基于点云数据处理的激光雷达监控系统设计与开发

摘要

近年来，随着信息技术的发展，监控系统得到了快速的发展，为国民经济的良好的运转提供了坚实的保障。区别于采用照相机、摄像机，红外等传统信息采集设备，激光雷达拥有全天候24小时且不受天气干扰等独特的优势，它能够精确快速地获取目标物体的三维空间点云数据，对场景变化更准确的判断。如今，地面激光雷达技术已经被广泛应用，多个国家成功地对建筑物遗迹和雕像进行了三维模型重建，实现了物体完整还原。与激光雷达技术的硬件发展相比，点云数据处理的技术相对滞后，点云模型还很难应用到实际的系统中，原因就是点云模型的体积等积分属性很难计算。
　　体积是点云模型重要的几何属性，在许多应用场景需要频繁地计算点云模型的体积。目前，就点云模型而言，体积的计算首先要重构点云曲面模型。但是使用重建曲面来计算体积的方法，把工作集中在重构算法上，需要额外的消耗大量的运算时间与空间，这样，对于只需要快速求取体积的应用系统中多出了许多工作，也不满足实时监控系统的时间要求。其次，对于有较为复杂的拓扑结构的点云模型，重建曲面可能会失败从而导致无法求取体积。
　　本文拟通过分析处理激光雷达所获取的三维点云数据，建立对象物体点云模型，计算模型的体积、移动位移等物理属性，按照危险状况的检测策略，对坡地塌方进行监控，设计开发一套全天候、实时预警系统，以便及时的把危险信息发布出去，减少灾害带来的损失。论文详细介绍了系统的设计方案，以及在实现中需要的应用技术和相关算法。系统采用串口编程技术获取激光雷达的数据和控制云台，并使用多线程技术提高串口通信的效率和解决多串口实时采集数据的问题。
　　对于点云数据，分析介绍了目前点云数据处理的一些算法，并设计了一种快速求取点云模型体积的方法，首先使用增量式算法计算点云的凸包用来近似物体，再将凸包分解成上下两个三角网格面，使用投影法分别求取它们的投影体积，它们两者之差即是所求模型体积。实验表明该算法实现简单，可快速地求解处理具有任何几何和拓扑复杂性的点云模型。系统采用模块化的设计方法，共分为信息采集模块、信息处理模块、分析预警模块和信息传输模块。
　　系统实现了对铁路沿线易塌方区域的监控，能够及时的判断塌方灾害，并将预警信息发送到指定的地方，同时该系统的点云模型的快速求解算法不仅避免了系统出错的可能，还提升了分析预警的速度，使得系统的实时性大大增强。