地面三维激光扫描数据配准方法

作者:陈良良;隋立春;蒋涛;薛勇;黄维臣 刊名:测绘通报 上传者:许云霞

【摘要】三维激光扫描技术的快速发展使得其数据处理技术变得愈发重要,扫描数据配准作为数据处理的关键一步,其精度对后续的物体表面建模等工作起着很大的影响。本文通过对地面三维激光扫描数据配准的各种方法进行分析比较,得到比较好的数据配准方法,以期为实际工作提供借鉴。

全文阅读

一、引言地面三维激光扫描技术作为近年来逐渐发展起来的一项新技术,以其所具有的快速、非接触、高密度、高精度等独特优势[1-2],在城市三维建模、复杂工业设备测量、建筑与文物保护、地形测量、变形测量等领域都得到了较好的应用。在实际测量中,所扫描的物体都具有三维空间特征,而由于光的直线传播特性及遮挡物的存在,要获得待扫描物体完整的表面特征,需要扫描仪能够进行多站位多视角扫描,获取待扫描物体的分站点云数据,然后将分站扫描数据进行拼接,从而得到待扫描物体的整体三维点云信息,为后续物体表面三维建模等提供数据基础。二、地面三维激光扫描原理三维激光扫描仪根据测距原理的不同可分为脉冲式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。目前使用较多的是脉冲式扫描仪,其扫描的原理是根据测量激光束从发射到返回所用的时间得到距离观测值S,由精密时钟控制编码器保证激光扫描仪能同步测量出横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值[3]。激光扫描系统一般使用的是仪器自定义的坐标系:X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直,如图1所示。则可得目标物表面激光角点的坐标公式为X=ScoscosY=ScossinZ=Ssin}(1)由于扫描仪在测量时每一站都有仪器自定义的坐标系,点云的配准实质上就是进行坐标系的旋转和平移,使得位于不同坐标系中的点云统一到同一个坐标系中,即要使第i站扫描的点云坐标(Xi,Yi,Zi)经过旋转和平移转换为统一坐标系中的坐标(XC,YC,ZC)。图1XCYCZC?=a1a2a3b1b2b3c1c2c3?XiYiZi?+X0Y0Z0?(2)式中,a1a2a3b1b2b3c1c2c3?为由方向余弦组成的旋转矩阵;X0Y0Z0?为平移矢量。上式是一个非线性方程,至少需要3个公共点方可求得式中的6个参数,从而完成坐标系的转换。三、地面三维激光扫描数据配准由式(2)可知,要实现两个坐标系的统一,即完成扫描数据的配准,关键是要找出两分站之间的公共点。扫描数据的配准就是把不同视点的数据统一到一个坐标系下面,使之成为一个整体[4]。扫描数据的配准方法依据不同的分类标准有不同的分类方法[5],其中根据配准时所采用的基元可以将点云数据的配准分为两大类:依据特征的配准和无特征的配准。1.依据特征的配准依据特征的配准是指找出待配准的点云中的一些明显的特征点,利用这些同名特征点解算点云配准参数。依据特征的配准根据所采用的特征不同,又可分为几种不同的配准方法。(1)标靶配准该方法是利用一些特制的标靶作为同名特征点进行配准,特制的标靶主要有球标靶和平面标靶。扫描时,可以将这些标靶放置在扫描区域的适当位置,同时保证相邻扫描站都能扫描到3个以上的公共标靶,采用适当的扫描密度,对关注的物体进行扫描。内业数据处理时,将分站点云导入扫描仪配套的软件中,采用人机交互的方式,由软件自动提取单站中标靶的中心位置(作为特征点),然后由操作者对其进行命名,保证相同的特征点具有相同的名字。然后自动解算配准参数,对点云数据进行配准。图2是四、五两单站的数据,图3是利用Cyclone软件采用标靶拼接得到的某寺庙第四、五两站点云配准图。图2四、五两单站点云数据图3四、五两站点云配准图经实践证明采用标靶中心点作为特征点进行配准,其精度是较高的,单点误差可达到1mm,可见当进行高精度的点云配准时,标靶法是比较理想的方法。(2)无标靶的特征配准这种配准方法与标靶配准的原理是一样的,但是在扫描区域内不放置标靶。内业进行数据的配准时,人工选取两分站中公共区域的特征点进行命名,这些点最好能选择一些易于识别且具有良

参考文献

引证文献

问答

我要提问