建筑物三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法研究

杜希建　宋文平

[摘要]三維激光掃描技術(shù)在建筑物三維建模方面的應(yīng)用正在快速拓展，然而通常所說的點(diǎn)云配準(zhǔn)是針對(duì)相鄰兩站點(diǎn)云的配準(zhǔn)。在實(shí)際工作中大多數(shù)都是多于兩站數(shù)據(jù)的掃描數(shù)據(jù)，為了解決在不同掃描環(huán)境下多站掃描數(shù)據(jù)的精密配準(zhǔn)以及對(duì)相鄰站點(diǎn)配準(zhǔn)方法的選擇問題，本文就國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的配準(zhǔn)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)序列拼接的誤差及精度加以分析。

[關(guān)鍵詞]坐標(biāo)系統(tǒng) 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 配準(zhǔn) 序列拼接 精度分析

[中圖分類號(hào)] P217 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-404-1

1引言

由于三維技術(shù)具有還原度高、速度快、成本低、精度高、能被直接利用等優(yōu)點(diǎn)，因此目前在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，三維激光掃描技術(shù)作為一種三維重建的新技術(shù)己體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。三維建?？傮w來說有七個(gè)步驟，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云簡(jiǎn)化、三維建模和紋理映射，其中數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響三維建模的精度，但是由于地面三維激光掃描技術(shù)在實(shí)踐中會(huì)受到環(huán)境因素的限制，如何選擇一個(gè)適合的配準(zhǔn)方法來滿足工程對(duì)精度的要求，都是在實(shí)際操作中遇到的問題，整理所有配準(zhǔn)方法并專門開發(fā)一個(gè)配準(zhǔn)軟件很有必要。

2三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)基本原理及配準(zhǔn)方法

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)原理

2.2配準(zhǔn)方法

點(diǎn)云配準(zhǔn)方法的分類可以總結(jié)為以下四種：點(diǎn)集對(duì)點(diǎn)集的配準(zhǔn)方法（PSTPS）、迭代最近點(diǎn)方法（ICP算法）、基于點(diǎn)線面幾何特征約束的配準(zhǔn)方法（GFC方法）和多幅影像數(shù)據(jù)的整體配準(zhǔn)方法（MVS）。其中以ICP算法最為常見，特別是精度要求高的三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)很多專家和學(xué)者在最近點(diǎn)搜索方法的選擇方面有大量的研究：①站點(diǎn)式適用于作業(yè)環(huán)境比較開闊的地方，且站點(diǎn)坐標(biāo)容易測(cè)得的條件下使用。這種方法精度比較高，耗費(fèi)人力財(cái)力也多。②基于標(biāo)靶的掃描，這種方法要在掃描之前先確定標(biāo)靶的放置位置，在相鄰兩站間至少要設(shè)立三個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，且都要被掃描到。此種方法適用于小型掃描對(duì)象，在逆向設(shè)計(jì)中用的比較多。③直接對(duì)測(cè)區(qū)對(duì)象進(jìn)行掃描，配準(zhǔn)使用重合區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最常用的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法就是ICP算法。很多后來提出的配準(zhǔn)算法都是對(duì)ICP算法的一種改進(jìn)。此種算法的關(guān)鍵技術(shù)在于最小二乘原理的應(yīng)用。

3精密點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及其誤差分析

3.1誤差來源及解決方法

三維激光測(cè)量誤差的來源較多，大致可總結(jié)為三類：儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差、外界環(huán)境條件。儀器誤差源于儀器本身的性能缺陷，包括激光測(cè)距的誤差、掃描角度測(cè)量的誤差；與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是表面粗糙度的影響；外界環(huán)境條件主要包括溫度等因素；最后對(duì)配準(zhǔn)方法的選取也是非常重要的。

從誤差理論角度說，測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗差。系統(tǒng)誤差引起掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，可通過發(fā)掘系統(tǒng)誤差的規(guī)律性進(jìn)行改正；偶然誤差可依靠平差理論進(jìn)行分配；粗差主要是測(cè)量過程中不規(guī)范的操作造成的，完全是可以避免的；針對(duì)不同的掃描對(duì)象和精度要求選擇最好的配準(zhǔn)方法。

3.2序列拼接

通常所說點(diǎn)云配準(zhǔn)是針對(duì)小的物件或者小的場(chǎng)景的掃描而言，實(shí)踐中我們會(huì)遇到對(duì)很多比較大的場(chǎng)景或者建筑物的掃描。序列拼接是一個(gè)閉合的過程，而每一站在掃描的時(shí)候都不可避免的存在誤差，所以拼接后存在誤差的累積，所以要對(duì)閉合差進(jìn)行分配，這樣才能達(dá)到對(duì)預(yù)期精度的要求。其中根據(jù)方差的不同成正比對(duì)相鄰兩站的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)分別加以改正是比較常見的方法，但是這種方法的運(yùn)用是認(rèn)為相鄰測(cè)站間誤差是成線性關(guān)系變化的，其實(shí)不能這么肯定，所以誤差的分配方法還有待進(jìn)一步的研究。

ICP算法完成了相鄰兩測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，在編程的過程中以第一站為標(biāo)準(zhǔn)來配準(zhǔn)，依次類推，最后又回到第一站，這恰好形成了一個(gè)閉合環(huán)，這過程當(dāng)然有相鄰兩站配準(zhǔn)的誤差累積，因?yàn)槎加玫搅俗钚《吮平乃惴?，都是一種近似，所以為了達(dá)到更高的精度我們需要對(duì)閉合差進(jìn)行分配。完成了上面的閉合差分配其實(shí)就是完成了整體配準(zhǔn)，這樣使得配準(zhǔn)精度非常好，最后進(jìn)行精度評(píng)定。

4結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展是比較緩慢的，國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)，很多實(shí)際應(yīng)用都是在摸索的過程中。配準(zhǔn)作為三維建模的重要環(huán)節(jié)，開發(fā)一套全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)的高精度配準(zhǔn)非常重要，對(duì)于建筑物的掃描站數(shù)比較多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用測(cè)量平差原理進(jìn)行閉合差分配非常有效，實(shí)踐證明序列拼接就是一個(gè)行之有效的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭德華，陳光寶，王守忠.3維激光掃描數(shù)據(jù)處理的研究綜述[J].測(cè)繪與空間地理信2008.10.

[2]袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.

[3]丁延輝.地面三維激光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2009（2）.

[4]戴玉成，張愛武.三維激光掃描數(shù)據(jù)快速配準(zhǔn)算法研究.測(cè)繪通報(bào)，2010（6）.

[5]朱文武.基于標(biāo)靶控制的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.5.

[6]戴靜蘭.海量點(diǎn)云預(yù)處理算法研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.3.

[7]康永偉.車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與三維建模研究[D].首都師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.4.

[8]鄭德華.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法[D].同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.6.

[10]徐源強(qiáng)，高井祥，張麗，王堅(jiān)，鄭南山.地面三維激光掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011.4.