基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法及裝置與流程
2023-06-23 03:29:31
本發明涉及測繪科學技術領域，尤其涉及一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法及裝置。
背景技術：
在測繪科學技術領域中，對滑坡山體的監測和分析有助於更好理解掌握滑坡量和滑坡特徵，更有助於對滑坡進行監控和預警。利用傳統的測量手段，比如全站儀和全球定位系統GPS，只能獲取有限個離散點坐標，缺少對整個滑坡體的全面估計數據；同時，如果關鍵滑坡點被遺漏，將誤導滑坡體監測結果嚴重失真。
地面三維雷射掃描技術可獲取高密度、高精度的3D點位坐標，便於架站，適合面積不大區域的精細測量。車載三維雷射掃描技術點坐標精度有限，且在山體等區域，採集數據困難。機載三維雷射掃描技術覆蓋範圍廣，但是獲取點雲密度較稀，精度不高，往往不能滿足滑坡體監測精度要求。因此，在山體等有植被覆蓋、又對掃描精度要求較高的地區測量，地面三維雷射掃描技術成為最為有力的技術手段之一。
雖然地面三維雷射掃描技術可以獲取海量的高精度點位坐標，但是，由於其獲取點雲數據的離散性，點雲與被測物體表面的一一對應關係不能確定，且不同時刻點雲之間的一一對應關係也無法直接獲得，這導致了從點雲中無法直接獲取山體滑坡量化數據。
鑑於此，如何基於地面三維雷射掃描技術獲取山體滑坡量化數據成為目前需要解決的技術問題。
技術實現要素：
為解決上述的技術問題，本發明提供一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法及裝置，能夠基於地面三維雷射掃描技術的點雲數據獲得更為全面的山體滑坡量化數據。
第一方面，本發明提供一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法，包括：
獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的；
在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊；
提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點；
提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點；
根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量。
可選地，所述提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點，包括：
將分塊後的每個塊分成多個小分塊，提取每個小分塊內的高程最低點，每個塊內所有小分塊的高程最低點組成每個塊的地面點雲；
估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
可選地，所述估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，包括：
利用奇異值分解算法，估計每個塊的地面點雲所在平面的法向量到該地面點雲幾何中心點的距離，進而計算得到該平面的代表點。
可選地，在所述將分塊後的每個塊分成多個小分塊，提取每個小分塊內的高程最低點，每個塊內所有小分塊的高程最低點組成每個塊的地面點雲之後，在所述估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點之前，所述方法還包括：
若某個塊內組成地面點雲的高程最低點的數量大於預設閾值，則利用隨機抽樣一致性算法，對該塊的地面點雲進行噪點剔除；
相應地，所述估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點，包括：
估計每個塊噪點剔除後的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
可選地，所述提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點，包括：
將分塊後的每個塊分成多個小塊，提取每個小塊內高度大於預設高度的點，每個塊內所有小塊內高度大於預設高度的點組成該塊的樹木點雲，所述預設高度為山體樹木高度；
統計每個小塊內高度大於預設高度的點的數量；
將每個塊內高度大於預設高度的點的數量最多的小塊作為樹木大概位置，並取該小塊內高度大於預設高度的點的平均值作為該塊的樹木中心位置點。
可選地，所述根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量，包括：
根據每個塊不同時期的地面代表點的坐標偏移，獲取每個塊基於地面代表點的山體滑坡量；
根據每個塊不同時期的樹木中心位置點的坐標偏移，獲取每個塊基於樹木中心位置點的山體滑坡量；
對比每個塊基於地面代表點的山體滑坡量和基於樹木中心位置點的山體滑坡量，獲得每個塊的全面山體滑坡量。
第二方面，本發明提供一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置，包括：
轉換模塊，用於獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的；
分割模塊，用於在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊；
第一提取模塊，用於提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點；
第二提取模塊，用於提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點；
獲取模塊，用於根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量。
可選地，所述第一提取模塊，包括：
提取單元，用於將分塊後的每個塊分成多個小分塊，提取每個小分塊內的高程最低點，每個塊內所有小分塊的高程最低點組成每個塊的地面點雲；
估計單元，用於估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
可選地，所述第二提取模塊，具體用於
將分塊後的每個塊分成多個小塊，提取每個小塊內高度大於預設高度的點，每個塊內所有小塊內高度大於預設高度的點組成該塊的樹木點雲，所述預設高度為山體樹木高度；
統計每個小塊內高度大於預設高度的點的數量；
將每個塊內高度大於預設高度的點的數量最多的小塊作為樹木大概位置，並取該小塊內高度大於預設高度的點的平均值作為該塊的樹木中心位置點。
可選地，所述獲取模塊，具體用於
根據每個塊不同時期的地面代表點的坐標偏移，獲取每個塊基於地面代表點的山體滑坡量；
根據每個塊不同時期的樹木中心位置點的坐標偏移，獲取每個塊基於樹木中心位置點的山體滑坡量；
對比每個塊基於地面代表點的山體滑坡量和基於樹木中心位置點的山體滑坡量，獲得每個塊的全面山體滑坡量。
由上述技術方案可知，本發明的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法及裝置，通過獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的，在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊，提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點，提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點，根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量，由此，能夠基於地面三維雷射掃描技術的點雲數據獲得更為全面的山體滑坡量化數據，結果更全面科學。
附圖說明
圖1為本發明一實施例提供的一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法的流程示意圖；
圖2為本發明一實施例提供的一種基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他的實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1示出了本發明一實施例提供的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法的流程示意圖，如圖1所示，本實施例的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法如下所述。
101、獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的。
在具體應用中，可以將目標區域的GPS數據和點雲數據均轉換至GPS參考坐標系統。
102、在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點(即在山體穩定區域選取特徵點)，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊。
可以理解的是，不同時期的點雲數據均以步驟102所選取的滑坡體外穩定特徵點為參考基準。
可以理解的是，分塊後，點雲數據中的每個點唯一的劃分到各個塊內；通過點雲分割，將點雲數據按照預設尺寸進行分塊，是將海量數據進行快速分解，可提高後期數據的計算速率。
103、提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點。
在具體應用中，所述步驟103，可以包括圖中未示出的步驟103a和103b：
103a、將分塊後的每個塊分成多個小分塊，提取每個小分塊內的高程最低點，每個塊內所有小分塊的高程最低點組成每個塊的地面點雲。
103b、估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
具體地，所述步驟103b可以利用奇異值分解算法，估計每個塊的地面點雲所在平面的法向量到該地面點雲幾何中心點的距離，進而計算得到該平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
進一步地，在所述步驟103a和103b之間，所述方法還可以包括：
若某個塊內組成地面點雲的高程最低點的數量大於預設閾值，則利用隨機抽樣一致性算法，對該塊的地面點雲進行噪點剔除；
相應地，所述步驟103b，可以具體包括：
估計每個塊噪點剔除後的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
可以理解的是，通過粗差探測和剔除方法，去除地面點雲中地面以外的噪點，能夠提高地面代表點估計的精度。
可以理解的是，由於步驟103在地面被樹等植被覆蓋的地方掃描數據過少或者沒有，會造成該地方數據缺失。為了獲取更為全面的山體滑坡量，本實施例後面提出了基於樹中心位置點的滑坡量計算方法。
104、提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點。
在具體應用中，所述步驟104，可以包括圖中未示出的步驟104a-104c：
104a、將分塊後的每個塊分成多個小塊，提取每個小塊內高度大於預設高度的點，每個塊內所有小塊內高度大於預設高度的點組成該塊的樹木點雲，所述預設高度為山體樹木高度。
可以理解的是，樹木往往是山體表面最顯著的特徵物，所以本實施例以樹木為切入點。
104b、統計每個小塊內高度大於預設高度的點的數量。
104c、將每個塊內高度大於預設高度的點的數量最多的小塊作為樹木大概位置，並取該小塊內高度大於預設高度的點的平均值作為該塊的樹木中心位置點。
可以理解的是，因為一般樹木的樹幹部分高程最高，且圍繞樹幹部分往往枝葉最茂盛，也就是該部分獲取的點雲密度最大，因此，以每個塊中點雲個數最多(即點雲密度最大)的小分塊作為樹木大概位置，並對該部分點取平均值可獲得樹中心位置。
105、根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量。
在具體應用中，所述步驟105，可以包括圖中未示出的步驟105a-105c：
105a、根據每個塊不同時期的地面代表點的坐標偏移，獲取每個塊基於地面代表點的山體滑坡量。
105b、根據每個塊不同時期的樹木中心位置點的坐標偏移，獲取每個塊基於樹木中心位置點的山體滑坡量。
在具體應用中，為了計算樹木位置的滑移值，可以以某一時期樹中心位置坐標為參考，搜索另一時期、同一小分塊及其臨近分塊的對應樹木，如果找到，則計算不同時刻樹中心位置滑移量；如果找不到，則捨棄該樹木。通過計算不同時期的樹木中心位置點的坐標偏移，可以得出基於樹木中心位置點的山體滑坡量。
105c、對比每個塊基於地面代表點的山體滑坡量和基於樹木中心位置點的山體滑坡量，獲得每個塊的全面山體滑坡量。
本實施例的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取方法，通過獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的，在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊，提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點，提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點，根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量，由此，結合地面代表點和樹木中心位置點的兩種互補的方法，能夠基於地面三維雷射掃描技術的點雲數據獲得更為全面和客觀的山體滑坡量化數據，結果更全面科學，能夠為滑坡山體的量化監測和預警提供數據支持。
圖2示出了本發明一實施例提供的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置的結構示意圖，如圖2所示，本實施例的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置，包括：轉換模塊21、分割模塊22、第一提取模塊23、第二提取模塊24和獲取模塊25；其中：
轉換模塊21，用於獲取目標區域的GPS數據和點雲數據並轉換至統一的參考坐標系統，所述點雲數據是通過地面三維雷射掃描儀獲取的；
分割模塊22，用於在GPS數據中選取滑坡體外穩定特徵點，以所述滑坡體外穩定特徵點為參考基準，對轉換後同一時期的點雲數據按照預設尺寸進行分塊；
第一提取模塊23，用於提取分塊後每個塊的地面點雲並估計每個塊的地面代表點；
第二提取模塊24，用於提取分塊後每個塊的樹木點雲並估計每個塊的樹木中心位置點；
獲取模塊25，用於根據每個塊不同時期的地面代表點和樹木中心位置點，獲取每個塊的全面山體滑坡量。
在具體應用中，所述第一提取模塊23，可以包括：
提取單元，用於將分塊後的每個塊分成多個小分塊，提取每個小分塊內的高程最低點，每個塊內所有小分塊的高程最低點組成每個塊的地面點雲；
估計單元，用於估計每個塊的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
具體地，所述估計單元，可具體用於
利用奇異值分解算法，估計每個塊的地面點雲所在平面的法向量到該地面點雲幾何中心點的距離，進而計算得到該平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
進一步地，所述第一提取模塊23還可以包括：
去噪單元，用於若某個塊內組成地面點雲的高程最低點的數量大於預設閾值，則利用隨機抽樣一致性算法，對該塊的地面點雲進行噪點剔除；
相應地，所述估計單元，可具體用於
估計每個塊噪點剔除後的地面點雲所在平面的代表點，將該代表點作為該塊的地面代表點。
在具體應用中，所述第二提取模塊24，可具體用於
將分塊後的每個塊分成多個小塊，提取每個小塊內高度大於預設高度的點，每個塊內所有小塊內高度大於預設高度的點組成該塊的樹木點雲，所述預設高度為山體樹木高度；
統計每個小塊內高度大於預設高度的點的數量；
將每個塊內高度大於預設高度的點的數量最多的小塊作為樹木大概位置，並取該小塊內高度大於預設高度的點的平均值作為該塊的樹木中心位置點。
在具體應用中，所述獲取模塊25，可具體用於
根據每個塊不同時期的地面代表點的坐標偏移，獲取每個塊基於地面代表點的山體滑坡量；
根據每個塊不同時期的樹木中心位置點的坐標偏移，獲取每個塊基於樹木中心位置點的山體滑坡量；
對比每個塊基於地面代表點的山體滑坡量和基於樹木中心位置點的山體滑坡量，獲得每個塊的全面山體滑坡量。
本實施例的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置，結合地面代表點和樹木中心位置點的兩種互補的方法，能夠基於地面三維雷射掃描技術的點雲數據獲得更為全面和客觀的山體滑坡量化數據，結果更全面科學，能夠為滑坡山體的量化監測和預警提供數據支持。
本實施例的基於地面三維雷射掃描技術的山體滑坡量獲取裝置，可以用於執行前述方法實施例的技術方案，其實現原理和技術效果類似，此處不再贅述。
本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本申請可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本申請可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。
本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。術語「上」、「下」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該公開的方法解釋呈反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多的特徵。更確切地說，如權利要求書所反映的那樣，發明方面在於少於前面公開的單個實施例的所有特徵。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。本發明並不局限於任何單一的方面，也不局限於任何單一的實施例，也不局限於這些方面和/或實施例的任意組合和/或置換。而且，可以單獨使用本發明的每個方面和/或實施例或者與一個或更多其他方面和/或其實施例結合使用。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的範圍當中。