本發(fā)明涉及數據配準技術領域，具體而言，涉及一種激光點云配準方法和裝置。

背景技術：

近年來，地面激光雷達掃描已成為獲取建筑物室內模型的一種有效工具，廣泛應用于室內3D場景重現，古跡保護，室內裝潢等。為了獲取建筑物室內場景表面完整的三維點云數據，需要在不同角度進行具有明顯重疊區(qū)域的多站掃描，然而各個掃描測站的數據處于彼此獨立的局部坐標系下，需要進行地面激光點云的配準把各站統一到同一個參考坐標系下，才能進行后期處理?，F有利用人工標靶進行點云配準時，首先需要把標靶均勻布置在室內各個空間，后續(xù)還要收回標靶，花費不少時間，數據采集完成后需提取標靶信息，若提取的標靶個數不夠或者精度不夠，則無法進行配準。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種激光點云配準方法和裝置，以解決上述問題。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種激光點云配準方法，包括：

獲取參考站坐標系中的多個激光點云數據和配準站坐標系中的多個激光點云數據；

利用特定算法分別對所述參考站坐標系和配準站坐標系中的多個激光點云數據進行擬合計算，得到多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面；

在多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面中，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量平行的平面，得到多個參考站頂面和多個配準站頂面，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量不平行的平面，得到多個參考站立面和多個配準站立面；

在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，分別選取第一閾值數目的參考站立面和第一閾值數目配準站立面，在所述多個參考站頂面和多個配準站頂面中，分別選取第二閾值數目的參考站頂面和第二閾值數目的配準站頂面；

根據所述參考站立面和配準站立面、參考站頂面和配準站頂面、以及預定公式，計算求解最優(yōu)坐標轉換模型，所述最優(yōu)坐標轉換模型適于將配準站坐標系轉換為參考站坐標系；

根據最優(yōu)坐標轉換模型和鄰近點迭代算法，在參考站坐標系中對在配準站坐標系下獲取的激光點云數據進行配準。

可選第，在根據本發(fā)明的室內激光點云配準方法，其特征在于，所述預定公式包括平面坐標方程公式和共線方程公式。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準方法中，根據所述選擇的第一閾值數目的參考站立面和第一閾值數目的配準站立面、第二閾值數目的參考站頂面和第二閾值數目的配準站頂面，利用預定公式，計算得到最優(yōu)坐標轉換模型的步驟包括：根據所述參考站立面和頂面以及配準站立面和頂面利用預定公式進行求解，得到模糊坐標轉換模型；驗證模糊坐標轉換模型是否有效；如果模糊坐標轉換模型有效，則確定參考站擬合平面和配準站擬合平面中的多個相似平面對；根據所述預定公式，對所述多個相似平面對進行求解，得到最優(yōu)坐標轉換模型。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準方法中，包括：

在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，利用距離聚類分析方法，得到多個參考站立面對和多個配準站立面對。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準方法中，驗證模糊坐標轉換模型是否有效包括：

分別從參考站立面對和配準站立面對中選取聚類距離相等的多個等距參考站立面對和多個等距配準站立面對；

利用模糊坐標轉換模型將所述選取的多個等距配準站立面對中的數據進行坐標轉換，得到多個模糊等距配準站立面對；

判斷所述多個模糊等距配準站立面對與所述多個等距參考立面對中是否存在至少一對有效聚類平面對；

如果是，則模糊坐標轉換模型有效。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準方法中，根據所述預定公式，對所述多個相似平面對進行求解，得到最優(yōu)坐標轉換模型包括：

利用預定公式對所述多個相似平面對求解得到多個粗配坐標轉換模型；

計算各個粗配坐標模型中有效聚類平面對的數目，選取最大有效聚類平面對數目對應的粗配坐標轉換模型作為最優(yōu)坐標轉換模型。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準方法中，參考站擬合平面的法向量指向參考站坐標系的中心，所述配準站擬合平面的法向量指向配準站坐標系的中心。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種激光點云配準裝置，包括：

激光點數據獲取模塊，適于獲取多個參考站坐標系中的激光點云數據和多個配準站坐標系中的激光點數據；

平面擬合模塊，適于利用特定算法分別對所述參考站坐標系和配準站坐標系中的數據進行擬合計算，得到多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面；

平面判斷模塊，適于在多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面中，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量平行的平面，得到多個參考站頂面和多個配準站頂面，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量不平行的平面，得到多個參考站立面和多個配準站立面；

平面選擇模塊，適于在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，分別選取第一閾值數目的參考站立面和第一閾值數目的配準站立面，在所述多個參考站頂面和多個配準站頂面中，分別選取第二閾值數目的參考站頂面和第二閾值數目的配準站頂面；

模型建立模塊，適于根據所述參考站立面和配準站立面、參考站頂面和配準站頂面以及預定公式，計算求解最優(yōu)坐標轉換模型，所述最優(yōu)坐標轉換模型適于將配準站坐標系轉換為參考站坐標系；

坐標配準模塊，適于根據最優(yōu)坐標轉換模型和鄰近點迭代算法，在參考站坐標系中對在配準站坐標系下獲取的激光點云數據進行配準。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準裝置中，模型建立模塊適于：

根據所述參考站立面和頂面以及配準站立面和頂面利用預定公式進行求解，得到模糊坐標轉換模型；

驗證模糊坐標轉換模型是否有效；

如果模糊坐標轉換模型有效，則確定參考站擬合平面和配準站擬合平面中的多個相似平面對；

根據所述預定公式，對所述多個相似平面對進行求解，得到最優(yōu)坐標轉換模型。

可選地，在根據本發(fā)明的激光點云配準裝置中，模型建立模塊還適于：

在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，利用距離聚類分析方法，得到多個參考站立面對和多個配準站立面對；

分別從參考站立面對和配準站立面對中選取聚類距離相同的多個等距參考站立面對和多個等距配準站立面對；

利用模糊坐標轉換模型將所述選取的多個等距配準站立面對中的數據進行坐標轉換，得到多個模糊等距配準站立面對數據；

判斷所述多個模糊等距配準站立面對與所述多個等距參考立面對是否存在至少一對有效聚類平面對；

如果是，則模糊坐標轉換模型有效。

本發(fā)明的技術方案，通過采用激光點云的面狀特征進行配準，避免了人工設置標靶的過程，提高了作業(yè)效率。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本發(fā)明實施例所提供的一種激光點云配準方法的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明實施例所提供的一種激光點云配準裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

為了獲取建筑物室內的三維點數據，需要在建筑物室內設置多個掃描站點，即在建筑物內選擇合適的掃描位置，每一掃描站點通過三維激光掃描儀進行一次掃描。在選擇掃描站點時，要保證兩兩相鄰站點通視，即兩個站點區(qū)域掃描儀能夠互相掃描觀測到。例如，對于兩室一廳的家庭住宅，為了保證掃描站的通視，一般會設置5-6個掃描站點。

三維激光掃描儀進行多角度掃描后，會得到海量激光點云數據，激光點云數據為矢量點坐標，每一掃描站得到的激光點云數據都是當前坐標系(或坐標系)下的坐標，將上述數據導出到計算設備中，以便將得到的不同坐標系的數據配準到同一坐標系。

本發(fā)明利用掃描站中的任意2站進行自動配準，如果配準成功則作為一個配準對，后續(xù)在所有成功建立配準對的測站集合中，根據各個配準站到全局參考站距離最短原則，確定一個全局參考站，計算出配準站到全局參考站的坐標轉換模型。在具體實施過程中，以兩兩掃描站進行配準為例進行敘述，如，任意選取兩個掃描站A和B，以A作為參考站(坐標系坐標系固定)，B作為配準站，將B站坐標系轉換到A站坐標系坐標系，此處選擇參考站和配準站時，要保證所述兩個掃描站的掃描重疊率在40％以上，以下進行詳細敘述。

如圖1所示，本實施例提供了一種激光點云配準方法的流程圖，包括如下步驟：

S102、獲取參考站坐標系中的多個激光點云數據和配準站坐標系中的多個激光點云數據。其中，激光點云數據一般是矢量點，例如，(x₁、y₁、z₁)、(x₂、y₂、z₂)等形式的坐標。

S103、利用特定算法分別對所述參考站坐標系和配準站坐標系中的多個激光點云數據進行擬合計算，得到多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面。

以參考站激光點云數據為例進行說明，在進行平面擬合時，一般利用最小二乘法進行擬合，會得到該參考站的多個參考站擬合平面，對上述得到的擬合平面進行歸一化處理，目的使得最終得到的擬合平面的法向量最終指向掃描儀的中心。同理，配準站采用同樣的方式可以得到多個配準站擬合平面。不過此處應當理解，在進行平面擬合時，使用的方法不限于最小二乘法，所有可以實現平面擬合的方法都在本發(fā)明的保護范圍內。

S104、在多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面中，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量平行的平面，得到多個參考站頂面和多個配準站頂面，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量不平行的平面，得到多個參考站立面和多個配準站立面。

根據一個實施例，以參考站為例進行說明，在得到的多個參考站擬合平面中，選取上述平面法向量與如向量n(0，0，1)平行的平面作為頂面，而其他與向量n(0，0，1)不平行的平面作為立面。此處所述的立面包括與頂面垂直的平面，也包括與頂面夾角小于90°的斜面。配準站頂面和立面的選擇采用同樣的方法進行，不再進行過多敘述。

S105、在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，分別選擇第一閾值數目的參考站立面和配準站立面，在所述多個參考站頂面和多個配準站頂面中，分別選擇第二閾值數目的參考站頂面和配準站頂面。其中，第一閾值數目可以為2，第二閾值數目可以為1。

根據一個實施例，利用窮舉法從參考站立面中任意抽取兩個立面RefP1、RefP2，此處要保證RefP1和RefP2不能平行，任意抽取一個頂面RefP3。同理，從配準站中抽取兩個立面RegP1、RegP2，RegP1和RegP2不能平行，一個頂面RegP3，假設所述抽取的平面是在不同坐標系下的同一平面。

S106、根據所述選擇的第一閾值數目的參考站立面和配準站立面、第二閾值數目的參考站頂面和配準站頂面，利用預定公式，計算求解最優(yōu)坐標轉換模型，所述最優(yōu)坐標轉換模型適于將配準站坐標系轉換為參考站坐標系。其中，預定公式包括平面坐標方程公式和共線方程公式。

根據一種實施方式，根據上述選擇的參考站和配準站的立面和頂面的平面坐標方程公式，列出共線方程公式，進行求解，得到將配準站坐標系轉換為參考站坐標系的模糊坐標轉換模型。此處應當理解，本發(fā)明不限于共線方程公式和平面坐標方程公式，所有可以求解得到模糊坐標轉換模型的公式和算法都在本發(fā)明的保護范圍內。

由于上述模糊坐標轉換模型是假設任意抽取參考站的平面和配準站的平面為同一平面而建立，可能存在抽取的平面未必為同一平面，因此，需進一步驗證所述模糊坐標轉換模型的有效性。

在驗證所述模糊坐標轉換模型是否有效時，首先通過例如距離聚類分析方法對多個參考站立面和多個配準站立面進行處理，得到多個參考站立面對和多個配準站立面對。其中，參考站立面和配準站立面對中的立面為平行立面。

利用窮舉法分別從參考站立面對和配準站立面對中選取聚類距離相等的多個等距參考站立面對和多個等距配準站立面對，如參考站立面對RefPs＝{RefPs1，RefPs2}和配準站立面對為RegPs＝{RegPs1，RegPs2}。利用模糊坐標轉換模型將選取的多個等距配準站立面對中的數據進行坐標轉換，得到多個模糊等距配準站立面對數據，如RegPsN＝(RegPsN1，RegPsN2)。判斷所述多個模糊等距配準站立面對與所述多個等距參考立面對中是否存在至少一對有效聚類平面對，即RefPs和RegPsN為同一個平面。如果是，則證明模糊坐標轉換模型有效，否則，執(zhí)行步驟S105.

利用模糊坐標轉換模型將配準站擬合平面(不包括有效聚類平面對和步驟S105中隨意選取的平面)中的數據進行坐標轉換，并與參考站擬合平面進行比對得到多個相似平面對。

進一步，利用平面坐標方程公式和共線方程公式對所述多個相似平面對求解得到多個粗配坐標轉換模型。其中，計算每一個粗配坐標轉化模型中的有效聚類平面對的數目，選取有效聚類平面對數目最大的粗配坐標轉換模型作為最優(yōu)坐標轉換模型。如果出現相同的有效聚類平面對數目，則根據求解共線方程公式時計算的殘差最小原則確定最優(yōu)坐標轉換模型。

S107、根據最優(yōu)坐標轉換模型和鄰近點迭代算法，在參考站坐標系中對在配準站坐標系下獲取的激光點云激光點云云數據進行配準。

在得到最優(yōu)坐標轉換模型后，首先在參考站坐標系中對配準站激光點云數據進行配準，得到配準后的數據，進一步，利用鄰近點迭代算法對配準后的數據在參考站坐標系中進行配準，得到精確配準的數據。不過應當理解，本發(fā)明不限于鄰近點迭代算法對數據進行精確配準，所有可以實現對數據進行精確配準的算法都在本發(fā)明的保護范圍內。根據本發(fā)明的技術方案，通過采用激光點云的面狀特征進行配準，避免了人工設置標靶的過程，提高了作業(yè)效率。另外，利用掃描站中的任意2站進行自動配準，如果配準成功則作為一個配準對，后續(xù)在所有成功建立配準對的測站集合中，根據配準站到全局參考站距離最短原則，確定一個全局參考站，計算出配準站到全局參考站的變換模型，完成多測站自動化配準過程，簡單易用。

如圖2所示，本實施例中提供了一種基于激光點云配準裝置200，包括：激光點云數據獲取模塊210、平面擬合模塊220、平面判斷模塊230、平面選擇模塊240、模型建立模塊250和坐標配準模塊260。

激光點數據獲取模塊210用于獲取多個參考站坐標系中的激光點云數據和多個配準站坐標系中的激光點云數據。

平面擬合模塊220用于利用特定算法分別對所述參考站坐標系和配準站坐標系中的數據進行擬合計算，得到多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面。其中，參考站擬合平面的法向量指向參考站坐標系的中心，配準站擬合平面的法向量指向配準站坐標系的中心

平面判斷模塊230用于在多個參考站擬合平面和多個配準站擬合平面中，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量平行的平面，得到多個參考站頂面和多個配準站頂面，分別選取所述擬合平面法向量與預定向量不平行的平面，得到多個參考站立面和多個配準站立面。

平面選擇模塊240用于在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，

分別選擇第一閾值數目的參考站立面和配準站立面，在所述多個參考站頂面和多個配準站頂面中，分別選擇第二閾值數目的參考站頂面和配準站頂面。

模型建立模塊250用于根據所述選擇的第一閾值數目的參考站立面和配準站立面、第二閾值數目的參考站頂面和配準站頂面，利用預定公式，計算求解最優(yōu)坐標轉換模型，所述最優(yōu)坐標轉換模型適于將配準站坐標系轉換為參考站坐標系。利用預定公式對所述立面和頂面進行求解，得到模糊坐標轉換模型。其中，預定公式包括平面坐標方程公式和共線方程公式。驗證模糊坐標轉換模型是否有效。如果模糊坐標轉換模型有效，則確定參考站擬合平面和配準站擬合平面中的多個相似平面對。根據所述預定公式，對所述多個相似平面對進行求解，得到最優(yōu)坐標轉換模型。

模型建立模塊250在驗證模糊參考模型是否有效時，在所述多個參考站立面和多個配準站立面中，利用距離聚類分析方法，得到多個參考站立面對和多個配準站立面對。分別從參考站立面對和配準站立面對中選取聚類距離相同的多個等距參考站立面對和多個等距配準站立面對。利用模糊坐標轉換模型將所述選取的多個等距配準站立面對中的數據進行坐標轉換，得到多個模糊等距配準站立面對。判斷所述多個模糊等距配準站立面對與所述多個等距參考立面對是否存在至少一對有效聚類平面對。如果是，則模糊坐標轉換模型有效。

模型建立模塊250在確定最優(yōu)坐標轉換模型時，利用預定公式對所述多個相似平面對求解得到多個粗配坐標轉換模型。計算各個粗配坐標模型中有效聚類平面對的數目，選取最大有效聚類平面對數目對應的粗配坐標轉換模型作為最優(yōu)坐標轉換模型。計算過程已在方法步驟中進行詳細敘述，此處不做過多敘述。

坐標配準模塊260用于根據最優(yōu)坐標轉換模型和鄰近點迭代算法，在參考站坐標系中對在配準站坐標系下獲取的激光點云數據進行配準。具體為：在參考站坐標系中對配準站激光點云數據進行配準，得到配準后的數據，進一步，利用鄰近點迭代算法對配準后的數據在參考站坐標系中進行配準，得到精確配準的數據。

本發(fā)明實施例所提供的激光點云配準裝置可以為設備上的特定硬件或者安裝于設備上的軟件或固件等。本發(fā)明實施例所提供的裝置，其實現原理及產生的技術效果和前述方法實施例相同，為簡要描述，裝置實施例部分未提及之處，可參考前述方法實施例中相應內容。所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，前述描述的系統、裝置和單元的具體工作過程，均可以參考上述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

在本發(fā)明所提供的實施例中，應該理解到，所揭露裝置和方法，可以通過其它的方式實現。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，又例如，多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些通信接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上?？梢愿鶕嶋H的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明提供的實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。

所述功能如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋，此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

最后應說明的是：以上所述實施例，僅為本發(fā)明的具體實施方式，用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明實施例技術方案的精神和范圍。都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。