摘 要：采用2D激光雷達(dá)對(duì)建筑房間進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)，激光雷達(dá)點(diǎn)云將會(huì)受到噪聲、離群躍變點(diǎn)和數(shù)據(jù)缺失等因素的干擾，影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理速度。為提高2D激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理速度和建筑房間平面繪制精度，采用差值濾波法、最小二乘法等算法以及動(dòng)態(tài)閾值特征提取法實(shí)現(xiàn)了2D激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，2D激光雷達(dá)可以快速獲取門(mén)、窗、梁、柱的尺寸信息，能夠顯著提升建筑空間的測(cè)量精度和平面圖繪制效率。

關(guān)鍵詞：激光點(diǎn)云；離散；濾波；差值；平面繪制

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）13-0125-04

Research on 2D Laser Radar Indoor Planar Data Preprocessing Methods

LAI Zhenbin， LI Yujiang， LI Yang， SHUAI Haile， YANG Yuan

（Guizhou Construction Science Research and Design Institute Co.， Ltd. of CSCEC， Guiyang 550006， China）

Abstracts： When 2D LiDAR is used to scan and measure the building room， the LiDAR point cloud will be interfered by noise， outlier jump points and missing data， which will affect the processing speed of the point cloud data. In order to improve the processing speed of 2D LiDAR point cloud data and the accuracy of building room planar drawing， the algorithms such as difference filtering method， least squares method and dynamic threshold feature extraction method are used to realize the preprocessing of 2D LiDAR point cloud data. The point cloud data preprocessing method is verified through experiments， and the results show that 2D LiDAR can quickly obtain the dimensional information of doors， windows， beams， and columns， and can significantly improve the measurement accuracy of architectural space and the efficiency of planar drawing.

Keywords： laser point cloud; discrete; filtering; difference; planar drawing

0 引 言

隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，越來(lái)越多的老舊建筑被納入更新改造的計(jì)劃中，老舊建筑因使用年限長(zhǎng)、使用過(guò)程中發(fā)生功能改動(dòng)以及運(yùn)維不當(dāng)?shù)纫蛩卮嬖趯?shí)際布局與原始圖紙資料不符，或者是圖紙?jiān)趥鬟f過(guò)程中有丟失情況的發(fā)生，想要獲取老舊建筑詳盡的平面圖和通過(guò)逆向建模來(lái)驗(yàn)算老舊建筑的安全性能，必須對(duì)老舊建筑的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量。激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的發(fā)展為三維空間數(shù)據(jù)的獲取提供一種全新的技術(shù)方法，可用于快速精準(zhǔn)獲取物體二維或三維數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體或場(chǎng)景的三維重建[1]。激光掃描快速采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)推動(dòng)了其在線測(cè)量技術(shù)在工程應(yīng)用中的快速發(fā)展，室內(nèi)的三維測(cè)量可借助激光雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，完美體現(xiàn)了室內(nèi)三維測(cè)量在裝修公司、房地產(chǎn)業(yè)、室內(nèi)地圖等[2-3]領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，基于光學(xué)儀器傾斜攝影或激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)并精細(xì)處理計(jì)算的深度學(xué)習(xí)三維重建已成為主流的三維重建技術(shù)[4]。激光雷達(dá)掃描測(cè)量裝置是獲取建筑尺寸、構(gòu)件位姿等信息的技術(shù)手段，可分為多線激光雷達(dá)和單線激光雷達(dá)，兩者的測(cè)量精度旗鼓相當(dāng)。目前常用的激光雷達(dá)傳感器有二維和三維兩種[5]，三維激光雷達(dá)傳感器的掃描效率和精度高、細(xì)節(jié)描述清晰、信息含量豐富，但其在掃描過(guò)程中通常需要加設(shè)基準(zhǔn)站點(diǎn)以保證后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)拼接質(zhì)量，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，需要由專業(yè)技術(shù)人員來(lái)處理且過(guò)程煩瑣。二維激光掃描以激光發(fā)射器為原點(diǎn)，以固定頻率向外360°發(fā)射激光來(lái)獲取遮擋物的距離數(shù)據(jù)，是獲取空間平面信息的有效手段，但其仍然存在著噪聲、離散化誤差等問(wèn)題[6]。二維激光掃描采集的點(diǎn)云存在大量的噪聲，不僅降低了數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理速度，更是增加了后期模型的構(gòu)建難度并降低了模型精度。針對(duì)二維激光雷達(dá)在對(duì)建筑進(jìn)行掃描測(cè)量中因門(mén)窗洞口、桌柜等遮擋物而產(chǎn)生的大量點(diǎn)云噪聲影響建筑建模精度和效率的問(wèn)題，本文提出一種差值濾波方法，對(duì)二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

1 二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集設(shè)備

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是逆向建筑逆向建模的核心[7]，本文采用移動(dòng)式二維激光雷達(dá)作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。二維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、受光照因素影響較小和測(cè)距精度高[8]。通過(guò)設(shè)置外圍供電電路和數(shù)據(jù)采集電路，通過(guò)串口通信采集數(shù)據(jù)將其回傳主控芯片并通過(guò)Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)端，在移動(dòng)端對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和方位角度數(shù)據(jù)進(jìn)行粗加工處理后自動(dòng)繪制被掃描物體的輪廓線，經(jīng)過(guò)相應(yīng)簡(jiǎn)易操作后予以展示和存儲(chǔ)。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方案

單線激光雷達(dá)每次掃描能夠獲取一個(gè)掃描平面的深度信息[9]，建筑房間是由三面以上墻體首尾相連形成相對(duì)封閉的空間，在激光雷達(dá)掃描測(cè)量過(guò)程中每面墻體都可以被看成一個(gè)測(cè)量段。當(dāng)房間內(nèi)無(wú)桌子、柜子、空調(diào)等遮擋物遮擋墻面時(shí)，激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）環(huán)切掃描測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)測(cè)量段的測(cè)量距離具有周期變化性，其周期性可以分為以下幾種情況：

1）如果掃描起點(diǎn)激光反射點(diǎn)對(duì)齊四個(gè)墻角之一即任意一個(gè)測(cè)量段的一端，則該測(cè)量段的測(cè)量距離由大變小，當(dāng)掃描點(diǎn)激光與測(cè)量墻體和激光器鉛垂線重合時(shí)測(cè)量值到達(dá)當(dāng)前掃描的極小值，隨后逐步增大，第一次到達(dá)該測(cè)量墻體另一端點(diǎn)時(shí)，測(cè)量值達(dá)到極大值點(diǎn)，隨后再次減小，直至完成一周掃描測(cè)量。其測(cè)量值變化規(guī)律為：起始值—減小—極小值—增大—極大值，如此循環(huán)往復(fù)直至房間四面墻體全部掃描完畢。

2）當(dāng)掃描起點(diǎn)激光以垂直于四面墻體中的任一墻體開(kāi)始測(cè)量時(shí)，其測(cè)量值變化規(guī)律為：極小值—增大—極大值—減小—極小值。

3）當(dāng)掃描起點(diǎn)位于任一墻體任一位置（非墻角處、非垂直墻面處）時(shí)，測(cè)量值有兩種情況：一是起始值—增大—極大值—減小—極小值—增大—極大值；二是起始值—減小—極小值—增大—極大值—減小—極小值，如此循環(huán)往復(fù)，直至掃描測(cè)量一圈。

三種掃描測(cè)量方式的共同點(diǎn)是，掃描測(cè)量一圈均會(huì)出現(xiàn)4次極大值和4次極小值，4次測(cè)量極大值分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)是房間內(nèi)的四個(gè)墻角，4次測(cè)量極小值分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)是設(shè)備放置點(diǎn)與墻面的鉛錘點(diǎn)處。由此可以得出結(jié)論，在掃描房間內(nèi)無(wú)桌子、柜子等遮擋物的情況下，掃描測(cè)量值不會(huì)產(chǎn)生大的躍變。

通過(guò)以上掃描方式的選擇可以得到夾帶許多噪點(diǎn)的建筑房間平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾和清洗才能用于房間建模中。

2 點(diǎn)云噪聲濾波算法

2.1 點(diǎn)云噪點(diǎn)的產(chǎn)生

激光雷達(dá)是通過(guò)向外發(fā)射激光信號(hào)并接收反射回來(lái)的激光信號(hào)來(lái)測(cè)量物體距離的，因此在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到外界干擾（如視線遮擋、障礙物等因素）的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在一些距離主題點(diǎn)云較遠(yuǎn)的離散點(diǎn)，即離散群點(diǎn)。在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于房間內(nèi)有桌子、書(shū)柜等家具，梁柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及門(mén)窗洞口等開(kāi)口的存在，測(cè)量距離的差異會(huì)使激光雷達(dá)點(diǎn)云產(chǎn)生躍變，導(dǎo)致激光雷達(dá)點(diǎn)云凹凸不平。在玻璃環(huán)境中，激光雷達(dá)發(fā)出的光絕大部分透過(guò)玻璃而無(wú)法返回被接收，所以盡管透明玻璃是平面的，在激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云圖中顯示的卻只是很小的一團(tuán)點(diǎn)云，其特征與周圍的噪聲點(diǎn)云類似[10]。為提高激光雷達(dá)點(diǎn)云質(zhì)量，需要研究激光雷達(dá)點(diǎn)云濾波算法，去除無(wú)用的噪聲點(diǎn)。

2.2 點(diǎn)云濾波算法

2.2.1 掃描離群躍變點(diǎn)云降噪-差值濾波法

根據(jù)激光雷達(dá)在無(wú)障礙物及玻璃洞口的一般規(guī)則的封閉空間掃描測(cè)量值不會(huì)產(chǎn)生躍變這一原則，設(shè)置一定的閾值如當(dāng)前點(diǎn)N與其前（N-1）后（N+1）各一個(gè)點(diǎn)共計(jì)3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行兩兩差值比較，當(dāng)其滿足L（N）-L（N-2）、L（N） - L（N-1）、L（N+1） - L（N）、L（N+1） - L（N-1）、L（N+2） - L（N）點(diǎn)差值大于A時(shí)，刪除第N點(diǎn)，隨后將第N + 1點(diǎn)和第N + 2點(diǎn)做比較，循環(huán)作差值比較直至所比較的第N + M個(gè)點(diǎn)云與第N個(gè)點(diǎn)云的差值小于等于A，利用第N + M個(gè)點(diǎn)云和后面的點(diǎn)云逐一進(jìn)行作差與設(shè)定閾值比較，直至所有點(diǎn)云完成一輪比較，刪除滿足條件的離散躍變點(diǎn)云。利用上述算法可以去除玻璃洞口等部分的離群躍變點(diǎn)云，完成二維激光雷達(dá)環(huán)切掃描測(cè)量所得到的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行的第一步清洗處理，再進(jìn)行更深程度的濾波。

2.2.2 連續(xù)點(diǎn)云的濾波

如圖1所示，激光雷達(dá)激光發(fā)射點(diǎn)為O，激光雷達(dá)的角分辨率為α，是激光雷達(dá)固有參數(shù)，由激光雷達(dá)廠家出廠設(shè)定，不可更改。對(duì)于任意連續(xù)的兩點(diǎn)A1、A2，則有A1、A2點(diǎn)到發(fā)電點(diǎn)O的距離為L(zhǎng)1和L2，因?yàn)長(zhǎng)1和L2的起點(diǎn)都是激光發(fā)射點(diǎn)O且兩點(diǎn)是連續(xù)的，所以，L1和L2兩條線形成的夾角為激光雷達(dá)的角分辨率α，A1點(diǎn)到A2點(diǎn)的直線距離L3可由余弦定理式（1）求出。L1和L3之間的夾角β可由式（2）求出：

將L3代入式（2）可以得到式（3）：

α由廠家出廠設(shè)定，是固定值，其值較小。L1、L2是激光雷達(dá)測(cè)量值。以本文所采用的單線激光雷達(dá)為例，其角精度為0.8°，cos α≈0.999 9，因此式（3）經(jīng)演變后表達(dá)式為：

由式（4）可以看出，當(dāng)L2的值比L1大時(shí)，β角大于90°，當(dāng)L2的值比L1小時(shí)，β角小于90°。

當(dāng)測(cè)量的是一面連續(xù)且在物體和雷達(dá)中間無(wú)障礙物體時(shí)，由于激光雷達(dá)為旋轉(zhuǎn)式和雷達(dá)精度的制約，后測(cè)量點(diǎn)A2到發(fā)射點(diǎn)的距離L2比前測(cè)量點(diǎn)A1到發(fā)射點(diǎn)的距離L1的大小差異不會(huì)很大，利用此關(guān)系經(jīng)計(jì)算可以得到線段L1和線段L3之間夾角β的大小。在忽略雷達(dá)誤差精度的基礎(chǔ)上，線段L1和線段L3之間的夾角β應(yīng)該在（90 - α～90 + α）之間：

假設(shè)由于雷達(dá)精度導(dǎo)致的角度誤差為γ，那么β角會(huì)由（90 - α～90 + α）之間變?yōu)椋?0 - α ± γ～90 + α ± γ）之間。在點(diǎn)云濾波算法上設(shè)置一定的閾值γ（γ可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整），當(dāng)β值大于（90 - α + γ）或小于（90 - α - γ）時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)云是離散點(diǎn)云，可以將其消除。當(dāng)β值在（90 - α - γ）和（90 - α + γ）之間時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)云與其前序點(diǎn)云是連續(xù)點(diǎn)云，保留該點(diǎn)云進(jìn)入下一矯正步驟。

上述濾波方法可以用于無(wú)梁柱、桌子、柜子等遮擋物房間掃描點(diǎn)云的濾波，當(dāng)房間內(nèi)有梁柱、桌子、柜子等遮擋物時(shí)，需要考慮遮擋物對(duì)距離測(cè)量的影響。當(dāng)有突出遮擋物或凹進(jìn)開(kāi)槽且凹/凸物體寬度較大時(shí)，除了需要計(jì)算對(duì)比躍變點(diǎn)與前序點(diǎn)的β角是否在（90 - α + γ）區(qū)間，還需要計(jì)算對(duì)比躍變點(diǎn)與其后續(xù)一定范圍內(nèi)點(diǎn)云之間的β角是否在（90 - α + γ）區(qū)間，此時(shí)可以設(shè)置躍變點(diǎn)及其后續(xù)點(diǎn)與其前序點(diǎn)需要逐一計(jì)算對(duì)比的點(diǎn)云范圍。遇到突變點(diǎn)時(shí)，往后計(jì)算對(duì)比10個(gè)點(diǎn)云數(shù)，當(dāng)計(jì)算得到的10個(gè)點(diǎn)云的β角都在（90 - α ± γ）區(qū)間時(shí)，則判定為凹/凸物體，繼續(xù)往后計(jì)算β角直至遇到下一個(gè)突變點(diǎn)，重復(fù)以上操作。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為檢驗(yàn)上述濾波方法的可行新，采用樂(lè)動(dòng)機(jī)器人生產(chǎn)的LD19型激光雷達(dá)傳感器作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集傳感器。該傳感器采用左手坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，正前方定義為零度方向，旋轉(zhuǎn)角度沿著順時(shí)針?lè)较虿粩嘣龃?，如圖2所示。采用激光雷達(dá)在某一房間內(nèi)掃描測(cè)量所得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

該雷達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在10 ± 0.1 Hz，其角精度為0.8°。在進(jìn)行掃描測(cè)量驗(yàn)證時(shí)，使用產(chǎn)品自帶的可直觀觀察掃描效果圖的實(shí)時(shí)掃描點(diǎn)云可視化軟件LdsPointCloudViewer，對(duì)比分析LD19激光原始點(diǎn)云及經(jīng)過(guò)本文噪點(diǎn)濾波算法后的點(diǎn)云，并在電腦端實(shí)時(shí)顯示。

3.1 躍變離群點(diǎn)云濾波

室內(nèi)無(wú)桌子、柜子等遮擋物的環(huán)境下，利用激光雷達(dá)掃描測(cè)量系統(tǒng)采集5 m×4 m的辦公室進(jìn)行掃描測(cè)量試驗(yàn)，如圖3所示為采集到的該辦公室的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從圖中可以看出由于玻璃的因素，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅出現(xiàn)較大部分的離群躍變點(diǎn)，如圖中方框所示；還出現(xiàn)了較大的缺失，如圖中圓圈所示。利用激光雷達(dá)在同一平面掃描測(cè)量時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生躍變的規(guī)律，通過(guò)差值濾波法對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理，第一步去除躍變離群點(diǎn)云如圖3所示，可以看到窗戶外的點(diǎn)云已基本被去除，余下基本可以描述房間內(nèi)部的基本概況。

3.2 連續(xù)點(diǎn)云濾波

采用差值濾波法對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行濾波后，剩余點(diǎn)云仍會(huì)有較多的噪點(diǎn)，需要采用更精細(xì)的濾波算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理。為實(shí)現(xiàn)對(duì)房間內(nèi)特征點(diǎn)的提取，對(duì)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法再次濾波，二次濾波得到的點(diǎn)云圖如圖4所示，進(jìn)一步采用最小線框?qū)⒍螢V波點(diǎn)云包裹住，結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié) 論

本文利用角度差值法對(duì)采集到的二維激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)去除算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并在某建筑內(nèi)幾種環(huán)境類型的房間中進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了角度差值去除點(diǎn)云噪聲的有效性。結(jié)果表明，所提出的角度差值算法能夠有效過(guò)濾二維激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的躍變離群點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠較為完整地保留房間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大致平面圖，在精簡(jiǎn)點(diǎn)云的同時(shí)提高了點(diǎn)云質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：賴振彬（1987—），男，漢族，廣西陸川人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、智慧測(cè)量；通訊作者：楊垣（1983—），男，苗族，貴州晴隆人，研究方向：建筑設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能技術(shù)研究、綠色建筑方案設(shè)計(jì)及咨詢、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、建筑工程設(shè)計(jì)、綠色建造、智慧建造等。