一种基于无人机载LiDAR技术的建筑模拟展示装置及方法与流程

本发明属于演示用具领域，更具体地说，尤其涉及一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示装置。同时，本发明还涉及一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示方法。

背景技术：

1、三维建模与模拟展示是设计和演示过程中不可或缺的一环。传统的三维建模技术主要依赖于手工测量或地面基于的激光扫描，这些方法不仅耗时耗力，而且难以捕获建筑物的全貌，特别是在复杂地形或高大建筑的情况下。

2、使用无人机搭载的摄影测量设备，如摄像头，可以通过拍摄的二维照片来重建建筑物的三维模型。然而，这种方法仍然受限于影像的分辨率和拍摄条件，对于纹理和几何细节的捕捉存在限制。与此同时，光检测和测距（lidar）技术的应用开始普及，它通过发射激光脉冲并接收其反射回来的信号来测量距离，从而获得高精度的空间数据。

3、lidar系统能够穿透植被，减少天气和光照变化对数据获取的影响，因此非常适合用于快速且高精度的地形和建筑物外部结构的测量。尤其是在结合了无人机平台之后，它能够在更短的时间内覆盖更大的区域，从多个角度和高度捕获数据，极大地提高了数据采集的效率和模型的准确性。

4、尽管如此，现有的基于无人机lidar的建筑模拟展示装置仍存在一些不足。例如，点云数据的处理和三维重建算法往往需要大量的计算资源和时间，而且在将大量点云数据转换为连续表面模型时，保持细节的同时减少噪声仍是一个挑战。此外，生成的模型在可视化展示方面也需要进一步提升，以更好地服务于建筑设计和教育等应用场景，因此，我们提出了一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示装置及方法，能够高效、精确地处理lidar数据，并能够生成高质量三维建筑模型的装置，同时提供直观、互动的展示方式，对于推动建筑领域的技术进步具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示装置，包括：

4、无人机平台，配置有lidar传感器用于捕获建筑物的三维空间数据；

5、数据处理单元，与所述无人机平台通信连接，用于接收并处理由lidar传感器捕获的数据以生成建筑物的三维模型；

6、展示模块，与所述数据处理单元连接，用于根据所述三维模型进行建筑模拟展示；

7、其中，所述数据处理单元进一步包括：

8、点云数据处理子单元，所述点云数据处理子单元接收来自lidar传感器的原始数据，并进行预处理，并在预处理后的点云数据上，提取关键特征；

9、三维重建子单元，所述三维重建子单元将不同角度和位置扫描得到的点云数据对齐到统一的坐标系统中，并将从点云数据中重建出物体表面；

10、纹理映射子单元，所述纹理映射子单元采集建筑物的实际图像，并通过图像处理技术提取纹理信息，同时将提取的纹理映射到三维模型的表面，增强模型的视觉真实性。

11、优选的，所述无人机平台包括无人机硬件模块以及无人机软件模块；

12、所述无人机硬件模块包括：

13、飞行器机架，构成无人机主体结构，负责支撑无人机的各个部件，采用轻量化材料制成，以减轻整体重量，同时要考虑结构强度和稳定性，以及无人机的重心分布；

14、传感器，用于感知无人机的姿态、位置、速度参数；

15、控制器，用于处理传感器信号和控制指令；

16、推进系统，用于提供飞行的推力，包括电机和桨翼，直接影响飞行效率和稳定性；

17、遥控器，用于实现人机交互界面，发送控制指令给无人机，实现远程操控。

18、优选的，所述无人机软件模块包括：

19、飞行控制单元，用于飞行控制和任务执行，根据无人机状态参数和控制算法生成控制指令；

20、传感器数据处理单元，用于处理和融合传感器数据，获取准确的无人机状态信息；

21、通信单元，用于实现无人机与地面站之间的信息传输和控制信号传递，并且集成抗干扰能力和数据加密子单元。

22、优选的，所述三维重建子单元将不同角度和位置扫描得到的点云数据对齐到统一的坐标系统中，具体为：

23、进行点云预处理，包括滤波和清理数据；利用得到的变换矩阵寻找最近点作为对应点；调整对应点的权重，并剔除不合理的对应点对；最后计算损失函数，并在迭代中不断优化以最小化损失，直至收敛；

24、将不同角度和位置扫描得到的点云数据对齐到统一的坐标系统中目标是找到最佳的旋转矩阵和平移向量，使得源点云和目标点云之间的对应点距离最小，计算式为：

25、

26、式中，r∗和t∗分别是最优的旋转矩阵和平移向量；

27、是源点云，∣∣是源点云中的点数；

28、是目标点云，是目标点云中的第i个点，是源点云中的第i个点；

29、该计算式对于源点云中的每一个点，找到其在目标点云中的最近点，然后计算这两点之间的距离的平方，对所有这样的距离平方求和，并除以源点云中的点数∣∣，最后找到能够最小化这个平均值的旋转矩阵r和平移向量t。

30、优选的，所述将从点云数据中重建出物体表面，具体为：

31、利用点云的法线信息，构建一个向量场，该向量场近似表示了指示函数的梯度，并选择基函数来表示向量场和指示函数，构建出稀疏线性系统；

32、离散化稀疏线性系统，求解稀疏线性系统，得到指示函数的近似值；

33、从求解得到的指示函数中提取零等值面，对提取出的网格进行优化处理，对复杂的网格模型进行简化处理，减少顶点数量同时保持表面细节，以适应不同的应用场景；

34、所述离散化稀疏线性系统，计算式为：

35、δ=+；

36、式中，δ在网格节点(i,j)处的拉普拉斯算子的离散化近似值，通过该值可以获得该点在求解域内的近似曲率或变化率；

37、以及分别是节点(i,j)右侧和左侧节点的函数值；

38、以及分别表示节点(i,j)上侧和下侧节点的函数值；

39、以及分别表示x和y方向的步长，步长参数是空间离散化的尺度因子，决定了离散网格的精细程度。

40、优选的，所述展示模块包括：

41、模型导出模块，用于将数据处理单元生成的三维建筑模型转换为适用于各种展示平台的格式；

42、vr模型制作模块，用于对导入的三维模型文件进行重新编码，生成适用于vr环境的模型文件；

43、vr场景制作模块，用于为vr模型分配材质球和贴图，并进行灯光处理，增强场景的真实感；

44、vr展示模块，用于将vr场景图转换为jpg等格式的vr图像，并可以方便地复制拷贝到pc端或移动端进行展示。

45、一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示方法，包括如下步骤：

46、s1、利用无人机平台搭载lidar传感器捕获建筑物的三维空间数据；

47、s2、通过数据处理单元接收并处理由lidar传感器捕获的数据，以生成建筑物的三维模型；

48、s3、使用展示模块根据所述三维模型进行建筑模拟展示。

49、优选的，步骤s2具体流程为：

50、s21、点云数据处理子单元接收来自lidar传感器的原始数据，并进行预处理，在预处理后的点云数据上提取关键特征；

51、s22、三维重建子单元将不同角度和位置扫描得到的点云数据对齐到统一的坐标系统中，并从点云数据中重建出物体表面；

52、s23、纹理映射子单元采集建筑物的实际图像，并通过图像处理技术提取纹理信息，并将提取的纹理映射到三维模型的表面，增强模型的视觉真实性。

53、优选的，步骤s3中，所述使用展示模块根据所述三维模型进行建筑模拟展示包括：

54、s31、模型导出模块将数据处理单元生成的三维建筑模型转换为适用于各种展示平台的格式；

55、s32、vr模型制作模块对导入的三维模型文件进行重新编码，生成适用于vr环境的模型文件；

56、s33、vr场景制作模块为vr模型分配材质球和贴图，并进行灯光处理，增强场景的真实感；

57、s34、vr展示模块将vr场景图转换为jpg等格式的vr图像，并可以方便地复制拷贝到pc端或移动端进行展示。

58、本发明提供的一种基于无人机载lidar技术的建筑模拟展示装置及方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

59、提高数据采集效率与精度：本发明通过使用无人机平台搭载lidar传感器，能够在较短的时间内从多个角度和位置捕获建筑物的三维空间数据；相比于传统的手工测量或地面基的激光扫描方法，本发明能够大幅提升数据采集的效率和精度，特别适用于复杂地形或不易接近的建筑物；

60、实现实时数据处理与三维重建：本发明的数据处理单元采用高效的算法对lidar传感器捕获的数据进行实时处理，包括点云数据的预处理、特征提取和三维重建；这允许用户快速获得建筑的精确三维模型，显著缩短了从数据采集到模型生成的时间；

61、增强模型的视觉真实性：通过纹理映射子单元的应用，将实际建筑物的图像纹理应用到三维模型上，极大地增强了模型的视觉细节和真实感；这一改进使得模型不仅在几何形状上准确，还在视觉效果上与实际建筑高度吻合，为设计评审和教育演示提供了强有力的支持；

62、提供交互式虚拟体验：结合vr技术，本发明能够将生成的三维建筑模型用于创造沉浸式的虚拟体验；用户可以通过vr设备在虚拟环境中自由地查看和交互，提供了一种全新的建筑展示方式，尤其适合于远程教学、设计评估和房地产展示领域；

63、优化无人机的稳定性和安全性：本发明在无人机设计中采用了轻量化材料和合理的结构布局，确保了无人机的稳定性和飞行安全；同时，通过集成先进的传感器和控制算法，无人机能够实现精确的位置控制和稳定的数据采集，提高了操作的安全性和数据的可靠性；

64、保障数据传输的安全：本发明的通信单元集成了数据加密和抗干扰技术，确保了无人机与地面站之间的数据传输过程中的安全性和完整性；这一特性对于保护采集到的敏感数据免受未授权访问或篡改至关重要，提高了系统的整体安全性；

65、用户友好的操作界面：本发明提供了直观易用的操作界面，使得即使非专业人员也能轻松操控无人机并进行数据处理；通过简化的操作流程和清晰的用户指导，大大降低了技术门槛，拓宽了本发明的适用范围；

66、降低环境影响：由于本发明采用非接触式的测量方式，减少了对建筑物及其周围环境的影响；特别是在历史建筑或敏感区域的数据采集中，本发明能够避免对现场造成破坏，更加环保和可持续。