地面三維激光掃描配準(zhǔn)技術(shù)綜述

劉忠喜 陳 凱

(1.福州消防支隊(duì)特勤三中隊(duì)，福建福州 350000;2.福建省福州市公安消防支隊(duì)，福建福州 350000)

1 概述

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它的出現(xiàn)是測(cè)量領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，并且已經(jīng)成為獲取空間信息數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段[1]。

三維激光掃描技術(shù)，可以精確、方便、快捷的獲取物體表面的點(diǎn)數(shù)據(jù)。在各種大型的、大面積的、復(fù)雜的實(shí)體測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)可以快速、精確地將實(shí)體表面的點(diǎn)掃描到掃描儀中，并將這些三維數(shù)據(jù)完整的存儲(chǔ)到電腦中，繼而再經(jīng)過(guò)去噪、配準(zhǔn)、重采樣、特征提取、三維重構(gòu)等操作，完成掃描實(shí)物的虛擬影像。

具備上述諸多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在城市三維建模、文物保護(hù)、逆向工程、地形測(cè)量、建筑物變形監(jiān)測(cè)、竣工測(cè)量等諸多領(lǐng)域具有很好的潛在應(yīng)用價(jià)值。

隨著相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是激光掃描數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)完善，該技術(shù)在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)將很有可能像全站儀和GPS一樣在測(cè)繪領(lǐng)域不可或缺。

目前地面激光三維掃描儀在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)和規(guī)模，生產(chǎn)儀器的廠家也越來(lái)越多，儀器軟硬件性能也不斷的更新。如美國(guó)Trimble公司生產(chǎn)的 GS200、奧地利Riegl生產(chǎn)的LMS系列、加拿大Optech公司生產(chǎn)的ILRIS-3D、瑞士Leica公司的HDS系列、Station Scan以及美國(guó)Faro公司的Faro系列等等。這些掃描儀的出現(xiàn)，滿(mǎn)足了目前對(duì)于不同距離和不同精度掃描的需要。

2 地面三維激光掃描儀技術(shù)原理

2.1 地面三維激光掃描儀組成

地面三維激光掃描儀是一種集多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器。它采用非接觸式高速激光測(cè)量的方式，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的三維坐標(biāo)、色彩信息和反射強(qiáng)度信息[2]。地面三維掃描儀掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果是由一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn)組成的，因而被稱(chēng)之為“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”。

地面三維激光掃描儀系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是掃描儀、控制器(計(jì)算機(jī))和電源供應(yīng)系統(tǒng)，如圖1所示。

激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成了CCD和儀器內(nèi)部控制和校正等系統(tǒng)。在儀器內(nèi)，通過(guò)一個(gè)測(cè)量水平角的反射鏡和一個(gè)測(cè)量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃描過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)距模塊測(cè)量和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的水平角和天頂距，最后按空間極坐標(biāo)原理計(jì)算出掃描的激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)。

圖1 地面三維激光掃描示意圖

2.2 地面三維激光掃描儀工作原理

地面三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2):X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)并且與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。由圖2中邊角關(guān)系可以得到掃描點(diǎn)的坐標(biāo)公式[3]:

圖2 地面三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，最終以點(diǎn)的三維坐標(biāo)和附加信息的形式輸出。每個(gè)點(diǎn)的信息包括:點(diǎn)的三維坐標(biāo)即(x，y，z)，點(diǎn)云的顏色信息即(R，G，B)，有些還有亮度等信息。

2.3 當(dāng)前幾種主流的地面三維掃描儀

目前市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的儀器，盡管生產(chǎn)廠家及型號(hào)不同，但是儀器的基本組成部分及實(shí)現(xiàn)功能相似。下面是目前部分地面三維激光掃描儀及其主要的技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表1。

3 地面三維激光掃描配準(zhǔn)技術(shù)

從三維激光掃描技術(shù)興起以來(lái)，在點(diǎn)云配準(zhǔn)方面逐漸積累了大量的研究工作，目前點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法概括起來(lái)可以為以下三種:

第一種方法使用固定球等標(biāo)靶進(jìn)行公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換，根據(jù)前后兩個(gè)視角觀測(cè)的三個(gè)或者三個(gè)以上的不共線的公共點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)。第二種方法是無(wú)合作目標(biāo)配準(zhǔn)，該理論以Besl和McKay提出的最近迭代算法(ICP算法)為基礎(chǔ)。第三種方法是測(cè)量設(shè)備絕對(duì)定位使用外部測(cè)量?jī)x器獲得激光掃描儀在一個(gè)統(tǒng)一的外部坐標(biāo)系下的中心坐標(biāo)和軸向，直接給出不同測(cè)站間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

表1 部分地面三維激光掃描儀及其主要的技術(shù)參數(shù)

這三種方法都有各自的適用范圍，筆者認(rèn)為第一種方法適合掃描對(duì)象較小時(shí)，可以方便的對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行建模，而保持比較高的相對(duì)配準(zhǔn)精度，但是在大范圍內(nèi)作業(yè)則會(huì)累積拼接誤差，造成最終精度不理想。第二種方法多用在點(diǎn)云的二次配準(zhǔn)中，適應(yīng)精度要求較高的掃描任務(wù)，但是存在容易誤配導(dǎo)致最終配準(zhǔn)精度，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大的情況下計(jì)算量十分巨大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求也較高。第三種方法應(yīng)用在大型掃描對(duì)象的掃描作業(yè)中，該方法可以消除點(diǎn)云配準(zhǔn)的積累誤差的影響，同濟(jì)大學(xué)程效軍教授課題組對(duì)此種方法進(jìn)行了深入研究，并摸索出一套切實(shí)可行的作業(yè)方法[4-6]。

在無(wú)合作目標(biāo)配準(zhǔn)理論方面，1992年Besl和McKay提出了經(jīng)典的ICP(Iterative Closest Point)算法，它以四元數(shù)配準(zhǔn)算法為基礎(chǔ)，運(yùn)用Faugera和Hebert提出的方法計(jì)算新的最近點(diǎn)集，通過(guò)迭代計(jì)算，直到殘差平方和所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值不變[7]。該算法奠定了無(wú)合作目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)的ICP算法有兩點(diǎn)不足:

1)配準(zhǔn)點(diǎn)集中的一個(gè)必須是另一個(gè)的子集;

2)使用一個(gè)點(diǎn)集的所有點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)搜索，尋找同名點(diǎn)對(duì)耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，甚至還會(huì)引進(jìn)錯(cuò)誤的點(diǎn)對(duì)。

針對(duì)傳統(tǒng)ICP算法存在的不足，很多學(xué)者提出了相應(yīng)的改進(jìn)ICP算法，如Chen和Medioni等人提出點(diǎn)到面搜索的精確配準(zhǔn)方法[8]，Turk和Levoy提出一種基于重疊區(qū)域三角面片的改進(jìn)的ICP算法[9]。Ristic M和Brujic D在文獻(xiàn)[10]中提出將測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)和參考曲面之間最短距離計(jì)算簡(jiǎn)化為測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)和三角網(wǎng)格頂點(diǎn)之間的距離計(jì)算。文獻(xiàn)[11]作者Yonghuai Liu則提出深入挖掘?qū)?yīng)條件中的約束條件，并將約束條件總結(jié)為三種約束條件，并且通過(guò)這種方法提高對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的正確率，從而提高點(diǎn)云匹配精度的思想。羅先波等在文獻(xiàn)中提出一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的配準(zhǔn)算法，通過(guò)求點(diǎn)到三角面片最近距離的方法，提高點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)性，來(lái)提高配準(zhǔn)精度[12]。

這些算法大體上可以分為兩類(lèi):

一類(lèi)是在傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)算法基礎(chǔ)上附加各種約束條件以過(guò)濾錯(cuò)誤點(diǎn)對(duì)。如使用距離約束排除錯(cuò)誤點(diǎn)對(duì)、應(yīng)用被測(cè)物體表面的特征不變量(曲率、矩不變量、球諧函數(shù)不變量等)以確定正確的同名點(diǎn)對(duì)等等。另一類(lèi)廣泛應(yīng)用的ICP改進(jìn)算法稱(chēng)之為基于點(diǎn)到面距離的ICP算法。如Chen等提出的利用點(diǎn)到相應(yīng)的切平面的最小二乘距離的改進(jìn)方法，F(xiàn)an等人提出的利用B樣條曲面的最短距離確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)集[13]。

眾所周知，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程參加轉(zhuǎn)換的點(diǎn)對(duì)不一定要多，關(guān)鍵是要保證點(diǎn)對(duì)的質(zhì)量。理想的搜索算法將在減少點(diǎn)對(duì)搜索時(shí)間基礎(chǔ)上，提高點(diǎn)對(duì)一一對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。在搜索算法上，我們可以采用某種采樣策略既減少參加點(diǎn)對(duì)搜索的點(diǎn)數(shù)，又做到保證點(diǎn)對(duì)符合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的要求(點(diǎn)的點(diǎn)位精度和分布)。在點(diǎn)對(duì)的取舍上，我們可以采用邊長(zhǎng)、距離和方位角等條件作為篩選條件，除去不符合的條件點(diǎn)對(duì)進(jìn)而篩選出高質(zhì)量的點(diǎn)對(duì)。這樣我們就可以兼顧搜索時(shí)間和點(diǎn)對(duì)質(zhì)量。這將是接下來(lái)我們努力的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

地面三維激光掃描儀是一種集多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器。它采用非接觸式高速激光測(cè)量的方式，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的三維坐標(biāo)、色彩信息和反射強(qiáng)度信息。廣泛應(yīng)用于數(shù)字文物、數(shù)字考古、地形勘測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字城市、城市規(guī)劃、數(shù)字娛樂(lè)、逆向工程等諸多的領(lǐng)域，存在不可估量的應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)是點(diǎn)云預(yù)處理技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，配準(zhǔn)過(guò)程做得好，可以簡(jiǎn)化后處理過(guò)程，提高數(shù)字建模的精度，對(duì)于應(yīng)用精度高的應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)前人研究成果的研讀，總結(jié)前人的理論成果，進(jìn)而分析當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展情況，指出配準(zhǔn)技術(shù)中的研究方向，有一定的理論指導(dǎo)意義。

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