地面三维激光扫描数据的特征配准.pdf

第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG No ，3 J u n 2 01 3 d o i： 1 0， 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 13 5 8 X 2 0 1 3 0 3 2 8 地面 三维激 光扫描数据 的特征 配准 周 继峰 ( 辽 宁省 冶金地 质勘 查 局 四 0三队 ， 辽 宁 鞍 山 1 1 4 0 1 8 ) 摘要 ： 基于深度 图像 的模型重建技 术是 当前计算机图形学研 究的热点， 如何 快速 实现深度 图像的精 确配准是大场景模型重建的关键 问题 。文 中针对地面三维激光扫描深度图像 的特征配准展 开研 究， 分别介绍 了标签配准、 手工配准及特征面配准的原理与软件实现。可为理论、 工程研究提供参考。 关键词 ：特征配准； 标签配准；特征面配准 ； 地面三维激光 中 图分 类 号 ： P 2 0 9 文献 标识 码 ： B 文章 编 号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 8 5 0 4 地面三维激光扫描系统可准确、 快速、 无接触地 获取场景或物体的深度信息。由于受 到仪器、 环境 和实体本身形状 的限制 ， 三维扫描仪一次只能得 到 实体一个侧面 的深度信息 ， 要 想得到完整 的形状信 息 ， 必须采用 多测站、 多视角 的扫描方式 ， 然后将不 同视角下扫描的三维数据进行拼合再转换到同一坐 标系下 ， 最后在 同一坐标系 内进行数据融 合。这种 三维坐 标 系 的 统 一 和点 云 融 合 过 程 就 是 数 据 配 准 。数 据 配准 是 三 维 模 型 过 程 的关 键 技术 ， 其 精 度直接制约激光扫描技术在工程中的推广使用 。 数据配准 ， 本质上是将两个或两个 以上坐标 系 中的深度图像转换至统一坐标系统 的过程。经典 的 配准方法有迭代最近点 ( I t e r a t i v e C lo s e s t P o i n t ， I C P ) 算法 ， 和基于特征的配准方法 。I C P算法只适 用于存在明确对应关 系的点集之 间的配准， 若初始 配准估计不 当迭代 易陷入局部最优 ； 基于特征 的配 准方法则无须初始 配准估计 ， 但特征不足时无法结 算。本文 即针对特征配准算法展开研究 ， 理 论与实 践并 重 的研 究 了标 签 配 准 、 手 工 配 准及 特 征 面 配 准 三种特征配准算法的原理及软件实现 ， 可为理论 、 工 程研究提供参考 。 1特征 配 准原 理 若记两个不同视角下得到的三维点集分别为 s = ，i=1 ， 2 ， ， k 和 T= t ； ， i=1 ， 2 ， ， z 。由于 在不 同视 角下 ， 特 征点 之 间 的相 对 位 置未 改 变 ， 因而 它们具有空间特征不变性。利用这种空间特征不变 性 ， 可得到在两个视角下获得 的特征点 三维 数据点 集子集 P= P 。 ， P is ， i=1 ， 2 ， ， n 和 Q= q i， q i T ， i=1 ， 2， ， 凡 ， 其 中P 和 q i一一对应 ， 故可得到 n 组配准点对 。数据配准的实质是对在不 同的坐标 系 中的点云数据进行坐标变换 ， 关键点是 坐标变换参 数 ( 平移 向量 )和 ( 旋转矩阵) 的求取。有了上面 的配准点对 ， 则在两视角下测得 的三维数据点之 间 的坐标转换关系 ， 应使下面的 目标函数最小 ： E= f f q i一( + )I ( 1 ) 基于特征的配准就是要在两幅深度 图像中找到 相对应的一组几何特征( 可 以是点、 直线或平面等) ， 利用这组对应特征 ， 求 出上述 R和 。利用特征进 行配准的步骤为 ： ( 1 ) 从原始点云数据中提取特征。 最为简单 和常用 的几何特征是点。理论 上讲 ， 具有一定重叠度的点云数据 ， 只要有三对不共线 的 同名点就 可以完成 数据配准 。同名 点可 以使 用标 签、 标靶或手工选择公共特征点( 连接点) 。 标签法 。当物体表面没有 明显 的特征时， 可 以通过在物体表面附加特征的方法来解决 。常见 的 做法是在物体 表面粘贴标签 ， 后期数据处理 中就可 以根据前后两个视角观察的三个或三个以上不共线 的公 共标 签来 对数 据进 行配 准 。 标靶法。当前绝大多数激光扫描仪都配备 了 专用的球形靶标 ( 图 1 ) ， 通过扫描球 形靶标表面点 云以获取球心坐标 ， 利用 刚体变换将相邻点云转换 至 同一坐 标 系下 。 手工配准。若 扫描时未设 置标签和标靶 ， 后 处理时则需人工选择 至少三对 同名点来进行 拼接。 这种方法