海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種結(jié)合車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)外業(yè)掃描及存儲(chǔ)特性，將海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，操作步驟為：使用激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一掃描圈中POS系統(tǒng)的姿態(tài)及位置信息，計(jì)算出每一掃描圈POS中心到下一掃描圈POS中心的方向向量作為該掃描圈方向包圍盒的主軸向量；根據(jù)該方向向量(法向量)及該圈點(diǎn)云的范圍值，計(jì)算主軸線向量為該法向量的方向包圍盒的八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；計(jì)算三維視圖下顯示的視錐體的方向包圍盒；根據(jù)分離軸理論，計(jì)算該掃描圈的方向包圍盒與視錐的方向包圍盒是否相交。本方法具有快速、高效、實(shí)時(shí)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，能有效提高海量點(diǎn)云渲染效率，達(dá)到精細(xì)顯示點(diǎn)云局部的目的。
【專利說明】海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，屬于地理空間信息系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代蓬勃發(fā)展起來的高精度、快速獲取物體三維 幾何數(shù)據(jù)的新型技術(shù)，車載三維激光測量系統(tǒng)基于三維激光掃描技術(shù)利用GPS導(dǎo)航儀、慣 性制導(dǎo)系統(tǒng)及全景相機(jī)等能在高速移動(dòng)狀態(tài)下獲取道路及道路兩側(cè)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，已成為 一種快速的空間數(shù)據(jù)獲取手段，廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、基礎(chǔ)測繪、城市規(guī)劃、交通、環(huán)保等領(lǐng) 域。一方面，它具有數(shù)據(jù)獲取速度快、點(diǎn)云密集及場景復(fù)雜等特性，能充分發(fā)揮其精度高、速 度快、數(shù)據(jù)相對完整的優(yōu)勢，提升城市信息化建設(shè)及管理的水平；另一方面，其獲取的數(shù)據(jù) 具有海量特性（激光掃描每秒可獲取上萬個(gè)點(diǎn)），導(dǎo)致掃描工程獲取掃描點(diǎn)達(dá)到數(shù)億，受限 于計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備，為提高渲染效率，需對內(nèi)存中點(diǎn)云進(jìn)行抽稀顯示，渲染時(shí)間過長，瀏 覽緩慢，無法體現(xiàn)海量點(diǎn)云的優(yōu)勢特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決上述海量點(diǎn)云實(shí)時(shí)顯示存在的問題，提供一種結(jié)合車載點(diǎn)云 數(shù)據(jù)外業(yè)掃描及存儲(chǔ)特性，將海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明結(jié)合車載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性，采用一種基于方向包圍盒實(shí)時(shí) 加載點(diǎn)云方法。首先，使用車載三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，車載三維激光移動(dòng)測量系 統(tǒng)集成部件包括車輛、三維激光掃描儀、GPS導(dǎo)航儀、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和全景相機(jī)，采集數(shù)據(jù)過 程在車輛行駛中進(jìn)行，三維激光掃描儀用于獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS導(dǎo)航儀與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成 的POS系統(tǒng)用于獲取姿態(tài)位置信息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照圈索引進(jìn)行組織，以獲取每一圈掃描圈 的三維坐標(biāo)點(diǎn)集；按照時(shí)間對齊，根據(jù)采集的POS信息插值結(jié)算獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描圈 每一圈的姿態(tài)信息及位置信息；定義車載三維激光測量系統(tǒng)中的POS系統(tǒng)中心點(diǎn)為坐標(biāo)系 原點(diǎn)，車輛行駛的方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，其特 征在于點(diǎn)云按圈存儲(chǔ)，可有效判斷每圈點(diǎn)云所構(gòu)成的方向包圍盒與視錐相交，以此來判斷 該圈點(diǎn)云是否顯示，按如下步驟操作：
[0005] 步驟1、根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一 掃描圈POS中心指向下一圈POS中心構(gòu)成的方向向量Vij ;
[0006] 步驟2、以步驟1計(jì)算得到的方向向量Vij作為該圈點(diǎn)云所在近似平面的法向量， 相鄰POS中心構(gòu)成方向向量應(yīng)平行與XOY平面；
[0007] 步驟3、每圈POS中心點(diǎn)位于該圈點(diǎn)云所構(gòu)成的平面上（該平面法向量為Vij)，該 圈點(diǎn)云范圍已知（點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)統(tǒng)計(jì)獲得），以Vij為主軸方向向量，以該圈點(diǎn)云最大最 小值間平面距離為長，以相鄰POS間平面距離的兩倍為寬，以該圈點(diǎn)云高程值最大最小間 高程差為高，構(gòu)建該圈點(diǎn)云方向包圍盒QbBOXi,POS點(diǎn)位于垂直與XOY平面且過包圍盒中心 點(diǎn)的方向向量上，據(jù)此計(jì)算方向包圍盒八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；
[0008] 步驟4、計(jì)算觀察視圖場景的相機(jī)的視錐體所構(gòu)成的包圍盒BOX;
[0009] 步驟5、動(dòng)態(tài)瀏覽顯示三維數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)分離軸理論計(jì)算判斷每圈方向包圍盒 ObBOXi與視錐包圍盒BOX是否相交，即尋找其不相交的分隔面，共十五種情況，滿足其一即 不相交，以此確定該圈點(diǎn)云不加載顯示，若相交圈點(diǎn)云過多，可根據(jù)實(shí)際可加載設(shè)置對相交 的總?cè)M(jìn)行抽稀設(shè)置，加載其中部分圈的點(diǎn)云。
[0010] 本發(fā)明的方法步驟1中所述的求解當(dāng)前圈POS到下一圈POS構(gòu)成的方向向量；車 輛行駛過程中，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)獲得的每圈掃描點(diǎn)云的中心點(diǎn)為POS系統(tǒng)通過計(jì)算 獲得的進(jìn)行該圈點(diǎn)云掃描時(shí)激光掃描頭的在WGS84坐標(biāo)系下的位置（X〇,yO,zO)和姿態(tài) (yaw,pitch,roll)，由此坐標(biāo)可確定相鄰圈點(diǎn)云POS中心位置構(gòu)成的方向向量Vijt5
[0011] 本發(fā)明的方法步驟2中所述的以方向向量Vu作為該圈點(diǎn)云所在平面的法向量，意 指由于移動(dòng)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)激光掃描頭掃描點(diǎn)云垂直于POS系統(tǒng)，故由相鄰POS中心構(gòu) 成的方向向量b，c)應(yīng)垂直與該圈點(diǎn)云所在平面（激光掃描頭快速旋轉(zhuǎn)掃描一圈所 獲得的絕大部分掃描點(diǎn)位于近似平面上），該平面理論上垂直與XOY平面，為方便后續(xù)計(jì)算 方向包圍盒（設(shè)計(jì)該方向包圍盒頂面、底面平行于XOY平面），在此設(shè)置方向向量Vij為（a， b，0)。
[0012] 步驟3中所述的計(jì)算每一掃描圈的方向包圍盒，首先確定該方向包圍盒的長、寬、 高公式①求得：

【權(quán)利要求】
1. 采用一種基于方向包圍盒將海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法。首先，使用車載三維 激光測量系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)集成部件包括車輛、三維激光掃 描儀、GPS導(dǎo)航儀、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和全景相機(jī)，采集數(shù)據(jù)過程在車輛行駛中進(jìn)行，三維激光掃 描儀用于獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS導(dǎo)航儀與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的POS系統(tǒng)用于獲取姿態(tài)位置信 息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照圈索引進(jìn)行組織，以獲取每一圈掃描圈的三維坐標(biāo)點(diǎn)集；按照時(shí)間對齊， 根據(jù)采集的POS信息插值結(jié)算獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描圈每一圈的姿態(tài)信息及位置信息；定 義車載三維激光測量系統(tǒng)中的POS系統(tǒng)中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，車輛行駛的方向?yàn)閅軸正方 向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，其特征在于點(diǎn)云按圈存儲(chǔ)，可有效判 斷每圈點(diǎn)云所構(gòu)成的方向包圍盒與視錐相交，以此來判斷該圈點(diǎn)云是否顯示，按如下步驟 操作： 步驟1、根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一掃描 圈POS中心指向下一圈POS中心構(gòu)成的方向向量Vij ; 步驟2、以步驟1計(jì)算得到的方向向量Vij作為該圈點(diǎn)云所在近似平面的法向量，相鄰 POS中心構(gòu)成方向向量應(yīng)平行與XOY平面； 步驟3、每圈POS中心點(diǎn)位于該圈點(diǎn)云所構(gòu)成的平面上（該平面法向量為ViP，該圈點(diǎn) 云范圍已知（點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)統(tǒng)計(jì)獲得），以Vij為主軸方向向量，以該圈點(diǎn)云最大最小值 間平面距離為長，以相鄰POS間平面距離的兩倍為寬，以該圈點(diǎn)云高程值最大最小間高程 差為高，構(gòu)建該圈點(diǎn)云方向包圍盒ObBOX i，POS點(diǎn)位于垂直與XOY平面且過包圍盒中心點(diǎn)的 方向向量上，據(jù)此計(jì)算方向包圍盒八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)； 步驟4、計(jì)算觀察視圖場景的相機(jī)的視錐體所構(gòu)成的包圍盒BOX ; 步驟5、動(dòng)態(tài)瀏覽顯示三維數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)分離軸理論計(jì)算判斷每圈方向包圍盒ObBOXi與 視錐包圍盒BOX是否相交，即尋找其不相交的分隔面，共十五種情況，滿足其一即不相交， 以此確定該圈點(diǎn)云不加載顯示，若相交圈點(diǎn)云過多，可根據(jù)實(shí)際可加載設(shè)置對相交的總?cè)?進(jìn)行抽稀設(shè)置，加載顯示其中部分圈的點(diǎn)云。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯不方法，其特征在于：步驟1所述， 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一掃描圈POS中心 指向下一圈POS中心構(gòu)成的方向向量V#其具體為： 對于第i掃描圈POS中心坐標(biāo)Pos(i) (posX，posY，posZ)，第（i+Ι)掃描圈POS中心坐 標(biāo)Pos(i+l)(t arg X，t arg Y，t arg Z)，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，兩點(diǎn)構(gòu)成方向向量normal。 Pos (i) = (posX, posY, posZ)； Pos (i+1) = (t arg X, t arg Y,t arg Z)； Normal = (t arg X-posX, t arg Y-posY, t arg Z-posZ)；
3. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，其特征在于：步驟2所述 的計(jì)算第i圈點(diǎn)云所在近似平面的法向量，相鄰POS中心構(gòu)成方向向量應(yīng)平行與XOY平面， 獲得平面法向量： (t arg X-posX, t arg Y_posY，0) = (normalX, normalY, normalZ)；
4. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，其特征在于：步驟3所述 的計(jì)算第i圈點(diǎn)云的方向包圍盒的八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，見圖4所示。具體操作為 ： 4. 1、首先由文件存儲(chǔ)中記錄的每圈點(diǎn)云的索引信息中記錄第i圈點(diǎn)云范圍值，由此范 圍值確定該圈點(diǎn)云的方向包圍盒的長、寬、高值，距離公式①求得。
Height = IzMax-zMinI 其中義]\^1、1]\1；[11、：7]\如[、5^；[11、2]\^1、2]\1；[11為第；[圈點(diǎn)云的范圍值43找乂33找￥43找2 為第（i+1)圈POS中心的坐標(biāo)，posX，posY，posZ為第i圈點(diǎn)云POS中心坐標(biāo)； 4. 2、第i圈POS中心點(diǎn)位于方向包圍盒過中心點(diǎn)垂直與XOY平面的軸線上，以此分別 計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，以頂點(diǎn)〇為例： X0 = (dLength/2)*normalY+posX-(fffidth/2)^normalX Y0 = (dLength/2)* (-normalX)+posY-(fffidth/2)^normalY Z0 = zMin 同樣地，頂點(diǎn)4 (頂點(diǎn)0與頂點(diǎn)4構(gòu)成方向向量垂直與XOY平面）坐標(biāo)為： X4 = X0 Y4 = Yo Z4 = zMax 以此方法依次獲得第i圈點(diǎn)云八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，確定第i圈點(diǎn)云的方向包圍盒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，其特征在于：步驟4中所 述計(jì)算觀察視圖場景的相機(jī)的視錐體所構(gòu)成的包圍盒Β0Χ，可由相機(jī)的視角獲得視錐體近 平面、遠(yuǎn)平面，由此可直接獲得其包圍盒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海量數(shù)據(jù)按圈索引空間顯示方法，其特征在于：步驟5中所 述，根據(jù)分離軸理論，計(jì)算第i圈點(diǎn)云的方向包圍盒與視錐的包圍盒相交。由分離軸理論可 知，若兩個(gè)包圍盒不相交，則一定存在一個(gè)分隔面能將兩個(gè)包圍盒分隔開，對于凸三維多面 體，該分隔面要么垂直于某一包圍盒的面，要么垂直于某一包圍盒的邊，因此存在包圍盒的 三個(gè)面共六種可能，兩個(gè)包圍盒的三條邊共九種可能。在數(shù)學(xué)上，求面的法向量相比求該面 更簡便，因此，判斷是否相交，只需判斷一個(gè)比較面的法向量（邊長為方向向量）在另一個(gè) 比較面的法向量的投影相交與否即可。 此處以兩個(gè)面相交判斷，第i圈方向包圍盒的面1法向量用表示，視錐包圍盒的面2法 向量用表示，頂點(diǎn)坐標(biāo)以步驟3的4. 2步獲得坐標(biāo)值表示，公式如下： 面 1 法向量=(normalX〇, normalY〇, normalZ〇)； 面 2 法向量=OiormalX1, IiormalY1, IiormalZ1); 6. 1計(jì)算第i圈方向包圍盒八個(gè)頂點(diǎn)在面1上投影值fDist ; 以頂點(diǎn)0坐標(biāo)（X。，Y。，Ztl)為例，依次計(jì)算八個(gè)fDist，獲得最大最小值fDistMax、 fDistMin ； fDist = (X〇*norma I X0+Y0*norma I Y0+Z0*norma Iz0) / (norma I X0^norma I X〇+norma I Y0^norma IY0+norma I Z0^norma IZ0) 6. 2與6. I類似，計(jì)算視錐包圍盒八個(gè)頂點(diǎn)在面I上的投影距離值，獲得最大最小投影 值 fDistMaxView, fDistMinView ; 6. 3比較投影值，滿足下式條件，說明兩包圍盒不相交，否則進(jìn)行6. 4步驟； (fDistMax < fDistMinViewI IfDistMin > fDistMaxView) 6. 4計(jì)算剩余5個(gè)面的法向量及九條邊的方向向量，重復(fù)6. I，6. 2,6. 3的計(jì)算步驟，若 均不符合6. 3描述的函數(shù)式情形，說明不存在分隔面使其不相交，由此反向證明兩包圍盒 相交。
【文檔編號】G06T17/00GK104376590SQ201410652543
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】朱旭波, 危遲, 余建偉 申請人:武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司