專利名稱：一種高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種配準(zhǔn)方法，尤其涉及一種應(yīng)用于大型場(chǎng)景的多站式地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
近些年來，地面激光掃描技術(shù)在大型工程中的應(yīng)用增多，如大型古建記錄及現(xiàn)代建筑的監(jiān)測(cè)及施工檢測(cè)、隧道開挖變形監(jiān)測(cè)等，這些大體量目標(biāo)的測(cè)量中，需要多個(gè)視角的掃描數(shù)據(jù)來完成整體數(shù)據(jù)采集，最后通過配準(zhǔn)來完成整體對(duì)象點(diǎn)云模型的構(gòu)建。激光點(diǎn)云本身的測(cè)量精度一般能夠滿足實(shí)際測(cè)量需求，然而多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)中配準(zhǔn)約束存在誤差，加上各站配準(zhǔn)時(shí)候引起的累積誤差及約束誤差的不確定性，往往導(dǎo)致最后構(gòu)建的整體點(diǎn)云模型存在較大誤差?，F(xiàn)有技術(shù)中，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)主要有兩類方法一是利用三維點(diǎn)集的重合性，在重疊區(qū)域?qū)ふ彝c(diǎn)并通過反復(fù)迭代最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。此類方法在確保匹配精度的同時(shí)，降低了配準(zhǔn)效率，總體來說，這類方法比較適合兩兩站點(diǎn)之間的配準(zhǔn)。還有一種方法即是直接通過對(duì)象的特征約束來進(jìn)行配準(zhǔn)，通過直接布設(shè)控制點(diǎn)與掃描模型綁定或是通過對(duì)象中的特征直接求解轉(zhuǎn)換參數(shù)來實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)變換與統(tǒng)一。這類方法雖然在實(shí)際配準(zhǔn)數(shù)據(jù)中靈活多變且計(jì)算速度快，特別是對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，當(dāng)掃描點(diǎn)云差異大，或是點(diǎn)云重疊度不夠時(shí)候，基于特征配準(zhǔn)往往能夠發(fā)揮作用；但是在處理過程中將所有參與配準(zhǔn)的約束作為等權(quán)來平差對(duì)待，而約束本身存在各種誤差因素，導(dǎo)致配準(zhǔn)結(jié)果不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，需要采用一定方法消除或削弱粗差，保證穩(wěn)定的配準(zhǔn)結(jié)果。另外，還有將上述兩種方法相結(jié)合的方法，即先用特征配準(zhǔn)方法快速確定好點(diǎn)云的初始對(duì)應(yīng)位置，即為“粗配準(zhǔn)”，然后在粗配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確配準(zhǔn)。這類算法結(jié)合的兩者的長(zhǎng)處，往往既能保證配準(zhǔn)的效率，又能實(shí)現(xiàn)了精確配準(zhǔn)。此外，還有根據(jù)測(cè)點(diǎn)及其鄰域點(diǎn)估算出的點(diǎn)的曲面法矢并計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲率， 最后根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲率來識(shí)別匹配的點(diǎn)對(duì)，采用幾何哈希方法找出使得最多數(shù)量的點(diǎn)對(duì)法矢一致的變換，運(yùn)用該變換將散亂點(diǎn)云作粗配準(zhǔn)，算法不需要人工交互，自動(dòng)化程度高， 但是相對(duì)耗時(shí)，有時(shí)候測(cè)點(diǎn)曲率變化較小時(shí)候不易匹配。以及基于實(shí)數(shù)編碼的多種群遺傳算法的配準(zhǔn)方法，可有效地提高全局搜索能力， 從而快速獲得較好的粗配準(zhǔn)結(jié)果，但算法實(shí)用性不強(qiáng)。再者，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間曲率的相似度函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法在兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)中搜索可以匹配的點(diǎn)對(duì)集合，然后用最近點(diǎn)迭代算法進(jìn)行二次配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了兩組散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)。綜上所述可以看出，目前的配準(zhǔn)方法主流是針對(duì)逐個(gè)點(diǎn)集配準(zhǔn)的方法，雖有少數(shù)提出了針對(duì)多站點(diǎn)云配準(zhǔn)的平差模型，但是未作深入研究，其結(jié)果也差強(qiáng)人意。由于大型復(fù)雜場(chǎng)景掃描點(diǎn)云情況復(fù)雜，因此往往需要多樣化的配準(zhǔn)手段相結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的弊端，提供一種高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法。本發(fā)明所述高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，包括如下步驟步驟一，采集原始特征約束，輸入控制點(diǎn)，將控制點(diǎn)作為第一地面激光站點(diǎn)；步驟二，在所有與第一地面激光站點(diǎn)相鄰的地面激光站點(diǎn)中，選取與原始特征約束相對(duì)應(yīng)的同名特征約束；步驟三，預(yù)設(shè)第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，計(jì)算所有相鄰的地面激光站點(diǎn)中的同名特征約束數(shù)量是否達(dá)到能夠與所述第一地面激光站點(diǎn)配準(zhǔn)的程度，如果均能達(dá)到，則確定第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，如果不能達(dá)到，則尋找特征約束最多的站，作為配準(zhǔn)基站，所有站點(diǎn)配準(zhǔn)統(tǒng)一到以控制為基礎(chǔ)的坐標(biāo)系下；步驟四，對(duì)每一地面激光站點(diǎn)的特征約束列立誤差方程，并求解配準(zhǔn)參數(shù)初值；步驟五，對(duì)配準(zhǔn)參數(shù)初值進(jìn)行整體參數(shù)平差，并進(jìn)行粗差剔除，直到相鄰兩次計(jì)算出的參數(shù)改正數(shù)變化小于閾值，輸出配準(zhǔn)參數(shù)精確值；步驟六、根據(jù)配準(zhǔn)參數(shù)精確值轉(zhuǎn)換所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云的坐標(biāo)系，以配準(zhǔn)所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云。優(yōu)選的是，所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法中，所述特征約束中包括點(diǎn)特征約束、線特征約束和面特征約束三類。優(yōu)選的是，所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法中，地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云之間的最少特征約束組合為一個(gè)點(diǎn)約束特征和一個(gè)線特征約束、一個(gè)點(diǎn)特征約束和兩個(gè)面特征約束、或一個(gè)面特征約束和一個(gè)線特征約束。優(yōu)選的是，所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法中，在所述步驟四中， 首先列立點(diǎn)特征約束誤差方程、線特征約束誤差方程和面特征約束誤差方程，再將三種特征約束進(jìn)行聯(lián)合配準(zhǔn)，得到統(tǒng)一的配準(zhǔn)參數(shù)誤差方程，最終求出配準(zhǔn)參數(shù)初值。優(yōu)選的是，所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法中，在所述步驟五中， 閾值為0. 0001。本發(fā)明所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法中，以間接平差原理為理論基礎(chǔ)，在配準(zhǔn)中即將所有特征約束作為觀測(cè)值，將每一幅點(diǎn)云的空間轉(zhuǎn)換參數(shù)以及部分未知約束作為待定參數(shù)進(jìn)行整體的間接平差，求解待定空間變換參數(shù)和未知控制點(diǎn)平差值后，利用求解的空間轉(zhuǎn)換參數(shù)直接對(duì)各原始的點(diǎn)云進(jìn)行空間變換就可以實(shí)現(xiàn)整體配準(zhǔn)。


圖1為地面激光站點(diǎn)中同名特征約束之間的關(guān)系示例圖；圖2為本發(fā)明所述高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。如圖1所示，本發(fā)明所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，包括如下步驟步驟一采集原始特征約束，輸入控制點(diǎn)，將輸入控制點(diǎn)作為第一地面激光站點(diǎn)；步驟二，在所有與第一地面激光站點(diǎn)相鄰的地面激光站點(diǎn)中，選取與原始特征約束相對(duì)應(yīng)的同名特征約束；步驟三，預(yù)設(shè)第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，計(jì)算所有相鄰的地面激光站點(diǎn)中的同名特征約束數(shù)量是否達(dá)到能夠與所述第一地面激光站點(diǎn)配準(zhǔn)的程度，如果均能達(dá)到，則確定第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，如果不能達(dá)到，則尋找特征約束最多的站，作為配準(zhǔn)基站，所有站點(diǎn)配準(zhǔn)統(tǒng)一到以控制為基礎(chǔ)的坐標(biāo)系下；這個(gè)坐標(biāo)系是預(yù)設(shè)好的。步驟四，對(duì)每一地面激光站點(diǎn)的特征約束列立誤差方程，并求解配準(zhǔn)參數(shù)初值；步驟五，對(duì)配準(zhǔn)參數(shù)初值進(jìn)行整體參數(shù)平差，并進(jìn)行粗差剔除，直到相鄰兩次計(jì)算出的參數(shù)改正數(shù)變化小于閾值，輸出配準(zhǔn)參數(shù)精確值；步驟六、根據(jù)配準(zhǔn)參數(shù)精確值轉(zhuǎn)換所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云的坐標(biāo)系，以配準(zhǔn)所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云。其中，所述待配準(zhǔn)的點(diǎn)云中的同名點(diǎn)對(duì)\ = (x0, y0, z0), X = (χ, y，ζ)存在如下關(guān)系:)(0-(XRX+AX) = 0本實(shí)施例中采用羅德里格矩陣運(yùn)算，將六參數(shù)求解分化為求解旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)兩步，設(shè)兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的重心坐標(biāo)別為=Xtlm, Xm(坐標(biāo)均值)，重心化坐標(biāo)為足,叉，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換滿足如下關(guān)系X0^RX = O得到線性化方程如下
權(quán)利要求
1.一種高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一采集原始特征約束，輸入控制點(diǎn)，將控制點(diǎn)作為第一地面激光站點(diǎn)；步驟二，在所有與第一地面激光站點(diǎn)相鄰的地面激光站點(diǎn)中，選取與原始特征約束相對(duì)應(yīng)的同名特征約束；步驟三，預(yù)設(shè)第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，計(jì)算所有相鄰的地面激光站點(diǎn)中的同名特征約束數(shù)量是否達(dá)到能夠與所述第一地面激光站點(diǎn)配準(zhǔn)的程度，如果均能達(dá)到，則確定第一地面激光站點(diǎn)為配準(zhǔn)基站，如果不能達(dá)到，則尋找特征約束最多的站，作為配準(zhǔn)基站； 所有站點(diǎn)配準(zhǔn)統(tǒng)一到以控制為基礎(chǔ)的坐標(biāo)系下。步驟四，對(duì)每一地面激光站點(diǎn)的特征約束列立誤差方程，并求解配準(zhǔn)參數(shù)初值； 步驟五，對(duì)配準(zhǔn)參數(shù)初值進(jìn)行整體參數(shù)平差，并進(jìn)行粗差剔除，直到相鄰兩次計(jì)算出的參數(shù)改正數(shù)變化小于閾值，輸出配準(zhǔn)參數(shù)精確值；步驟六、根據(jù)配準(zhǔn)參數(shù)精確值轉(zhuǎn)換所有地面一激光站點(diǎn)點(diǎn)云的坐標(biāo)系，以配準(zhǔn)所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述特征約束中包括點(diǎn)特征約束、線特征約束和面特征約束三類。
3.如權(quán)利要求2所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，其特征在于，地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云之間的最少特征約束組合為一個(gè)點(diǎn)約束特征和一個(gè)線特征約束、一個(gè)點(diǎn)特征約束和兩個(gè)面特征約束、或一個(gè)面特征約束和一個(gè)線特征約束。
4.如權(quán)利要求2所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，其特征在于，在所述步驟四中，首先列立點(diǎn)特征約束誤差方程、線特征約束誤差方程和面特征約束誤差方程， 再將三種特征約束進(jìn)行聯(lián)合配準(zhǔn)，得到統(tǒng)一的配準(zhǔn)參數(shù)誤差方程，最終求出配準(zhǔn)參數(shù)初值。
5.如權(quán)利要求2所述的高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，其特征在于，在所述步驟五中，約束修正閾值為0. 0001。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度多源地面激光點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)方法，包括如下步驟采集原始特征約束，輸入控制點(diǎn)，再將控制點(diǎn)作為第一地面激光站點(diǎn)；在所有與第一地面激光站點(diǎn)相鄰的地面激光站點(diǎn)中，選取與原始特征約束相對(duì)應(yīng)的同名特征約束；確定配準(zhǔn)基站；對(duì)每一地面激光站點(diǎn)的特征約束列立誤差方程，并求解控制坐標(biāo)下各掃描站點(diǎn)的配準(zhǔn)參數(shù)初值；對(duì)配準(zhǔn)參數(shù)初值進(jìn)行整體平差，并進(jìn)行粗差剔除，直到相鄰兩次計(jì)算出的參數(shù)改正數(shù)變化小于閾值，輸出配準(zhǔn)參數(shù)精確值；根據(jù)配準(zhǔn)參數(shù)精確值轉(zhuǎn)換所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云的坐標(biāo)系，以配準(zhǔn)所有地面激光站點(diǎn)點(diǎn)云。通過本發(fā)明的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景下多站地面激光點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102446354SQ20111025008
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者王國(guó)利, 王晏民, 胡春梅, 郭明 申請(qǐng)人:北京建筑工程學(xué)院