本发明专利技术涉及的大规模三维场景多视点激光扫描数据自动配准方法，其步骤包括：获取数据，在被测场景前放置激光测距仪，调节激光测距仪使其Ｚ轴垂直地面，Ｘ和Ｙ轴平行于地面；对被测场景进行逐行逐列扫描，获得每一个视点的三维数据；相邻视点扫描数据要求保持１０％～２０％的重叠；提取被测物结构并对其数据进行特征提取；计算虚拟特征与构建特征单元，并进行粗配准精配准和全局配准，最后建立配准模型本发明专利技术可不借助任何外协设备和人工参与的方法，可解决大规模三维场景多视点激光扫描数据自动配准；具有普遍适用性，即适用于现代结构的场景又适用于复杂的大兴文物和古建。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机信息处理领域的三维数据配准方法，特别涉及一种。
技术介绍
三维数据配准是数字化和反求工程的关键技术。特别是随着中远距离三维激光扫描技术的出现，简化了三维数据获取过程，促进了数字城市、数字导航、虚拟现实、城市规划、文物数字化保护等相关领域的发展，基于地面的三维激光扫描数据备受重视。为了获得大规模三维场景完整几何描述，需要在几十个甚至几百个视点位置采集激光三维扫描数据，故而存在将不同视点的激光三维扫描数据转换在同一坐标系的配准问题。传统的多视点三维数据配准的研究多针对单一物体，最有代表性的是最近点迭代算法，即ICP算法该方法通过迭代在两视点激光扫描点集内寻找对应点，计算两视点的位置关系。不足之处在于需人工设定初始转换估计，易陷入局部最小，迭代时间长，不适合大规模配准。对于大规模场景常用配准方法有两种靶标控制点法和GPS等外协设备法。靶标控制点法要求在相邻视点重叠区域摆放靶标，利用激光对靶标特殊的反射特性自动寻找靶标控制点，只要相邻视点的激光扫描数据中有三个以上的同名控制点，即可求出相邻视点的坐标转换关系。如果场景中存在与靶标具有相同反射特性的物质，会误识靶标，配准失败，靶标控制点法需要大量人工干预，且有些环境无法放置靶标。GPS等外协设备法主要是借助外协设备获得激光扫描仪在各视点的位姿参数，不但设备价格昂贵，而且位姿参数精度不高，配准结果与实际情况有差异。因此，急需一种不借助任何外协设备直接将各视点的三维激光扫描数据无缝拼合在同一坐标系的自动大规模三维场景多视点三维数据配准方法。经文献检索分析，发现I.Stamos在2003年发表的名为“基于特征的城市大规模场景距离数据自动配准(AutomatedFeature-Based Range Registration of Urban Scenes of Large Scale)”的文章中提出了采用特征直线实现相邻视点三维激光数据自动配准方法，并称直线特征减少了几何复杂性，适合大规模配准。该方法不足之处在于只采用线性特征不具有普遍性，对于线性特征较少的大型文物、古建等三维场景配准常常失败。此外，没能解决因遮挡等实际因素影响重叠区域缺乏有效线性特征的配准问题。上述方法意在解决有重叠区域的两视点三维数据配准，至于几十个甚至几百个视点，必需采取有效的配准策略方可将其三维数据无锋拼合在同一坐标系。常用的配准策略有序列配准和同步配准。序列配准指一对视点配准后，另一对视点开始配准，且须包含前一对视点中的一个视点，环环相扣直到遍历所有视点为止。序列配准策略的优点在于同一时间只有一对视点参加配准，占用内存少；缺点在于存在较大的累积误差，特别是闭环形场景，首末视点间出现缝隙。同步配准则是所有视点同时配准，不会出现累积误差，配准精度高，但计算量大，对计算设备要求高。序列配准和同步配准均不适合大规模场景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种不借助任何外借设备直接将大规模三维场景多视点激光扫描数据自动无缝拼合在同一坐标系的配准方法。本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的，包括如下步骤1)数据获取由于大规模场景尤其室外场景，不仅包含主要建筑结构，而且含有树木、行人车辆等遮挡物，以及激光穿过透明物体形成的散乱点。遮挡物位于三维激光扫描仪与主要建筑结构之间，而激光穿过透明物体形成散乱点位于主要建筑结构之后。在测量时，在被测场景前放置激光测距仪，调整三维激光扫描仪，使其Z轴垂直地面，X和Y轴与地面平行；对被测场景进行逐行逐列扫描，获得每一个视点的三维数据；相邻视点扫描数据保持10％～20％的重叠；2)提取主要建筑结构输入每一视点对应的激光三维扫描数据，计算各垂直扫描线上采样点与激光测距仪的水平距离，并根据水平距离，利用哈夫变换检测垂直线段；以其所含的点数计算垂直线的长度，并选择最长垂直线段对应的水平距离为基准，基准之前δ1米和基准之后δ2米范围内的数据点为主要建筑结构；所述δ1为1米，δ2为0.5米；因为激光测距仪对场景是逐行逐列采样，对于每一垂直扫描线，其上属于同一垂直面的点到激光测距仪的水平距离相等，且主要建筑结构一般与地面垂直本专利技术逐一分析每一垂直扫描线，根据采样点到激光测距仪的水平距离，采用统计分布的方法确定主要建筑结构的区域范围，将主要建筑结构提取出来；3)对保留的主要建筑结构的数据点进行特征提取三维特征反映了场景内在的结构特征，简化了场景的几何复杂度，是多视点三维数据配准的有效基元。本专利技术首先采用加权局部曲线拟合分别处理水平扫描线和垂直扫描线，计算扫描线各点的一次微分；接着根据点的上下两邻域点的微分符号和点与其上下两邻域点的距离检测场景边缘点；然后利用链码跟踪技术形成不同的边缘链，并将同一边缘链的点拟合成首尾相连的一组线段，称为特征线段。相邻特征线段的交点为特征点；a)扫描线上各点微分对于每条扫描线上的采样点用(1)式进行局部二次拟合，并以该点沿扫描线方向上下k个邻近点为拟合区间，K为3-5；d^(i)=a0+a1i+a2i2---(1)]]>式中i-扫描线上采样点排序，i＝0，1，…，n； 第i点到激光测距仪的计算水平距离；a0，a1，a2-拟合方程(1)式的拟合系数；采用自适应加权拟合方法，求取拟合系数a0，a1，a2，且加权拟合误差函数为E′(i)=Σw(i){d(i)-d^(i)}2---(2)]]>式中d(i)-第i点到激光测距仪的实际水平距离；w(i)-扫描线上第i点的权值，代表点的可靠性；采用迭代权值修正法，逐步消除局部点的影响，使拟合仅在可靠点内进行；具体方法如下假设已知第m次迭代中系数为a0m，a1m，a2m，求第k+1次迭代中系数为a0m+1，a1m+1，a2m+1；首先计算第m次迭代的拟合残余量和第m次迭代的权值；ek(i)=(d(i)-d^m(i))2---(3)]]>wm+1(i)=1em(i)≤bsbsem(i)em(i)>bs---(4)]]>式中bs-误差允许阈值；初始权值w0(i)＝1，用(3)、(4)、(5)式不断修正拟合系数和权值，直至拟合曲线满足误差要求且包含最多点数为止；标记参与拟合的点；然后，利用(1)式计算扫描线上有标记各点的一次微分；∂d^(i)∂i=a1+2a2i---(5)]]>b)检测边缘点对于扫描线上有标记的各点，考察其沿扫描线方向上下有标记两点的一次微分符号，选择异号的点为法向不连续点，并标记为0；对于扫描线上有标记的各点，计算其与沿扫描线方向上下有标记两点距离，考察其中最大距离，选择最大距离大于阈值ε为深度不连续点，并标记为1；c)特征点线提取首先采用链码跟踪方法将边缘点区分成不同的边缘链，并将每一边缘链上的点按顺时针排序，然后通过分裂合并的方法将每一边缘链拟合成一组首尾相接的特征线段，具体方法如下·初始化将边缘链分为等长的若干段L0，L1，…，Ln·分裂利用最小二乘法对当前每一段Li拟合成直线选择离该拟合直线最远且最小残差Ei大于允许阈值T的一点为基准，将本段边缘链断开为两段，并不断分裂至满足拟合误差为止；依次处理其它各段；·合并选择拟合残差小于阈值T的相本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大规模三维场景多视点激光扫描数据自动配准方法，包括如下步骤：１）获取数据在被测场景前放置激光测距仪，调节激光测距仪使其Ｚ轴垂直地面，Ｘ和Ｙ轴平行于地面，对被测场景进行逐行逐列扫描，获得每一个视点的三维数据；相邻视点扫描数 据保持１０％～２０％的重叠；２）提取主要建筑结构输入每一视点对应的激光三维扫描数据，计算各垂直扫描线上采样点与激光测距仪的水平距离，并根据水平距离，利用哈夫变换检测垂直线段；以其所含的点数计算垂直线的长度，并选择最长垂直线段 对应的水平距离为基准，基准之前δ↓［１］米和基准之后δ↓［２］米范围内的数据点为主要建筑结构；所述δ↓［１］为１米，δ↓［２］为０．５米；３）对保留的主要建筑结构的数据点进行特征提取ａ）扫描线上各点微分对于每条扫描线 上的采样点用（１）式进行局部二次拟合，并以该点沿扫描线方向上下ｋ个邻近点为拟合区间，其拟合区间［－Ｋ，Ｋ］为［－３，３］；＊（ｉ）＝ａ↓［０］＋ａ↓［１］ｉ＋ａ↓［２］ｉ↑［２］（１）式中：ｉ－扫描线上采样点排序，ｉ＝０ ，１，…，ｎ；＊（ｉ）－第ｉ点到激光测距仪的计算水平距离；ａ↓［０］，ａ↓［１］，ａ↓［２］－拟合方程（１）式的拟合系数；采用自适应加权拟合方法，求取拟合系数ａ↓［０］，ａ↓［１］，ａ↓［２］，且加权拟合误差函数为 Ｅ′（ｉ）＝∑ｗ（ｉ）｛ｄ（ｉ）－＊（ｉ）｝↑［２］（２）式中：ｄ（ｉ）－第ｉ点到激光测距仪的实际水平距离；ｗ（ｉ）－扫描线上第ｉ点的权值，代表点的可靠性；采用迭代权值修正法，逐步消除局部点的影响，使拟合仅在可靠点 内进行；具体方法如下：假设已知第ｍ次迭代中系数为ａ↓［０］↑［ｍ］，ａ↓［１］↑［ｍ］，ａ↓［２］↑［ｍ］，求第ｋ＋１次迭代中系数为ａ↓［０］↑［ｍ＋１］，ａ↓［１］↑［ｍ＋１］，ａ↓［２］↑［ｍ＋１］；首先计算第ｍ次迭代的拟合残余量和第ｍ次迭代的权值；ｅ↑［ｋ］（ｉ）＝（ｄ（ｉ）－＊↑［ｍ］（ｉ））↑［２］（３）ｗ↑［ｍ＋１］（ｉ）＝＊＊＊（４）式中：ｂ↓［ｓ］－误差允许阈值；初始权值ｗ↑［０］（ｉ）＝１，用（３）、（４）、（５）式不 断修正拟合系数和权值，直至拟合曲线满足误差要求且包含最多点数为止；标记参与拟合的点；然后，利用（１）式计算扫描线上有标记各点的...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张爱武，孙卫东，胡少兴，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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