模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法技术

本发明专利技术公开一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，属于测绘科学与技术领域。在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；建立同名的模型直线；建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；解算拼接参数。本发明专利技术利用模型直线进行LIDAR点云拼接，充分发挥了直线的几何约束性，能增强立体模型的几何强度，从而提高LIDAR点云拼接的精度。

【技术实现步骤摘要】
模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法
：本专利技术模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，涉及摄影测量
，属于测绘
和图像处理领域的结合技术。
技术介绍
：LIDAR是城市空间信息获取的重要手段，由于城市空间目标复杂度较高，LIDAR点云采集通常需要从不同视角对空间目标进行扫描，再将相邻测站点云进行拼接，从而实现对空间目标的完整表达。根据基元，拼接方法主要是利用LIDAR点云之间的同名点和同名线。实际上待拼接的点云间不存在完全对应的同名点特征，这使得同名点特征拼接算法精度难以得到保证。一般情况下，直线是LIDAR点云里高级几何特征描述符号，相对于点，直线具有更强的几何拓扑性和几何约束性，可获得更高的拼接精度。基于直线基元的拼接方法一般用同名直线的最近似同名端点，然后根据对应直线的端点信息求解拼接参数，但由于点云之间不存在完全对应的同名点特征，所以该方法使用的特征基元仍然为点，拼接精度低。因此，充分利用LIDAR点云的直线特征和直线间的几何拓扑关系，对高精度的LIDAR点云拼接具有重要的实际应用价值。
技术实现思路
：本专利技术提供一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，其将基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上的同名直线分别构成一个整体的拓扑结构，建立了模型直线共线条件方程。本专利技术采用如下技术方案：一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，其包括如下步骤步骤A：在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；步骤B：将步骤A中的同名直线，建立同名的模型直线；步骤C：建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；步骤D：解算出拼接参数。进一步地，所述步骤B中模型直线的建立方法为：步骤(B-1)：在待拼接测站的LIDAR点云上获取模型直线中的任意一条直线l，将其表示为：l＝[0MNO0M0N0O0]，其中，(M,N,O)和(M0,N0,O0)分别为l的方向向量和矩向量；步骤(B-2)：照步骤(B-1)的方法，在基准测站的LIDAR点云上获取模型直线中的任意一条直线l′，将其表示为：l′＝[0M′N′O′0M′0N′0O′0]，其中，(M′,N′,O′)和(M′0,N′0,O′0)分别为l′的方向向量和矩向量。进一步地，所述步骤C包括如下步骤(C-1)：建立模型直线共线条件方程，即拼接后的模型直线与对应的基准测站的LIDAR点云直线重合式中，λ为缩放参数；I为4维单位矩阵；q＝[q1q2q3q4q01q02q03q04]；0为4维0矩阵；q-1为q的逆；(C-2)：确定拼接参数初始值q1＝λ＝1，q2＝q3＝q4＝q01＝q02＝q03＝q04＝0；(C-3)：将公式(1)方程左边的l′移到方程右边，然后展开得到(C-4)：将公式(2)用泰勒公式在q和λ展开至一次项：式中：a11＝2Mq1+2Oq3-2Nq4a12＝2Mq2+2Nq3+2Oq4a13＝2Oq1+2Nq2-2Mq3a14＝-2Nq1+2Oq2-2Mq4a15＝a16＝a17＝a18＝a19＝0a21＝2Nq1-2Oq2+2Mq4a22＝-2Nq2-2Oq1+2Mq3a23＝2Nq3+2Oq4+2Mq2a24＝-2Nq4+2Oq3+2Mq1a25＝a26＝a27＝a28＝a29＝0a31＝2Oq1+2Nq2-2Mq3a32＝-2Oq2+2Nq1+2Mq4a33＝2Nq4-2Oq3-2Mq1a34＝2Oq4+2Nq3+2Mq2a35＝a36＝a37＝a38＝a39＝0a41＝2Mq01+2λM0q1-2Nq04-2λN0q4+2Oq03+2λO0q3a42＝+2Mq02+2λM0q2-2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a43＝-2Mq03-2λM0q3+2Nq02+2λN0q2+2Oq01+2λO0q1a44＝-2Mq04-2λM0q4-2Nq01-2λN0q1+2Oq02+2λO0q2a45＝a11,a46＝a12,a47＝a13,a48＝a14a51＝2Mq04+2λM0q4+2Nq01+2λN0q1-2Oq02-2λO0q2a52＝2Mq03+2λM0q3-2Nq02-2λN0q2-2Oq01-2λO0q1a53＝2Mq02+2λM0q2+2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a54＝2Mq01+2λM0q1-2Nq04-2λN0q4+2Oq03+2λO0q3a55＝a21,a56＝a22,a57＝a23,a58＝a24a61＝-2Mq03-2λM0q3+2Nq02+2λN0q2+2Oq01+2λO0q1a62＝2Mq04+2λM0q4+2Nq01+2λN0q1-2Oq02-2λO0q2a63＝-2Mq01-2λM0q1+2Nq04+2λN0q4-2Oq03-2λO0q3a64＝2Mq02+2λM0q2+2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a65＝a31,a66＝a32,a67＝a33,a68＝a34F10,F20,F30,F40,F50,F60分别为q和λ的近似值代入公式(3)得到的F1～F6的近似值；dq1，dq2，dq3，dq4，dq01，dq02，dq03，dq04，dλ分别为各拼接参数的改正数。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法与传统的基于直线的LIDAR点云拼接方法相比，能将缩放参数统一求解，充分发挥了直线的几何约束性，能增强立体模型的几何强度，从而提高LIDAR点云拼接的精度。具体实施方式：本专利技术模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法包括如下步骤：步骤A：在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；步骤B：将步骤A中的同名直线，建立同名的模型直线；步骤C：建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；步骤D：解算出拼接参数。其中：步骤B中模型直线的建立方法为：步骤(B-1)：在待拼接测站的LIDAR点云上获取模型直线中的任意一条直线l，将其表示为：l＝[0MNO0M0N0O0]，其中，(M,N,O)和(M0,N0,O0)分别为l的方向向量和矩向量；步骤(B-2)：照步骤(B-1)的方法，在基准测站的LIDAR点云上获取模型直线中的任意一条直线l′，将其表示为：l′＝[0M′N′O′0M′0N′0O′0]，其中，(M′,N′,O′)和(M′0,N′0,O′0)分别为l′的方向向量和矩向量。其中步骤C步骤如下：(C-1)：建立模型直线共线条件方程，即拼接后的模型直线与对应的基准测站的LIDAR点云直线重合：式中，λ为缩放参数；I为4维单位矩阵；q＝[q1q2q3q4q01q02q03q04]；0为4维0矩阵；q-1为q的逆。(C-2)：确定拼接参数初始值。q1＝λ＝1，q2＝q3＝q4＝q01＝q02＝q03＝q04＝0。(C-3)：将公式(1)方程左边的l′移到方程右边，然后展开得到：(C-4)：将公式(2)用泰勒公式在q和λ展开至一次项：式中：a11＝2Mq1+2Oq3-2Nq4a12＝2Mq2+2Nq3+2Oq4a13＝2Oq1+2Nq2-2Mq3a14＝-2Nq1+2Oq2-2Mq4a15＝a16＝a17＝a18＝a19＝0a21＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，其特征在于：包括如下步骤步骤A：在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；步骤B：将步骤A中的同名直线，建立同名的模型直线；步骤C：建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；步骤D：解算出拼接参数。

【技术特征摘要】
1.一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，其特征在于：包括如下步骤步骤A：在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；步骤B：将步骤A中的同名直线，建立同名的模型直线；步骤C：建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；步骤D：解算出拼接参数；所述步骤C包括如下步骤(C-1)：建立模型直线共线条件方程，即拼接后的模型直线与对应的基准测站的LIDAR点云直线重合：式中，l为待拼接测站的LIDAR点云上获取的模型直线中的任意一条直线；l′为基准测站的LIDAR点云上获取的模型直线中的任意一条直线；λ为缩放参数；I为4维单位矩阵；q＝[q1q2q3q4q01q02q03q04]；0为4维0矩阵；q-1为q的逆；(C-2)：确定拼接参数初始值q1＝λ＝1，q2＝q3＝q4＝q01＝q02＝q03＝q04＝0；(C-3)：将公式(1)方程左边的l′移到方程右边，然后展开得到(M，N，O)和(M0，N0，O0)分别为l的方向向量和矩向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛庆红，肖晖，张斌，柳建锋，王惠南，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32