一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法技术

本发明专利技术公开了一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其实现步骤为：①判断标靶位置是否已知，若已知则转③，若未知则获取可布设标靶的备选位置；②从备选位置中选一种标靶布设方案；③计算其对应的rDOP值；④由rDOP值来评价标靶分布质量，其中rDOP值最小的方案为最佳布设方案；⑤判断扫描仪位置是否已知，若已知则转⑦，若未知则获取扫描仪架设的备选位置；⑥从备选位置中选择1个位置；⑦计算此位置对应的tDOP值；⑧由tDOP值来评价扫描仪架设质量，其中tDOP值最小的位置为最佳架设位置。本发明专利技术首次提出通过rDOP模型和tDOP模型定量评价标靶分布的好坏，以此来帮助用户确定标靶和扫描仪的最佳布设方案，克服目前仅凭经验布设的不确定性，该方法使用方便，可操作性强。

A method for quantitatively evaluating the quality of target distribution in point cloud registration

The invention discloses a method for quantitative evaluation of point cloud registration bid target distribution quality, the method comprises the following steps: judging the target location is known, if known to the unknown, if can obtain alternative position distribution target; the options from select a target layout scheme; 3 calculate the corresponding rDOP value; from the rDOP value to evaluate the target distribution quality, the minimum rDOP value of solution for the optimal design; the judgment scanner position is known, if known to the unknown, if it gets the erection of the alternate location scanner; select the 1 position from the alternative position; the calculation this position corresponds to the tDOP value; the value by tDOP to evaluate the quality of the tDOP value set up the scanner, the minimum position is the best location to set up. The present invention is first proposed by rDOP model and tDOP model for quantitative evaluation of the target distribution is good or bad, in order to help the user to identify the optimal design target and scanner, overcome the present only by experience layout uncertainty, this method is easy to use, strong operability.

【技术实现步骤摘要】
一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法
本专利技术属于三维激光扫描点云配准领域，具体涉及点云配准领域中标靶分布质量的定量评价方法。
技术介绍
地面激光扫描技术可方便快速地获取目标的表面空间信息，其获取的信息密度和精度远高于传统的测绘技术，在逆向工程、文物扫描、测绘行业等领域被广泛应用。由于物体遮挡或扫描仪扫描范围限制，通常情况下，需要从不同方位多个测站扫描目标，才能获取目标的完整表面信息，而不同站获取的点云属于不同独立坐标系，在进行点云建模和分析前，需将所有的点云配准到统一坐标系，因此，点云配准研究一直是研究的热点和难点。点云配准的方法有无标靶点云配准和标靶点云配准，对于大范围复杂场景的点云配准，往往采用基于标靶的点云配准算法，其配准精度与配准模型、标靶分布、标靶特征提取精度等有关。目前众多学者在点云配准模型、标靶特征提取精度方法做了大量研究，而在标靶分布方面研究较少，仅获得一些经验性结论，而实际野外作业时，必须考虑标靶的分布，它不仅关系到作业效率，且会影响最终点云配准成果的精度。Reshetyuk(2009)、GordonandLichti(2004)、Harvey(2004)发现增加标靶个数能够提高配准的精度，并建议标靶均匀分布在重叠区，不要太近，也不要放在同一直线上；Fanetal(2015)采用模拟的方法证实配准误差大小与标靶数成反比，也与标靶至所有标靶几何中心的距离和成反比，且发现待配准系扫描仪的最佳架设位置为所有标靶的几何中心；虽然还有其他学者研究标靶分布与点云配准精度的关系，也取得了一些成果，但目前所有评价标靶分布质量的方法均依据经验，都是通过已有经验定性地大致描述不同标靶布设方案的好坏，无法给出一个定量明确的评价。在三维激光扫描技术应用中，我们急需一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，如在已布设好标靶情况下，我们需要确定最佳的扫描仪设站位置，而所有标靶的几何中心往往无法架设任何设备；在已架设好扫描仪情况下，我们需要确定最佳的标靶布设位置，而众多布设方案凭经验无法判断其优劣；在标靶和扫描仪均未布设情况下，我们需要综合确定标靶和扫描仪的布设方案，所有这些均需要一个定量的评价模型才能解决，因此，研究定量评价点云配准中标靶分布质量的方法具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，克服现有理论和技术只能定性评价标靶分布质量，无法定量评价的不足。本专利技术为了解决上述技术问题所采取的技术思路是：先获取标靶和扫描仪的坐标信息，然后分别计算标靶分布和扫描仪架设位置的质量指标rDOP值和tDOP值，最后通过rDOP值和tDOP值的大小来定量评价标靶分布质量和扫描仪所选架设位置的质量，rDOP值和tDOP值越小，标靶分布质量越高，扫描仪所选架设位置越好。本专利技术一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，包括如下步骤：①判断标靶位置是否已知，若已知则转第③步，若未知则继续；②选择可布设标靶的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；③确定标靶数和一种标靶布设方案，获取该方案下所有标靶的坐标信息；④计算此标靶布设方案的rDOP值，并由rDOP值的大小判断标靶的分布质量(这里rDOP值的计算由标靶的坐标信息和标靶的权阵决定)，rDOP值的计算模型为其中，Pr(k)为k个标靶的权矩阵(通常情况下可取单位阵)，Ar(k)由标靶的坐标信息决定；⑤循环第③～④步，计算所有方案的标靶分布质量评价值，从中找出rDOP值最小的方案，即为最佳标靶布设方案；⑥判断扫描仪位置是否已知，若已知则转到第⑧步，若未知则继续；⑦选择可架设扫描仪的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；⑧确定一个扫描仪架设位置，获取该位置下的扫描仪坐标信息；⑨计算此扫描仪架设位置的tDOP值，并由tDOP值的大小判断扫描仪架设位置的质量(这里tDOP值的计算由标靶的坐标信息、扫描仪架设位置信息和标靶的权阵决定)，tDOP值的计算模型为其中，Pt(k)为k个标靶的权矩阵，At(k)仅与标靶位置信息和扫描仪位置信息决定；⑩循环第⑧～⑨步，计算所有扫描仪架设位置对应的质量评价值，从中找出tDOP值最小的位置，即为最佳扫描仪架设位置。进一步，优选的在步骤④中，Ar(k)的计算公式如下：当获得的标靶位置信息为参考系和待配准系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为当获得的标靶位置信息仅为参考系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为当获得的标靶位置信息仅为待配准系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为式中，和由第j号标靶在参考系i和待配准系i+1中的位置和计算得到，其计算公式为进一步，优选的在步骤⑨中，At(k)的计算公式如下：当获得的扫描仪架设位置信息为参考系中的坐标信息时，At(k)的计算公式为式中，(tx0,ty0,tz0)为备选扫描仪在参考系i中的架设位置；当获得的扫描仪架设位置信息为待配准系中的坐标信息时，At(k)的计算公式为式中，(tx0,ty0,tz0)为备选扫描仪在参考系i+1中的架设位置。进一步，优选的在步骤②中，需要人工从目标场景中选择适合布设标靶的位置，记为标靶布设的备选位置(假设有m1个备选标靶布设位置)，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中标靶备选位置的坐标信息；当有两系的场景扫描点云时，同时获取两系中标靶备选位置的坐标信息；进一步，优选的在步骤③中，需先确定用于待配准系的专用或自制标靶个数(假设有k个标靶用于待配准系的配准)，再从m1个备选标靶位置中选择k个位置，作为标靶的一种布设方案，获取其相应的坐标信息；进一步，优选的在步骤⑦中，需要人工从目标场景中选择适合架设扫描仪的位置，记为扫描仪架设的备选位置(假设有m2个备选扫描仪架设位置)，备选位置信息与已有坐标系有关，当只有参考系或待配准系的场景扫描点云时，获取参考系或待配准系中扫描仪备选位置的坐标信息，当有两系的场景扫描点云时，只需获取其中任意一系下的备选位置坐标信息；进一步，优选的在步骤⑧中，从m2个备选扫描仪架设位置中选择1个位置，作为扫描仪的一种架设方案，获取其相应的坐标信息。本专利技术与现有技术相比具有如下有点：第一，通过构建标靶分布质量和和扫描仪架设位置质量的评价模型rDOP和tDOP，定量获取不同布设方案的质量指标(rDOP值和tDOP值)，解决了定量评价标靶分布质量模型从无到有的问题；第二，通过rDOP值来定量评价标靶分布的好坏，克服了现有评价方法完全依赖经验定性估计，无法明确指出“标靶分布的好坏程度”的缺点；并给出了“从所有可能的标靶布设方案中找出最佳标靶布设方案”的方法，即rDOP值最小的方案为最佳标靶布设方案，解决了现有评价方法无法找到最佳标靶布设方案的难题。第三，通过tDOP值来定量评价扫描仪架设位置的好坏，克服了现有评价方法完全依赖经验定性估计，无法明确指出“扫描仪架设位置的好坏程度”的缺点；并给出了“从所有可能的扫描仪架设方案中找出最佳扫描仪架设方案”的方法，即tDOP值最小的方案为最佳扫描仪架设方案，解决了现有评价方法无法找到最佳扫描仪架设方案的难题。附图说明图1为本专利技术rDOP值的计算流程图；图2为本专利技术tDOP值的计算流程图；图3为本专利技术定量评本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：包括如下步骤：①判断标靶位置是否已知，若已知则转第③步，若未知则继续；②选择可布设标靶的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；③确定标靶数和一种标靶布设方案，获取该方案下所有标靶的坐标信息；④计算此标靶布设方案的rDOP值，并由rDOP值的大小判断标靶的分布质量，rDOP值的计算模型为

【技术特征摘要】
1.一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于：包括如下步骤：①判断标靶位置是否已知，若已知则转第③步，若未知则继续；②选择可布设标靶的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；③确定标靶数和一种标靶布设方案，获取该方案下所有标靶的坐标信息；④计算此标靶布设方案的rDOP值，并由rDOP值的大小判断标靶的分布质量，rDOP值的计算模型为其中，Pr(k)为k个标靶的权矩阵，Ar(k)由标靶的坐标信息决定；⑤循环第③～④步，计算所有方案的标靶分布质量评价值，从中找出rDOP值最小的方案，即为最佳标靶布设方案；⑥判断扫描仪位置是否已知，若已知则转到第⑧步，若未知则继续；⑦选择可架设扫描仪的备选位置，获取所有备选位置的坐标信息；⑧确定一个扫描仪架设位置，获取该位置下的扫描仪坐标信息；⑨计算此扫描仪架设位置的tDOP值，并由tDOP值的大小判断扫描仪架设位置的质量，tDOP值的计算模型为其中，Pt(k)为k个标靶的权矩阵，At(k)仅与标靶位置信息和扫描仪位置信息决定；⑩循环第⑧～⑨步，计算所有扫描仪架设位置对应的质量评价值，从中找出tDOP值最小的位置，即为最佳扫描仪架设位置。2.根据权利要求1所述的一种定量评价点云配准中标靶分布质量的方法，其特征在于，在步骤④中，Ar(k)的计算公式如下：当获得的标靶位置信息为参考系和待配准系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为当获得的标靶位置信息仅为参考系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为当获得的标靶位置信息仅为待配准系中的坐标信息时，Ar(k)的计算公式为式中，和由第j号标靶在参考系i和待配准系i+1中的位置和计算得到，其计算公式为

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣华，游扬声，潘蕾西兰，万震，方西南，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50