基于线面几何特征的点云配准方法研究

摘要

城市建筑物三维点云模型作为一种自然呈现城市势态的高密度真彩点云数据，能解决目前城市管理系统中的三维数据生成慢、现势性差、更新困难等难点。目前城市点云数据采集手段主要包括：机载激光扫描系统（ALSS）、车载移动测量系统（MMS）、地面三维激光扫描系统（TLSS）等，各系统受自身载体平台以及扫描方式与视场角限制，难以完整地采集待测地物（尤其是构、建筑物）。为了获取完整的城市建筑物三维点云模型，针对多种手段获取的数据特征，结合各自优势，研究多源数据配准融合，实现城市建筑模型完整、准确描述。论文分析了各系统点云数据分辨率的差异性、同名特征点难以提取等特点，开展基于线、面几何特征的点云配准研究工作，主要研究如下：
　　（1）研究点云配准的相关理论，针对非线性七参数法、非线性十三参数法进行泰勒级数展开，引入初值进行迭代计算，初值的选取会对迭代的次数和转换精度产生影响。为解决初值问题，对罗德里格矩阵转换模型、四元数转换模型进行研究，罗德里格矩阵转换模型可直接求解，但存在奇异点；四元数转换模型可解决初值问题，且适合大角度旋转参数求解，参数描述简单、计算快速。
　　（2）研究基于同名特征的点云配准方法，利用同名特征点、线、面等几何特征来解算旋转矩阵R及平移矩阵T，从而实现点云配准。鉴于设备采集数据的分辨率的影响，在实际点云数据中并不存在完全意义上的同名特征点，进而影响点云配准难度与精度，论文采用同名线状特征和面状特征的点云配准方案，并通过实验验证了两者可以得到较高的配准精度。
　　（3）结合实验区域，分别对不同设备采集的点云数据进行数据预处理，利用八叉树建立点云索引，进行地面滤波等，得到满足配准要求的点云数据，进行点云配准实验。实验结果表明：地面点云数据配准精度在5cm内，而机载与地面点云的配准精度也达到了分米级，获得了较高的配准精度。

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摘 要

ABSTRACT

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contents

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 三维激光扫描系统

1.3 国内外研究现状

1.3.1 点云自动配准算法

1.3.2 人机交互式点云配准算法

1.4 主要研究内容及章节安排

2 基于四元素描述的空间坐标转换研究

2.1 常用的三维点云数据配准模型

2.1.1 七参数法

2.1.2 非线性七参数法

2.1.3 非线性十三参数法

2.1.4 罗德里格矩阵表示法

2.2 四元数表示法

2.2.1 四元数的定义及运算法则

2.2.2 基于四元数的旋转矩阵表示

2.3 本章小结

3 基于几何特征的点云配准方法研究

3.1 ICP算法

3.1.1 经典的ICP算法

3.1.2 改进的ICP算法

3.2 基于同名线状特征进行点云配准

3.3 基于同名面状特征进行点云配准

3.3.1 平面的规范化

3.3.2 基于RANSAC原理的平面拟合

3.3.3 基于面状特征的点云配准的实现

3.4 本章小结

4 机载和地面点云数据配准实验及分析

4.1 实验区及实验数据的获取

4.2 实验数据预处理

4.3 地面无缝化点云配准实验与分析

4.3.1 车载与地面站点云数据配准

4.3.2 精度验证

4.4 机载与车载点云数据配准实验与分析

4.4.1 机载与车载点云数据配准

4.4.2 精度验证

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢