地面三維激光掃描標(biāo)靶中心識別算法研究

蘇曉蓓，郝剛

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008)

地面三維激光掃描標(biāo)靶中心識別算法研究

蘇曉蓓?，郝剛

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221008)

地面三維激光掃描儀是通過掃描標(biāo)靶中心獲得點(diǎn)云的海量散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)，其掃描標(biāo)靶中心識別的精確與否直接影響了DEM和DSM建立的精度和質(zhì)量。通過對已有算法的改進(jìn)和濾波的處理，對大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了很好的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出了提高標(biāo)靶中心識別精度的結(jié)論。

三維激光掃描；標(biāo)靶中心；算法；濾波；點(diǎn)云

地面三維激光掃描技術(shù)是在地面利用激光掃描裝置自動(dòng)、系統(tǒng)、快速、實(shí)時(shí)獲取對象表面的三維坐標(biāo)的測量技術(shù)。它是一種高精度的測量手段，中、長距離的地面激光掃描儀的單點(diǎn)定位精度在±2 mm～±25 mm之間。起初的激光掃描與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量(如全站儀，GPS測量)不同，只能獲取被掃對象表面成千上萬個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，但卻無法對某一指定點(diǎn)進(jìn)行測量并精確獲取其坐標(biāo)。近年來，地面激光掃描使用的特定材料、特定形狀的標(biāo)靶來解決了這一問題。在掃描過程中，掃描儀可以在指定的視場范圍內(nèi)自動(dòng)尋找標(biāo)靶并以極高的點(diǎn)密度(如1.5 mm間隔)進(jìn)行精確掃描處理軟件可以自動(dòng)提取標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)，從而提高了點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度。因此，研究標(biāo)靶中心的識別方法是非常有意義的[1]。

1 平面及球形標(biāo)靶簡介

標(biāo)靶是一種特制的反射物，掃描部分為白色，白色對激光的反射效果好，周圍是特制的藍(lán)色隔膜，它可完全吸收藍(lán)色激光。依據(jù)形狀標(biāo)靶可以分為平面標(biāo)靶和球形標(biāo)靶。

球形標(biāo)靶可以從任何一個(gè)方向掃描而得到中心，故非常適合具有拐角的不規(guī)則物體的內(nèi)部和外部掃描，而且不存在傾角問題，其缺點(diǎn)是無法一次掃描得到其全部表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文主要討論平面標(biāo)靶中心的識別問題。標(biāo)靶中心的自動(dòng)識別已有文獻(xiàn)[2]提出了3種方法(Gordon et al.，2001；Lichti et al.2000)，但它們都是基于平面標(biāo)靶中心是反射強(qiáng)度最大的點(diǎn)這一假設(shè)的，這種思想甚至用于標(biāo)靶的設(shè)計(jì)當(dāng)中，如徠卡掃描儀的標(biāo)靶。實(shí)際情況是激光容易在目標(biāo)中心附近形成多重反射效應(yīng)，反射強(qiáng)度中心的數(shù)據(jù)容易受噪聲污染。

圖1 平面標(biāo)靶的點(diǎn)云

圖2 多重反射效應(yīng)

2 現(xiàn)有方法介紹

(1)簡單平均法(graverg)。若認(rèn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)不受噪聲污染，成均勻分布，則可認(rèn)為標(biāo)靶中心為數(shù)據(jù)的幾何中心。

(2)maxrad法。直接取反射強(qiáng)度最大的點(diǎn)。

(3)maxrad4法。取反射強(qiáng)度最強(qiáng)的4個(gè)點(diǎn)平均。

(4)對(1)式取加權(quán)平均，權(quán)為該點(diǎn)的強(qiáng)度Ij。

(5)fuzzypos法。首先采用模糊聚類的方法將反射分為3類，高反射強(qiáng)度，低反射強(qiáng)度，和反射強(qiáng)度適當(dāng)。對每類求點(diǎn)位平均和強(qiáng)度平均，利用兩個(gè)反射強(qiáng)度最大的類的點(diǎn)位平均求中心。圖3是采用這種方法得到的分類結(jié)果。

(6)gridrad法。首先建立平面標(biāo)靶的表面規(guī)則格網(wǎng)模型(x，y，z)，再建立反射強(qiáng)度規(guī)則格網(wǎng)模型(x，y，i)然后利用兩個(gè)格網(wǎng)的數(shù)據(jù)加權(quán)平均。圖4是采用nearest最鄰近插值建立的強(qiáng)度數(shù)據(jù)的表面模型。

圖3 模糊分類結(jié)果

圖4 最鄰近差值結(jié)果

3 改進(jìn)方法

在實(shí)際掃描過程中由于各種因素的影響，包括溫度，壓力，相對濕度，光照等的變化。激光束在傳播過程中受到霧氣等微粒的散射(瑞利散射)，水汽，CO2或O3的吸收作用，大氣折光和外界光源干涉等等。這樣原本規(guī)則的平面標(biāo)靶被掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并非在一個(gè)平面上。要得到標(biāo)靶中心必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，它包括粗差剔除和強(qiáng)度數(shù)據(jù)濾波，后者主要是對偶然誤差處理。

(1)粗差點(diǎn)剔除:首先擬合出一個(gè)平面，然后求每個(gè)點(diǎn)(xi，yi，zi)到平面的距離。若超出某個(gè)閾值則認(rèn)為是粗差。其具體算法是:

平面方程一般表達(dá)式為:

上面方程兩邊同時(shí)除去d，得到用法向量表示的平面形式:

平面的單位法向量為:

根據(jù)最小二乘原理實(shí)際上要求:

其中:m為觀測個(gè)數(shù)，可得:n＝N－1t

其中n＝[nxnynz]T，且:

擬合誤差:

其中m即為(6)式中的觀測個(gè)數(shù)，S為殘差平方和，即(6)式中左端的值。

求出如下值:

其中m如上所示。

(2)濾波處理

小波變換是一種有效的去除高頻數(shù)據(jù)噪聲的方法。其基本原理是用一族函數(shù)去表示或逼近一信號或函數(shù)，這一族函數(shù)稱為小波函數(shù)系，由一基本小波函數(shù)(母小波)通過平移和伸縮構(gòu)成。其具體算法可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]。

4 實(shí)驗(yàn)介紹

某平面標(biāo)靶(如圖5所示)掃描后點(diǎn)云共有點(diǎn)12 871個(gè)，掃描距離為50 m。圖6為標(biāo)靶點(diǎn)云的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 實(shí)驗(yàn)標(biāo)靶

圖6 標(biāo)靶點(diǎn)云的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(部分)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)δ＝3δd時(shí)，剔除點(diǎn)數(shù)為80個(gè)，當(dāng)δ＝2δd時(shí)，剔除點(diǎn)數(shù)為331個(gè)。濾波前后強(qiáng)度(即受噪聲污染的強(qiáng)度)如圖7、圖8所示。

圖7 受噪聲污染的強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖8 交換后的強(qiáng)度數(shù)據(jù)

幾種標(biāo)靶中心計(jì)算方法 表1

圖9 粗差剔除前后的點(diǎn)云

圖10 幾種方法所求得的標(biāo)靶中心在其點(diǎn)云中的位置

5 結(jié) 論

由于標(biāo)靶點(diǎn)云不可避免存在誤差，應(yīng)首先進(jìn)行誤差處理再求中心。經(jīng)過粗差剔除后，可以去除標(biāo)靶平面邊緣的一些干擾點(diǎn)，和一些明顯遠(yuǎn)離標(biāo)靶平面上的粗差點(diǎn)。為了便于對比顯示，將原始點(diǎn)云用小點(diǎn)形表示，將求得的標(biāo)靶中心用紅色星形表示，通過圖10和表1可以看出graverg法、小波濾波法和粗差剔除法的結(jié)果近似，graverg法雖然簡單但它適合于距離適當(dāng)，分辨率和觀測質(zhì)量較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以，采用后兩種方法。

其中，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意:

(1)在掃描標(biāo)靶前，若是在已知點(diǎn)上應(yīng)嚴(yán)格對中整平，對于平面型的標(biāo)靶，如果標(biāo)靶平面放置時(shí)與掃描方向有一定的傾角，而不是垂直掃描，那么標(biāo)靶識別軟件可能無法找到標(biāo)靶的中心這時(shí)自動(dòng)識別失效。另一方面，隨著掃描距離變遠(yuǎn)，反射信號逐漸變?nèi)?，?dāng)距離大于一定值之后，標(biāo)靶識別軟件也會因?yàn)樾盘柕乃p而無法識別標(biāo)靶[3]。

(2)掃描標(biāo)靶的傾角和距離要適當(dāng)。由以往實(shí)驗(yàn)表明:在掃描傾角50°內(nèi)，使用配套的標(biāo)靶可以獲得良好的精度，在掃描距離170 m內(nèi)使用配套的標(biāo)靶可以獲得良好的精度[4]。

(3)在每個(gè)測站應(yīng)對標(biāo)靶進(jìn)行掃描兩次，即初始一次，遷站前一次，通過比較兩次的中心差別，以檢驗(yàn)是否受到外界干擾。

[1]L.Bornaz，F(xiàn).Rinaudo，Terrestrial Laser Scanner Data Processing.L.Bornaz，F(xiàn).Rinaudo，Politecnico di Torino－Dipartimento di GeorisorseTerritorio.www.isprs.org/congresses/ istanbul2004/comm5/papers/608.pdf.

[2]D.Lichti.Tests on a Three－dimensional Laser Scanning System[D].Snow School of Spatial Sciences Curtin University of Technology GPO Box U1987 Perth，Western Australia，2000. www.cage.curtin.edu.au/geogrp/WordDocs/scancal.pdf.

[3]Born，Max and Wolf，Emil.Principles of Optics:Electromagnetic Theory of Propagation，Interference and Diffraction of Light.5th ed.，Pergamon Press，1975

[4]朱凌.地面三維激光掃描標(biāo)靶研究[J].激光，2008，9 (1):101～106

Research of the Target Center Identifying Method about Terrestrial 3D Laser Scanning

Su XiaoBei，Hao Gang
(College of Environment and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Terrestrial 3D laser scanning can get numerous dispersion data with scanning the center of the target.The Precision of the center of the target influence the precision and quality of the foundation of the DEM and DSM.In this paper，a large sum of data are processed with the improvement to current method and the filtered method，and we get good results.With the upper method，the conclusion about enhancing the identifying precision of the center of the target is proposed.

3D laser scanning；the center of target；method；filtering；Points Cloud

1672－8262(2010)03－68－03

P232

A

2010—01—11

蘇曉蓓(1984—)，女，在讀碩士，主要從事于3S方面的研究工作。

地理信息工程國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目，塌陷區(qū)數(shù)字近景攝影測量的定位精度理論，編號:200818。