(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210867521.1 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 中国人民解 放军63891部队 地址 471000 河南省洛阳市洛龙区瀛洲路 关林路交叉口 (72)发明人 李明磊　于合理　张政宇　刘备　 芦秀伟　崔建勇　刘伯栋　 (74)专利代理 机构 洛阳市凯旋专利事务所(普 通合伙) 41112 专利代理师 林志坚 (51)Int.Cl. G01B 11/08(2006.01) G06T 7/11(2017.01) G06T 7/13(2017.01) G06T 7/62(2017.01)G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于TLS的大型抛物 面天线口径测量及 计算方法 (57)摘要 本发明涉及测绘科学技术领域， 公开一种基 于TLS的大型抛物面天线口径测量计算方法， 采 用TLS对被测天线面进行覆盖式测量， 得到天线 面高密度点 云， 解决天线口面边缘点自动提取问 题， 并解决天线口面圆直径的鲁棒拟合计算问 题， 包括测量数据采集、 基于体素区域生长的天 线面点云提取， 基于天线面主方向投影的天线边 缘点提取， 具有约束条件参数平差的空间圆拟 合， 为报拟合精度， 天线口面圆拟合在三维空间 进行。 本发明无需人工干预， 即人为判定边缘点， 得到的天线口径 计算结果较为客观； 在口径拟合 计算中采用抗差拟合方法， 计算结果可有效减弱 噪声点的影响， 拟合结果较为可靠 。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115451846 A 2022.12.09 CN 115451846 A 1.一种基于TLS的大型抛物面天线口径测量计算方法， 采用TLS对被测天线面进行覆盖 式测量， 得到天线面高密度点云， 解决天线口面边缘点自动提取问题， 并解决天线口面圆直 径的鲁棒拟合计算问题， 其 步骤如下： 1)测量数据采集， 选择距离被测天线10m～50m， 于TLS量程范围内， 且通视情况良好的 位置， 对TLS进行设站， 将被测天线方位指向TLS设站方向， 俯仰置于水平限位， 保证天线口 径边缘对TLS基本可视； 控制 TLS对天线 区域进行扫描测量， 得到包含天线表面的场景点云 数据； 2)基于体素区域生长的天线面点云提取， 利用TLS的 “盲扫”特性， 其获取的点云数据为 整个视场场景 的表面点云， 因此， 需从这些海量点云数据中快速分离出目标天线表面的点 云， 以进行之后的天线口面 边缘提取与口径计算； 基于八叉树体素生长的点云平面提取和体素的区域生长算法的基础上， 进行天线曲面 提取， 具体实施步骤： 首先采用八叉树结构依据点云的密度和厚度分布将点云过分割为 一系列体素； 然后寻找接 近面状分布的种子体素并依据其 面状分布概 率将其进行分层； 再通过对各层体素生长阈值的统计得到生长条件； 最后以体素为单位进行区域 生长得到最终的平面分割结果； 在区域生长提取平面的过程中， 区域生长的共面条件阈值限定的是被生长体素与归属 平面之间共面关系， 其中归属平面为全局平面； 曲面将 被分割成平面片， 由不同颜色区分不 同平面； 在区域生长时， 共面条件阈值设定为被生长体素与种子体素之间的共面条件， 即局部 共面条件， 具有 有效提取 出天线面 点云数据； 3)基于天线面主方向投影的天线边缘点提取， 将 天线面三维点云投影到二维平面的图 像， 之后采用 α ‑shape算法提取二维边缘点， 并依据投影关系， 确 定天线面三维点云 的边缘 点； 利用天线面 点集: Φ＝{pi|pi＝[xi yi zi]T,i∈{1,2,. ..,n}} 建立协方差矩阵: 矩阵C对称正定， 对其进行谱分解后得: 其中λ1≥λ2≥λ3＞0为矩阵C的三个特征值,且对应三个主成分的方差， 其对应的三个特 征矢量e1、 e2和e3代表点集的三个主方向； 将天线面三维点云投影向二维时， 首先要确定投影分辨率， 即确定投影图像的像素尺 寸； 基于体素区域生长的天线面点云提取方法， 能够提取得到由一系列局部平面体素构 成权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115451846 A 2的天线面点云， 设平面体素v的球邻域内点， 个数为kv分布在半径为d ′v的圆面上， 则v的平均 点间距用式： 计算， 即相当于每个平面体 素内点在其归属平面上占用了边长为dp的正方形空间； 在采 用八叉树体素生长进行平面分割的过程中， 记录体素平面， 由平面体素构成的平面点云Θ 各个元素体素的平均点间距， 进 而求均值得 出Θ的平均点间距： 其中nΘ为Θ包含的体素个数， 将dΘ作为投影分辨 率； 依据投影分辨率将平面点云投影为二值图像的方式为： 对于体素平面Θ， 设其包含的 点集为{Pj＝[xj yj zj]T,j∈(1,2, …,k)}， 统计其空间分布的三个主方向； 将第一主方向λ1 对应的特征矢量e1作为图像的竖轴方向， 第二主方向λ2对应的特征矢量e2作为图像的横轴 方向， 重心作为投影图像的中心点， 从而三维向二维转换的旋转矩阵为： R＝[e1 e2 e3]‑1 平移矢量为： 统计平面Θ包含的点集在 Θ主方向的投影范围得到Θ的长和宽， 进而根据投影图像的 像素尺寸dΘ获取Θ投影图像的高和宽， 缩放参数为1:dΘ， 将R和T与1:dΘ统称为投影变换参 数； 依据投影 变换参数将三维平面 点云依据式 变换到图像区域中， 有对应点的像素赋值为1， 无对应点的像素赋值为0， 其中(xi,yi, zi)为平面点云Θ中被投影点的三维点坐标， 为Θ的重心点坐标， 为投影点 的像素坐标； 对投影图像采用 α ‑shape算法提取边缘点， 并根据投影关系得到三维边缘点， 利用激光 扫描受天线附件遮挡的影响， 提取 的边缘点会有一部分非天线口面边缘点， 通过欧氏距离 聚类分离出天线口面 边缘点； 4)具有约束条件参数平差的空间圆拟合， 为不丢失拟合精度， 天线口面圆拟合在三维 空间进行， 具体实施步骤： 首先， 以三维平面方程 ax+by+cz+d＝[a  b c]·[x y z]T+d＝nTP+d＝0的系数参数n＝[a  b c]T与常数d为未 知参数， 构造误差方程： vi＝axi+byi+czi+d权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115451846 A 3