多平臺(tái)點(diǎn)云空間基準(zhǔn)統(tǒng)一與按需三維建模

臧玉府

南京信息工程大學(xué)遙感與測繪學(xué)院，江蘇 南京 210044

激光掃描測量技術(shù)是獲取三維目標(biāo)空間信息的重要手段，隨著多平臺(tái)激光掃描設(shè)備的推廣，用戶可以快捷地獲取場景目標(biāo)的多分辨率、多尺度、多時(shí)態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，單一平臺(tái)的傳感器數(shù)據(jù)往往無法滿足復(fù)雜場景的應(yīng)用需求，協(xié)同多平臺(tái)傳感器作業(yè)可有效獲取其全方位信息，因此如何實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)點(diǎn)云的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一是不可避免的問題。針對(duì)多平臺(tái)點(diǎn)云中存在的噪聲、點(diǎn)密度、遮擋等差異, 進(jìn)而影響了配準(zhǔn)基元的提取與匹配的問題，本文提出了多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，為基于三維點(diǎn)云的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

在實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，由于激光技術(shù)采集的高密度點(diǎn)云中常含有大量冗余，增加了數(shù)據(jù)處理的難度，而在三維模型展覽、傳輸?shù)葢?yīng)用中，常要求在不同視距(或投影比例)條件下，從原始數(shù)據(jù)中選取較少的采樣點(diǎn)高視覺質(zhì)量地描述原始目標(biāo)。本文根據(jù)目標(biāo)固有的幾何特點(diǎn)，提出了視距相關(guān)的多粒度表達(dá)方法，并基于主觀性閾值自適應(yīng)地選擇滿足不同視距需求的粒度模型，實(shí)現(xiàn)按需建模。

本文的研究內(nèi)容主要由以下幾方面構(gòu)成：

(1) 介紹了本文的研究背景和意義，系統(tǒng)總結(jié)回顧了國內(nèi)外多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)與按需選擇的研究工作，基于多平臺(tái)點(diǎn)云的配準(zhǔn)難點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求多樣化的特點(diǎn)，提出了本文的研究目標(biāo)和內(nèi)容。

(2) 由于配準(zhǔn)基元是實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)的前提條件，文中分別提出了邊界線、空間曲線和面片特征的提取方法。其中，邊界線特征的提取通過平面檢測、邊界點(diǎn)確定、直線擬合、規(guī)則化等步驟實(shí)現(xiàn)；空間曲線特征則基于大曲率點(diǎn)的條帶狀點(diǎn)云，綜合路徑長度、曲率值和中心位置約束，采用最短路徑搜索和曲線擬合實(shí)現(xiàn)提??；根據(jù)多平臺(tái)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提取了其面片特征。本文基元提取方法有助于提高點(diǎn)云配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。

(3) 在配準(zhǔn)基元提取的基礎(chǔ)上，綜合考慮基元的相似性度量、匹配策略、空間轉(zhuǎn)換等技術(shù)求解全局最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)的關(guān)鍵。本文從基元的幾何形狀信息和空間拓?fù)潢P(guān)系兩方面衡量其相似性，鑒于空間曲線復(fù)雜的幾何形態(tài)，介紹了衡量空間曲線間差異的形變能量模型，而基于機(jī)載與地面邊界線特征間存在的較大差異，構(gòu)建了譜空間描述其拓?fù)潢P(guān)系；并采用相應(yīng)的匹配策略穩(wěn)健匹配配準(zhǔn)基元，通過相應(yīng)的空間轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一。本文多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)方法可消除點(diǎn)云間的空間基準(zhǔn)差異，有利于多平臺(tái)點(diǎn)云的優(yōu)勢互補(bǔ)。

(4) 針對(duì)三維目標(biāo)中包含的多細(xì)節(jié)層次信息，將傳統(tǒng)的單一粒度點(diǎn)云納入到多粒度框架中，提出了多粒度表達(dá)方法。介紹描述局部區(qū)域特征的局部曲面變化度量，采用徑向基函數(shù)描述鄰域點(diǎn)分布的影響，并結(jié)合兩者構(gòu)建多粒度點(diǎn)云?；谌S目標(biāo)的多粒度模型，改進(jìn)結(jié)構(gòu)化降質(zhì)度量MSDM以評(píng)估各粒度模型的視覺降質(zhì)，并采用主觀性閾值驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)粒度選擇方法，實(shí)現(xiàn)按需建模。該方法在滿足多樣化需求的同時(shí)可有效減少數(shù)據(jù)冗余。

(5) 選取多套數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文的多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)和按需建模方法。通過邊界線、空間曲線和面片等特征的提取試驗(yàn)，證明了所提配準(zhǔn)基元的準(zhǔn)確性和完整性；定量分析了多種情況下的配準(zhǔn)誤差，表明本文配準(zhǔn)方法良好的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性；通過分析自由曲面對(duì)象數(shù)據(jù)的多粒度表達(dá)試驗(yàn)，證明了本文多粒度表達(dá)方法的可行性和有效性；而在不同投影比例下選擇最佳粒度模型的試驗(yàn)，則驗(yàn)證了本文按需建模方法能夠得到合理、可靠的粒度模型。