与GNSS的监测结果一致,可以提取毫米级别的变形。

基于面结构光的焊缝坡口特征提取

针对机器人视觉导引定位焊缝坡口特征应用需求,提出了一种基于面结构光视觉传感器扫描与点云切片投影的坡口特征提取方法。首先,使用面结构光视觉传感器对焊接工件进行扫描,以获得焊缝坡口点云数据;其次,通过点云数据的最小有向包围盒得到等间距排列的切平面,将平面内数据点由三维空间投影至二维图像;最后,通过最大距离法粗提取与拟合直线相交法精提取相结合方法获得焊缝坡口特征点。实验结果表明,该方法能够准确地提取出焊缝坡口特征,识别误差小于1.0 mm,且在成像效果不佳的工况下具有较好的鲁棒性。

基于特征点自动定位的乳房形态参数提取

为实现青年女性乳房形态参数自动提取,提出一种基于三维点云数据的“点-线-切片-参数”乳房形态参数自动提取方法。使用三维人体扫描仪获取实验对象的三维点云数据,利用MATLAB软件基于乳房局部三维点云建立乳房局部坐标系,基于特征点/线定义建立其自动定位规则;根据乳房特征点/线构建乳房切片模型,最终实现乳房形态参数自动提取。为验证参数提取精度,对比分析随机选取样本的自动提取与手工测量参数之间的误差。结果表明:G BL和G UBL的测量误差均小于±2 cm,D的测量误差小于0.5 cm,W的测量误差小于1 cm,90%A IBO的测量误差在2°内,90%W BB的测量误差在1 cm内,参数测量精度较高,可用于青年女性乳房形态分析。

激光雷达与Kinect融合的果树冠层参数计算方法

果树冠层参数直接反映果树的生长情况和产能潜力。针对单传感器点云密度低及传统算法精度低的问题,提出激光雷达与Kinect融合的果树冠层参数计算方法。首先,通过果树冠层检测系统获取果树冠层点云数据;然后,将果树冠层点云数据预处理后,通过采样一致性初始匹配(SAC-IA)和双向KD树改进的迭代最近点(KD-ICP)算法配准多传感器点云,改善点云位姿;接着,通过坐标转换融合两侧配准点云,获得果树冠层点云;最后,通过切片台体法计算果树冠层体积和叶面积。实验结果表明:该方法相较于传统的几何体拟合法、三维凸包法,果树冠层体积计算精度分别提升了38.12%、12.96%,叶面积计算精度分别提升了11.56%、2.78%;相较于Kinect和激光雷达的单传感器点云,融合点云的果树冠层体积计算精度分别提升了7.41%、12.62%,叶面积计算精度分别提升了19.41%、7.08%。该方法可准确计算果树冠层参数,为药肥精准变量喷施、果树估产等提供科学依据。

不规则体体积计算三维激光点云切片法

体积参数是空间体对象形态分析的基本内容,难点是不规则体的体积计算。本文提出的点云"切片法",快捷准确地解决了由三维激光扫描空间体对象所得点云体的体积计算难题。该法先将三维激光扫描空间体对象所得点云按特定方向顺序进行等间距的切片处理,得到与点云体相对应的、离散的系列点云切片;再依切割次序逐一搜索点云切片外轮廓多边形,并计算多边形(即点云切片)的面积;最后,利用切片面积和相邻切片间距求解点云段块体积,并求和得到整体点云体(即所扫描空间体对象)的体积。算例计算结果与分析表明,基于切片的不规则体的三维激光扫描点云的体积计算方法正确、简洁、可靠、高效、可控,可以解决不规则体的体积计算问题。

基于CAD的喷涂机器人轨迹优化

针对复杂自由曲面匀速和等行程间距喷涂方法,因曲面上曲率的变化会造成涂层厚度差较大的问题,提出一种基于CAD的轨迹优化算法以提高曲面的漆膜厚度一致性。该方法首先根据平面上的喷涂试验和微分几何的面积放大定理推导出曲面上的漆膜生长模型;然后通过扫描直接获得工件表面点云模型,采用点云切片技术获取喷枪路径和姿态;最后采用沿路径方向的速率优化算法和垂直路径方向的间距优化算法对曲面上的喷枪轨迹进行优化。仿真和试验结果验证了优化算法的有效性和轨迹生成算法的可行性。

基于TLS的高压线塔倾斜度监测

高压线塔属于杆状构筑物,对倾斜变形非常敏感,倾斜度是检测其稳定性的重要指标。传统的单点测量方式,无法反映高压线塔的整体变形,提出基于地面三维激光扫描技术监测高压线塔倾斜度的方法,采用分层处理的方式,通过边界提取、直线分割、直线拟合等过程处理点云数据。采集山西省柳林某高压线塔点云数据进行实验,求取各层切片的中心坐标并计算高压线塔的倾斜度,对计算结果进行分析,得出线塔仍处于安全运行状态的结论。