基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及測繪數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法。首先，根據(jù)點(diǎn)云的空間共面性，提取基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云的分割片，人工指定三對互不平行的同名點(diǎn)云分割片；其次，對三對點(diǎn)云分割片求取空間平面方程，分別計算基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中三個平面的交點(diǎn)，并將分割片點(diǎn)云平面移動至各自交點(diǎn)處；再次，通過計算同名分割片點(diǎn)云平面的交線和夾角，獲取平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；最后，利用旋轉(zhuǎn)參數(shù)和基準(zhǔn)站點(diǎn)云平面的交點(diǎn)、拼接站點(diǎn)云平面的交點(diǎn)計算平移參數(shù)，確定最終的旋轉(zhuǎn)矩陣。本方法適用于城市、村落等平面特征明顯的點(diǎn)云場景，可降低拼接過程中同名特征的識別與標(biāo)定時間，提高激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的整體效率。
【專利說明】基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測繪數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地面激光雷達(dá)掃描(Terrestrial Laser Scanning)是在地面利用激光掃描裝置自動、系統(tǒng)、快速地獲取對象表面三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)的測量方式，是一種近些年來飛速發(fā)展的主動式空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，可用于生成數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖、三維城市模型等多種數(shù)字空間產(chǎn)品，對于工程測量、數(shù)字城市建設(shè)、文物保護(hù)、軍事等領(lǐng)域具有重要作用。
[0003]地面激光雷達(dá)掃描的一次掃描范圍由于受到掃描距離、掃描角度和現(xiàn)場遮擋的限制，一般不能將掃描對象的整體完全記錄下來，在實際應(yīng)用中為了完成對被掃描物體或區(qū)域的完整覆蓋，往往需要在不同位置架設(shè)多個掃描站點(diǎn)；而每一個掃描站點(diǎn)的激光點(diǎn)云均處于彼此獨(dú)立的三維坐標(biāo)系下，無法直接用于后期處理，生成測繪產(chǎn)品，因此需要通過計算機(jī)方法將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云整合到統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系，即三維點(diǎn)云的拼接。點(diǎn)云拼接是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程中的重要步驟，點(diǎn)云拼接的精度直接影響生成的最終產(chǎn)品的質(zhì)量，點(diǎn)云拼接的速度直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的整體效率。
[0004]目前商業(yè)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件(如RiSCAN、Cyclone)所提供的點(diǎn)云拼接方法主要是通過同名點(diǎn)選取，即根據(jù)人工觀察判斷選取出每兩個相鄰站點(diǎn)云的同名點(diǎn)，同時需滿足至少四對同名點(diǎn)和不可共面這兩個條件。激光掃描可快速獲取空間場景的海量信息，但由于激光點(diǎn)是對現(xiàn)實世界的采樣，我們無法控制具體某個激光點(diǎn)落在某個精確的空間位置(如墻角、屋頂邊緣)上，即使對于兩站相鄰激光測站中的同名物體，也無法找到真正的“同名點(diǎn)”，例如在點(diǎn)間距均為5厘米的情況下，某一墻角的坐標(biāo)只能假定為其范圍在2.5厘米內(nèi)的某一激光點(diǎn)坐標(biāo)，而且人工選點(diǎn)的操作方式也很難保證選擇的是最佳點(diǎn)，因此，基于同名點(diǎn)計算出的轉(zhuǎn)換矩陣難免帶有較大誤差，只能通過選擇多對同名點(diǎn)以進(jìn)行最小二乘平差，獲取誤差相對較小的旋轉(zhuǎn)矩陣；此外由于三維點(diǎn)云在計算機(jī)二維屏幕上投影顯示的限制，在兩站三維點(diǎn)云中人工尋找同名點(diǎn)是一項十分繁瑣的過程，往往需要數(shù)分鐘時間才能完成兩站同名點(diǎn)的選取；而在重疊區(qū)域較小或同名點(diǎn)特征不明顯的情況下，人工選取同名點(diǎn)更是十分困難。以上兩點(diǎn)造成點(diǎn)云拼接的精度和效率不能滿足實際生產(chǎn)的需要，“點(diǎn)-點(diǎn)”式的點(diǎn)云拼接過程已成為點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的主要瓶頸之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法上的缺陷，提供一種快速的基于非平行分割片特征的地面激光點(diǎn)云拼接方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案通過對三對互不平行的同名點(diǎn)云分割片的平移和旋轉(zhuǎn)，計算拼接站點(diǎn)云到基準(zhǔn)站點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù),包括以下主要步驟:
A、獲取三對同名分割片；B、同名分割片預(yù)處理；
C、計算旋轉(zhuǎn)參數(shù)；
D、計算平移參數(shù)。
[0007]進(jìn)一步地，步驟A中獲取三對同名分割片細(xì)化為:
Al點(diǎn)云分割，是指根據(jù)點(diǎn)云的空間共面性將點(diǎn)云分組，以形成可供進(jìn)一步信息提取的分割面片，該發(fā)明中使用平面拓展分割法對點(diǎn)云分割；
A2選擇三對同名分割片，用戶在基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中分別選擇三個點(diǎn)云分割片，且對應(yīng)分割片為同名分割片；
進(jìn)一步地，三對同名分割片需要滿足的條件: A21同站中的三個分割片互不平行，即同站中的三個分割片必須交于一點(diǎn)；
A22同站中的三個分割片之間所成角度盡量接近于直角；
A23同站中的三個分割片需要分布在三個互不相同的維度上；
A24兩站中的同名分割片應(yīng)該在其他同名分割片的同側(cè)，如基準(zhǔn)站點(diǎn)云中的分割片Pn在分割片Pt2的右側(cè)，則拼接站點(diǎn)云中分割片Psi也在Ps2的右側(cè)。
[0008]進(jìn)一步地，步驟B中同名分割片預(yù)處理細(xì)化為:
BI擬合平面方程，按照點(diǎn)云分割片的空間共面性，將點(diǎn)云分割片擬合為空間平面方
程;
B2分別對基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中的三個平面求交點(diǎn)Intersection_point_t、Intersection_point_s,將平面平移到各自的交點(diǎn)處。
[0009]進(jìn)一步地，步驟C中計算旋轉(zhuǎn)參數(shù)方法細(xì)化為:
Cl計算第一對平面的交線L1和拼接站點(diǎn)云平面到基準(zhǔn)站點(diǎn)云平面的夾角CI1，將拼接站點(diǎn)云平面以L1為軸旋轉(zhuǎn)α !度，獲得第一對點(diǎn)云平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R1 ；
C2利用R1，更新剩余兩對同名分割片的平面方程，計算第二對平面的交線L2和拼接站點(diǎn)云平面到基準(zhǔn)站點(diǎn)云平面的夾角α2，將拼接站點(diǎn)云平面沿L2旋轉(zhuǎn)％度，獲得第二對點(diǎn)云平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R2;
C3更新第三對同名分割片的平面方程，計算第三對平面的交線L3和拼接站點(diǎn)云平面到基準(zhǔn)站平面的夾角α3，將拼接站點(diǎn)云平面沿L3旋轉(zhuǎn)^3度，獲得第三對點(diǎn)云平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R3 ;
C4最終的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R,為三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)的乘積，即R=R3*R2*Rlt)
[0010]進(jìn)一步地，步驟D中計算方法細(xì)化為:
平移參數(shù)T的值為旋轉(zhuǎn)參數(shù)乘以拼接站平面交點(diǎn)的相反數(shù)，加上基準(zhǔn)站平面的交點(diǎn)，
即 T= -R*Intersection_point_s+ Intersection—point—t。
[0011]本發(fā)明提供了一種基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法。該方法能夠有效地將獨(dú)立掃描的三維激光點(diǎn)云拼接到同一坐標(biāo)系下，可以實現(xiàn)在無法選擇到同名點(diǎn)對的情況下完成拼接，尤其適用于平面特征明顯的數(shù)據(jù)。如目前的主流商業(yè)軟件在進(jìn)行點(diǎn)云拼接時，只能通過人工選擇同名點(diǎn)對的方式進(jìn)行拼接，點(diǎn)云拼接的精度和速度不能滿足生產(chǎn)的需要，直接影響了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的效率，并間接影響了數(shù)字空間產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。而基于本方法的點(diǎn)云拼接，通過選擇同名分割片，可以快速的完成激光點(diǎn)云的拼接，直接提高激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)的效率?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1是基準(zhǔn)站和拼接站同名分割片示意圖；
圖2是同名分割片異側(cè)示意圖；
圖3是同名分割片旋轉(zhuǎn)示意圖；
具體實施方案
[0013]下文將參照附圖對本發(fā)明的具體實施方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明:
A獲取三對同名分割片:
Al點(diǎn)云分割，點(diǎn)云分割的目的在于根據(jù)點(diǎn)云的空間共面性將點(diǎn)云進(jìn)行分組，以形成可供進(jìn)一步信息提取的分割面片，使用平面拓展分割法將基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照點(diǎn)云的空間共面性，分為不同的平面，即給每個點(diǎn)云賦予不同的分割面片號。
[0014]A2用戶在基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中分別選擇三個點(diǎn)云分割片，對應(yīng)分割片為同名分割片，三對同名分割片需要滿足以下幾個條件，為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員參考理解，提供了基準(zhǔn)站和拼接站同名分割片示意圖(參見附圖1);
A21同站中的三個點(diǎn)云分割片之間互不平行，即同站中的三個分割片必須交于一點(diǎn)； A22同站中的三個分割片之間所成角度盡量接近于直角；
A23同站中的三個分割片需要分布在三個互不相同的維度上，為了防止只是在某個或某兩個維度上完成拼接，要求三個點(diǎn)云分割片分布在不同的維度上；
A24兩站中的某對同名分割片應(yīng)該在其他同名分割片的同側(cè)，參見附圖1和附圖2，如基準(zhǔn)站點(diǎn)云中的分割片Pt2在分割片Pt3的右側(cè)，則拼接站點(diǎn)云中分割片Ps2也在Ps3的右側(cè)(附圖1)，而附圖2中，基準(zhǔn)站點(diǎn)云的分割片Pt2在分割片Pt3的右側(cè)，拼接站點(diǎn)云中分割片Ps2在Ps3的左側(cè)，附圖2中三對同名分割片不滿足拼接條件。
[0015]
B同名分割片預(yù)處理:
BI按照點(diǎn)云分割片的空間共面性，對三對同名分割片分別擬合空間平面方程，方程形式如式⑴所示；
A*X + B*Y + C*:Z+D = 0 (I)
B2分別對基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中的三個平面求交點(diǎn)Intersction_point_t、Intersection_point_s,將基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中的平面分別移動到各自的交點(diǎn)處，平移后各個平面的方程形式如式(2)所示。
[0016]A*X + B*Y 十 C*Z=0 (2)
C計算旋轉(zhuǎn)參數(shù):
為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員參考理解，提供了同名分割片旋轉(zhuǎn)示意圖，參見附圖3，
Cl計算第一對平面的交線L1 (式3)和拼接站點(diǎn)云平面到基準(zhǔn)站點(diǎn)云對應(yīng)平面的夾角O1(式4)，將拼接站點(diǎn)云平面沿L1旋轉(zhuǎn)\度，獲得第一對點(diǎn)云平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R1 ;具體計算方法如下:設(shè)基準(zhǔn)站點(diǎn)云第一個面法向量為Pn (PTA1，PTB1, Pra)，拼接站點(diǎn)云對應(yīng)平面的法向量為Psi (PSA1，Psm，Psci)，L1的方向為Psi和Pn的差乘向量,設(shè)為(x，y，z)，Ct1為Psi到Pn的夾角，
【權(quán)利要求】
1.基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:利用基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云三對同名分割片之間的空間關(guān)系，計算拼接站點(diǎn)云到基準(zhǔn)站點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)矩陣，具體包括以下步驟， A利用平面拓展分割算法，對基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云進(jìn)行分割，分別在兩站點(diǎn)云中選取三對同名的點(diǎn)云分割片； B對三對點(diǎn)云分割片分別擬合平面，獲得平面方程，分別計算基準(zhǔn)站三個平面和拼接站三個平面的交點(diǎn)，并將平面移動到各自交點(diǎn)處； C遍歷三對平面，求取每對平面的交線方程(Li)和夾角(D，將拼接站平面繞軸Li旋轉(zhuǎn)a i度，獲取旋轉(zhuǎn)矩陣Ri,更新剩余平面方程，最終旋轉(zhuǎn)矩陣的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R為1*?*? ； D利用旋轉(zhuǎn)參數(shù)R計算平移參數(shù)，平移參數(shù)T為旋轉(zhuǎn)參數(shù)R乘以拼接站點(diǎn)云三個平面交點(diǎn)的相反數(shù)，加上基準(zhǔn)站點(diǎn)云三個平面的交點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟I所述的點(diǎn)云分割方法為平面拓展分割法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟I所述的三個平面需要滿足以下關(guān)系:三個平面互不平行，三個平面之間的夾角盡量為垂直角， 三個平面必須分布在三個不同的維度上，兩站中的同名分割片應(yīng)該在其他同名分割片的同側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟2所示的擬合平面為:根據(jù)點(diǎn)云的空間共面性，將點(diǎn)云分割片擬合為空間平面方程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的交線方程Li為:拼接站點(diǎn)云平面法向量和基準(zhǔn)站點(diǎn)云平面法向量叉乘結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的每對平面的夾角為:拼接站點(diǎn)云平面到基準(zhǔn)站點(diǎn)云對應(yīng)平面的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的旋轉(zhuǎn)參數(shù)Ri為:根據(jù)交線Li和夾角a i計算出來的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的更新平面方程為:根據(jù)計算出來的旋轉(zhuǎn)參數(shù)Ri,將剩余平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的最終的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R為:所有旋轉(zhuǎn)參數(shù)Ri的乘積。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三對非平行點(diǎn)云分割片的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟4所述的平移參數(shù)計算方法為:最終旋轉(zhuǎn)參數(shù)乘以拼接站點(diǎn)云三個平面交點(diǎn)的相反數(shù)，加上基準(zhǔn)站點(diǎn)云三個平面的交點(diǎn)。
【文檔編號】G06T19/00GK103955964SQ201310484671
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】浦石, 趙永屹, 紀(jì)明汝, 杜娜娜 申請人:北京拓維思科技有限公司