結(jié)合面片特征與gps位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及測繪數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法。首先，根據(jù)點(diǎn)云空間共面性，對點(diǎn)云進(jìn)行分割，提取基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云的分割片，人工選定一對豎直同名分割片和一對水平同名分割片；其次，對兩對同名分割片分別進(jìn)行平面擬合，求取三維空間平面方程；再次，利用兩測站掃描中心的GPS位置與同名面之間的關(guān)系獲取旋轉(zhuǎn)矩陣。本方法適用于城市、村落等平面特征明顯的場景，對于角點(diǎn)特征不明顯的點(diǎn)云數(shù)據(jù)同樣有良好的適應(yīng)性，該發(fā)明可降低激光點(diǎn)云拼接過程中同名特征的人工識別與標(biāo)定時間，從而提高激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理整體效率。
【專利說明】結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(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】，尤其涉及結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(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??；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，利用GPS信息，提供一種快速的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案通過利用基準(zhǔn)站和拼接站掃描中心的GPS位置、一對豎直同名分割片、一對水平同名分割片，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)，GPS的作用在于確定兩站的相對位置，一對豎直同名分割片的作用在于獲取豎直方向的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，一對水平同名分割片的作用在于獲取水平方向的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，包括以下主要步驟:
[0007]A、獲取一對豎直同名分割片和一對水平同名分割片；
[0008]B、同名分割片預(yù)處理；
[0009]C、計算旋轉(zhuǎn)參數(shù)；
[0010]D、計算平移參數(shù)。
[0011]進(jìn)一步地，步驟A中獲取一對豎直同名分割片和一對水平同名分割片細(xì)化為:
[0012]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；
[0013]A2選擇一對豎直同名分割片；
[0014]A3選擇一對水平同名分割片。
[0015]進(jìn)一步地，步驟B中同名分割片預(yù)處理細(xì)化為:
[0016]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。
[0017]進(jìn)一步地，步 驟C中計算旋轉(zhuǎn)參數(shù)方法細(xì)化為:
[0018]Cl計算豎直同名面法向量的叉乘向量L1和拼接站豎直平面到基準(zhǔn)站豎直平面的夾角a i，將拼接站點(diǎn)云平面以L1為軸旋轉(zhuǎn)α !度，獲得豎直平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R1 ;
[0019]C2利用R1，更新水平同名分割片的平面方程，計算水平同名面法向量的叉乘向量L2和拼接站水平平面到基準(zhǔn)站水平平面的夾角α 2，將拼接站點(diǎn)云平面沿L2旋轉(zhuǎn)α 2度，獲得第二對點(diǎn)云平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R2 ;
[0020]C3最終的旋轉(zhuǎn)參數(shù)為R2與R1的乘積。
[0021]進(jìn)一步地，步驟D中計算平移參數(shù)方法細(xì)化為:
[0022]Dl計算基準(zhǔn)站中心GPS位置與拼接站中心GPS位置之間的距離，設(shè)為D ；
[0023]D2拼接站的中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下的位置滿足3個條件:
[0024]D21拼接站掃描中心到基準(zhǔn)站掃描中心的距離等于D ；
[0025]D22拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下到基準(zhǔn)站豎直平面的距離等于拼接站中心在拼接站坐標(biāo)系下到拼接站豎直平面的距離，設(shè)為distancel ；
[0026]D23拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下到基準(zhǔn)站水平平面的距離等于拼接站中心在拼接站坐標(biāo)系下到拼接站水平平面的距離，設(shè)為distance〗；
[0027]D3按照D2所述，根據(jù)3個條件，解方程，求解方程組，獲得平移參數(shù)，從而獲得旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0028]本發(fā)明提供了一種結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法。該方法能夠借助于測站中心的GPS位置，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。而基于本發(fā)明的點(diǎn)云拼接，利用站點(diǎn)GPS信息，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】
[0029]圖1是基準(zhǔn)站和拼接站相對位置擺放示意圖；
[0030]圖2是拼接站繞掃描中心旋轉(zhuǎn)后示意圖；
[0031]圖3是拼接站平移到正確位置不意圖；
具體實施方案
[0032]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:
[0033]A獲取一對豎直同名分割片和一對水平同名分割片:
[0034]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員參考理解，提供了基準(zhǔn)站和拼接站相對位置擺放示意圖，參見附圖1
[0035]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。
[0036]A2在基準(zhǔn)站點(diǎn)云和拼接站點(diǎn)云中分別選擇一個豎直分割片和一個水平分割片,對應(yīng)分割片為同名分割片。
[0037]B同名分割片預(yù)處理:
[0038]按照點(diǎn)云分割片的空間共面性，對兩對同名分割片分別擬合空間平面方程，方程形式如式(I)所示；
[0039]A*X+B*Y+C*Z+D = O (1)
[0040]C計算旋轉(zhuǎn)參數(shù):
[0041]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員參考理解，提供了拼接站繞掃描中心旋轉(zhuǎn)后示意圖，參見附圖2，Cl計算豎直同名面法向量的叉乘向量L1和拼接站豎直平面到基準(zhǔn)站豎直平面的夾角Ci1，將拼接站豎直平面以L1S軸旋轉(zhuǎn)\度，獲得豎直平面的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R1;具體計算方法如下:設(shè)基準(zhǔn)站點(diǎn)云豎直面法向量為Pn (ΡΤΑ1，ΡΤΒ1, Ρτα)，拼接站點(diǎn)云對應(yīng)平面的法向量為Psi (Psai? Psbi，Psci)，L1的方向為Psl和Pn的叉乘向量，如式⑵所示，設(shè)為(X，y，z)，Ct1為Psi到Pti的夾角，如式⑶所示，
【權(quán)利要求】
1.結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:利用基準(zhǔn)站與拼接站的測站中心GPS位置和兩對同名面的空間關(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，人工標(biāo)定一對豎直同名分割片和一對水平同名分割片； B對兩對點(diǎn)云分割片分別擬合平面，獲得平面方程； C利用同名面法線方向一致性對拼接站平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，基準(zhǔn)站分割片的平面法向量為Pt,拼接站同名分割片的平面法向量為Ps，將拼接站平面繞軸L旋轉(zhuǎn)夾角α度，其中L為兩平面法向的叉乘向量，α為Pt到Ps的角度，旋轉(zhuǎn)參數(shù)為水平同名面旋轉(zhuǎn)參數(shù)和豎直同名面旋轉(zhuǎn)參數(shù)的乘積； D利用測站中心GPS相對位置和同名面拼接后為同一平面信息，獲得拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下的位置滿足三個條件，從而計算平移參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(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所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟I所述的同名面:一對豎直同名面和一對水平同名面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(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所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的同名面法線方向一致性為:兩站的同名面法線向量的方向一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的旋轉(zhuǎn)軸L:拼接站分割片平面與基準(zhǔn)站同名分割片平面的叉乘向量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟3所述的夾角α:拼接站分割片平面與基準(zhǔn)站同名分割片平面的夾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合面片特征與GPS位置的地面激光點(diǎn)云拼接方法，其特征在于:步驟4所述的拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下的位置滿足三個條件:拼接站中心位置與基準(zhǔn)站中心位置的距離等于兩站中心GPS的距離，拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下到基準(zhǔn)站豎直平面的距離等于拼接站坐標(biāo)系下拼接站中心到拼接站豎直平面的距離，拼接站中心在基準(zhǔn)站坐標(biāo)系下到基準(zhǔn)站水平平面的距離等于拼接站坐標(biāo)系下拼接站中心到拼接站水平平面的距離。
【文檔編號】G06T17/00GK104036506SQ201410252703
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9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