基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法
【专利摘要】本发明涉及测绘数据处理领域，尤其涉及基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法。首先，根据点云的空间共面性，提取基准站点云和拼接站点云的分割片，人工指定三对互不平行的同名点云分割片；其次，对三对点云分割片求取空间平面方程，分别计算基准站点云和拼接站点云中三个平面的交点，并将分割片点云平面移动至各自交点处；再次，通过计算同名分割片点云平面的交线和夹角，获取平面的旋转参数；最后，利用旋转参数和基准站点云平面的交点、拼接站点云平面的交点计算平移参数，确定最终的旋转矩阵。本方法适用于城市、村落等平面特征明显的点云场景，可降低拼接过程中同名特征的识别与标定时间，提高激光点云数据处理的整体效率。
【专利说明】基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测绘数据处理【技术领域】，尤其涉及基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法。
【背景技术】
[0002]地面激光雷达扫描(Terrestrial Laser Scanning)是在地面利用激光扫描装置自动、系统、快速地获取对象表面三维激光点云坐标的测量方式，是一种近些年来飞速发展的主动式空间数据获取技术，可用于生成数字高程模型、数字线划图、三维城市模型等多种数字空间产品，对于工程测量、数字城市建设、文物保护、军事等领域具有重要作用。
[0003]地面激光雷达扫描的一次扫描范围由于受到扫描距离、扫描角度和现场遮挡的限制，一般不能将扫描对象的整体完全记录下来，在实际应用中为了完成对被扫描物体或区域的完整覆盖，往往需要在不同位置架设多个扫描站点；而每一个扫描站点的激光点云均处于彼此独立的三维坐标系下，无法直接用于后期处理，生成测绘产品，因此需要通过计算机方法将不同站点的点云整合到统一的全局坐标系，即三维点云的拼接。点云拼接是点云数据处理流程中的重要步骤，点云拼接的精度直接影响生成的最终产品的质量，点云拼接的速度直接影响点云数据处理的整体效率。
[0004]目前商业化点云数据处理软件(如RiSCAN、Cyclone)所提供的点云拼接方法主要是通过同名点选取，即根据人工观察判断选取出每两个相邻站点云的同名点，同时需满足至少四对同名点和不可共面这两个条件。激光扫描可快速获取空间场景的海量信息，但由于激光点是对现实世界的采样，我们无法控制具体某个激光点落在某个精确的空间位置(如墙角、屋顶边缘)上，即使对于两站相邻激光测站中的同名物体，也无法找到真正的“同名点”，例如在点间距均为5厘米的情况下，某一墙角的坐标只能假定为其范围在2.5厘米内的某一激光点坐标，而且人工选点的操作方式也很难保证选择的是最佳点，因此，基于同名点计算出的转换矩阵难免带有较大误差，只能通过选择多对同名点以进行最小二乘平差，获取误差相对较小的旋转矩阵；此外由于三维点云在计算机二维屏幕上投影显示的限制，在两站三维点云中人工寻找同名点是一项十分繁琐的过程，往往需要数分钟时间才能完成两站同名点的选取；而在重叠区域较小或同名点特征不明显的情况下，人工选取同名点更是十分困难。以上两点造成点云拼接的精度和效率不能满足实际生产的需要，“点-点”式的点云拼接过程已成为点云数据处理的主要瓶颈之一。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决现有的激光雷达点云数据拼接方法上的缺陷，提供一种快速的基于非平行分割片特征的地面激光点云拼接方法。
[0006]本发明的技术方案通过对三对互不平行的同名点云分割片的平移和旋转，计算拼接站点云到基准站点云的旋转参数和平移参数,包括以下主要步骤:
A、获取三对同名分割片；B、同名分割片预处理；
C、计算旋转参数；
D、计算平移参数。
[0007]进一步地，步骤A中获取三对同名分割片细化为:
Al点云分割，是指根据点云的空间共面性将点云分组，以形成可供进一步信息提取的分割面片，该发明中使用平面拓展分割法对点云分割；
A2选择三对同名分割片，用户在基准站点云和拼接站点云中分别选择三个点云分割片，且对应分割片为同名分割片；
进一步地，三对同名分割片需要满足的条件: A21同站中的三个分割片互不平行，即同站中的三个分割片必须交于一点；
A22同站中的三个分割片之间所成角度尽量接近于直角；
A23同站中的三个分割片需要分布在三个互不相同的维度上；
A24两站中的同名分割片应该在其他同名分割片的同侧，如基准站点云中的分割片Pn在分割片Pt2的右侧，则拼接站点云中分割片Psi也在Ps2的右侧。
[0008]进一步地，步骤B中同名分割片预处理细化为:
BI拟合平面方程，按照点云分割片的空间共面性，将点云分割片拟合为空间平面方
程;
B2分别对基准站点云和拼接站点云中的三个平面求交点Intersection_point_t、Intersection_point_s,将平面平移到各自的交点处。
[0009]进一步地，步骤C中计算旋转参数方法细化为:
Cl计算第一对平面的交线L1和拼接站点云平面到基准站点云平面的夹角CI1，将拼接站点云平面以L1为轴旋转α !度，获得第一对点云平面的旋转参数R1 ；
C2利用R1，更新剩余两对同名分割片的平面方程，计算第二对平面的交线L2和拼接站点云平面到基准站点云平面的夹角α2，将拼接站点云平面沿L2旋转％度，获得第二对点云平面的旋转参数R2;
C3更新第三对同名分割片的平面方程，计算第三对平面的交线L3和拼接站点云平面到基准站平面的夹角α3，将拼接站点云平面沿L3旋转^3度，获得第三对点云平面的旋转参数R3 ;
C4最终的旋转参数R,为三个旋转参数的乘积，即R=R3*R2*Rlt)
[0010]进一步地，步骤D中计算方法细化为:
平移参数T的值为旋转参数乘以拼接站平面交点的相反数，加上基准站平面的交点，
即 T= -R*Intersection_point_s+ Intersection—point—t。
[0011]本发明提供了一种基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法。该方法能够有效地将独立扫描的三维激光点云拼接到同一坐标系下，可以实现在无法选择到同名点对的情况下完成拼接，尤其适用于平面特征明显的数据。如目前的主流商业软件在进行点云拼接时，只能通过人工选择同名点对的方式进行拼接，点云拼接的精度和速度不能满足生产的需要，直接影响了点云数据处理的效率，并间接影响了数字空间产品的生产效率。而基于本方法的点云拼接，通过选择同名分割片，可以快速的完成激光点云的拼接，直接提高激光点云数据处理及数字产品生产的效率。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是基准站和拼接站同名分割片示意图；
图2是同名分割片异侧示意图；
图3是同名分割片旋转示意图；
具体实施方案
[0013]下文将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明:
A获取三对同名分割片:
Al点云分割，点云分割的目的在于根据点云的空间共面性将点云进行分组，以形成可供进一步信息提取的分割面片，使用平面拓展分割法将基准站点云和拼接站点云数据按照点云的空间共面性，分为不同的平面，即给每个点云赋予不同的分割面片号。
[0014]A2用户在基准站点云和拼接站点云中分别选择三个点云分割片，对应分割片为同名分割片，三对同名分割片需要满足以下几个条件，为了便于本领域技术人员参考理解，提供了基准站和拼接站同名分割片示意图(参见附图1);
A21同站中的三个点云分割片之间互不平行，即同站中的三个分割片必须交于一点； A22同站中的三个分割片之间所成角度尽量接近于直角；
A23同站中的三个分割片需要分布在三个互不相同的维度上，为了防止只是在某个或某两个维度上完成拼接，要求三个点云分割片分布在不同的维度上；
A24两站中的某对同名分割片应该在其他同名分割片的同侧，参见附图1和附图2，如基准站点云中的分割片Pt2在分割片Pt3的右侧，则拼接站点云中分割片Ps2也在Ps3的右侧(附图1)，而附图2中，基准站点云的分割片Pt2在分割片Pt3的右侧，拼接站点云中分割片Ps2在Ps3的左侧，附图2中三对同名分割片不满足拼接条件。
[0015]
B同名分割片预处理:
BI按照点云分割片的空间共面性，对三对同名分割片分别拟合空间平面方程，方程形式如式⑴所示；
A*X + B*Y + C*:Z+D = 0 (I)
B2分别对基准站点云和拼接站点云中的三个平面求交点Intersction_point_t、Intersection_point_s,将基准站点云和拼接站点云中的平面分别移动到各自的交点处，平移后各个平面的方程形式如式(2)所示。
[0016]A*X + B*Y 十 C*Z=0 (2)
C计算旋转参数:
为了便于本领域技术人员参考理解，提供了同名分割片旋转示意图，参见附图3，
Cl计算第一对平面的交线L1 (式3)和拼接站点云平面到基准站点云对应平面的夹角O1(式4)，将拼接站点云平面沿L1旋转\度，获得第一对点云平面的旋转参数R1 ;具体计算方法如下:设基准站点云第一个面法向量为Pn (PTA1，PTB1, Pra)，拼接站点云对应平面的法向量为Psi (PSA1，Psm，Psci)，L1的方向为Psi和Pn的差乘向量,设为(x，y，z)，Ct1为Psi到Pn的夹角，
【权利要求】
1.基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:利用基准站点云和拼接站点云三对同名分割片之间的空间关系，计算拼接站点云到基准站点云的旋转矩阵，具体包括以下步骤， A利用平面拓展分割算法，对基准站点云和拼接站点云进行分割，分别在两站点云中选取三对同名的点云分割片； B对三对点云分割片分别拟合平面，获得平面方程，分别计算基准站三个平面和拼接站三个平面的交点，并将平面移动到各自交点处； C遍历三对平面，求取每对平面的交线方程(Li)和夹角(D，将拼接站平面绕轴Li旋转a i度，获取旋转矩阵Ri,更新剩余平面方程，最终旋转矩阵的旋转参数R为1*?*? ； D利用旋转参数R计算平移参数，平移参数T为旋转参数R乘以拼接站点云三个平面交点的相反数，加上基准站点云三个平面的交点。
2.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤I所述的点云分割方法为平面拓展分割法。
3.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤I所述的三个平面需要满足以下关系:三个平面互不平行，三个平面之间的夹角尽量为垂直角， 三个平面必须分布在三个不同的维度上，两站中的同名分割片应该在其他同名分割片的同侧。
4.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤2所示的拟合平面为:根据点云的空间共面性，将点云分割片拟合为空间平面方程。
5.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤3所述的交线方程Li为:拼接站点云平面法向量和基准站点云平面法向量叉乘结果。
6.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤3所述的每对平面的夹角为:拼接站点云平面到基准站点云对应平面的角度。
7.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤3所述的旋转参数Ri为:根据交线Li和夹角a i计算出来的旋转参数。
8.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤3所述的更新平面方程为:根据计算出来的旋转参数Ri,将剩余平面进行旋转。
9.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤3所述的最终的旋转参数R为:所有旋转参数Ri的乘积。
10.根据权利要求1所述的基于三对非平行点云分割片的地面激光点云拼接方法，其特征在于:步骤4所述的平移参数计算方法为:最终旋转参数乘以拼接站点云三个平面交点的相反数，加上基准站点云三个平面的交点。
【文档编号】G06T19/00GK103955964SQ201310484671
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】浦石, 赵永屹, 纪明汝, 杜娜娜 申请人:北京拓维思科技有限公司