三维激光扫描球形标靶拟合及中心定位_范优优.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20210906作者简介:范优优(1987)，女，浙江天台人，高级工程师，学士，主要从事测绘地理信息数据加工等方面的工作。三维激光扫描球形标靶拟合及中心定位范优优1，温波2(1 天台县诚投勘察规划设计有限公司，浙江 天台 317200;2 浙江启真信息科技有限公司，浙江 杭州 311011)摘要:三维激光扫描技术的出现，突破了传统的测量方法和数据处理方式，拥有全新的研究方向和应用空间。本文对三维激光扫描技术的应用与特点进行论述，编写球面拟合的程序，处理实测数据，并进行正确性检验，结果表明，三维激光扫描技术在一定程度上提高了内业处理效率。关键词:点云配准;三维激光;扫描;球面拟合中图分类号:P225 2文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06017503Three Dimensional Laser Scanning Spherical TargetFitting and Center PositioningFAN Youyou1，WEN Bo2(1 Tiantai Chengtou Survey，Planning and Design Co，Ltd，Tiantai 317200，China;2 Zhejiang Qizhen Information Technology Co，Ltd，Hangzhou 311011，China)Abstract:The emergence of threedimensional laser scanning technology breaks through the traditional measurement methods and dataprocessing methods，and has a new research direction and application space This paper discusses the application and characteristicsof threedimensional laser scanning technology，compiles the program of spherical fitting，processes the measured data，and verifiesthe correctness The results show that threedimensional laser scanning technology improves the indoor processing efficiency to a cer-tain extentKey words:point cloud registration;3D laser;scanning;spherical fitting0引言进入 21 世纪以来，随着科学技术的发展，测绘技术日新月异1。其中三维激光扫描技术的出现，突破了传统的测量方法和数据处理方式，拥有全新的研究方向和应用空间。三维激光扫描技术也叫实景复制技术，利用三维激光扫描，获得真实的立体信号快速、准确地显示2。巧妙的数字信号转换可以直接在计算机上进行处理，三维激光扫描技术是一种直接获取三维坐标的观测技术，表面信息表面点是通过观测来实现的。物体的位置、距离和角度，三维场景的提取与重建是测量领域的一个新突破3。一般来说三维激光扫描仪测量物体时，一次只能得到单面的点云数据，如果想要得到完整的点云数据，必须要通过多个测站进行扫描测量4。但是因为在不同的位置进行测量时坐标系统不一样，所以需要把不同测站下测量的点云数据统一，将它们转换到相同坐标系下融合，这样才能获得整个物体表面的点云信息5。数据配准就是将坐标系统一和点云融合的过程。为了把不同坐标系中的点云数据转换到相同坐标系中并进行融合，可以运用标靶法。标靶法有两种，一种是平面标靶法;另一种是球形标靶法6。本文对球形标靶法进行研究，通过随机数据，进行球面拟合，对拟合产生的结果进行分析，提高内业处理效率。点云数据配准是三维建模中的关键技术，它直接影响最后的合成结果和模型精度。经实践证明，利用无特征配准方法进行点云配准比较方便，外业无须放置标靶，可以减少外业工作量，但其配准精度较标靶配准较低。利用共面特征和 KNNS 不仅能够合理改善配准参数，而且可提高点云配准效率，提出的平面特征和KNNS 的 ICP 算法适合于具有平面特征的建筑物的配准。基于特征点提取和匹配的方法可为 1CP 算法提供良好的点云初始位置，并提高配准精度和可靠性。配准方法中控制网的采用能够实现坐标系的转换，球靶标的运用能明显提高配准模型的精度和效率，压缩算法实现了点云数据的特征保留。论证了 SIFT 算法在点云配准中具有速度快和稳定性好的特点。通过点云配准误差实验，验证了点云配准精度与点云模型累积误差的定量关系，从而可对点云配准的质量进行评估。1三维激光扫描的数据处理流程1 1三维激光扫描系统建模的流程一般情况下如果想要得到完整的点云信息，只能设置多个测站从多个角度对物体进行测量7。应照当地实际情况进行布置，而且为了接下来的点云配准，要对标靶的方位和个数进行合理的安排。在没有全站仪或全球定位系统的情况下，站点的布局最好关闭，因此，很容易检查和处理误差变化8。在测量中，因为三维激光扫描技术能够直接获取大量的点云数据，所以在众多领域中具有十分重要的意义。虽然这项技术也存在诸多缺陷，如原始的数据点云存在噪声、点云数据容易产生缺失、点云数据配准误差大等，但是这些缺陷都不能掩盖它的优点。为了在实际测量中获得比较好的模型，许多学者开始关注并研究三维点云数据的处理算法。一般来说，三维激光扫描系统的内业数据处理流程主要包括以下几个部分:点云着色、点云去噪、漏洞修补、点云简化、点云配准、模型重建和纹理映射等。1 2点云配准原理与方法三维激光技术中比较重要的部分就是点云配准，配准的准确与否直接影响到最后结果是否准确9。数据配准就是把不同坐标中的点云数据统一到单独的坐标系内，每个单独的数据都拥有独立的坐标系，可以用一个旋转矩阵 r 和三维平移向量 t 来表示。在重新建立三维模型时，把三维激光扫描数据建立到同一坐标系中来对数据进行处理的过程叫做点云数据的空间配准。点云配准方法要求相邻两个观测站的扫描区域必须有一定程度的重叠，而重叠区域的特征应该是显而易见的10。三维激光扫描得到的是大量的点云数据，和全站仪测量的单点坐标精度进行比较，使用三维激光扫描得到的单点坐标的精度低于全站仪获得的扫描数据。由于仪器本身的误差和扫描面积、环境等因素，通过扫描得到的点云数据会有一些错误。当我们选择特征点时，也会出现一些错误。分辨率和扫描距离也会影响最终的拼接精度。因此，尽管该方法计算精度不高，点云配准精度略低于基于目标配准的配准精度，但仍能满足精度要求。1 3三维激光扫描技术的应用作为 20 世纪 90 年代发展起来的全新技术，三维激光扫描技术有着广泛的应用，主要可以应用在测绘工程、结构测量、文化古迹测量、国防军事、文化娱乐、矿产地质等方面。2球形标靶拟合程序开发2 1球形标靶拟合原理球形标靶的拟合本质上是一个球面拟合问题，即根据观测到的球面点计算球心坐标及半径。我们可以假设球心为 x0、y0、z0，半径为 r。2 2点云的粗差剔除在实际测量活动中，运用三维激光扫描仪对物体展开测量的时候，由于很多外在因素的干扰，比如路上的人群、交通工具运动产生的误差，植被、建筑物等物品的遮挡等，肯定会使得测量收集得到的数据存在粗差，也就是数据有异常的地方，所以要对数据进行预处理，剔除异常的数据点。2 3球面拟合程序为了检验程序的有效性，假定球心坐标 x0，y0，z0分别为 100、45、75，半径为 2，随机生成球面上 800 个点，并加入不同数量的粗差。图 1 为不包含粗差的球面数据。图 1不包含粗差的球面数据Fig 1Spherical data without gross error图 2 显示了粗差剔除前后的球面数据。表 1 给出了粗差剔除前后的球心坐标和半径的估计结果。从表 1 可以看出，经过粗差剔除后，球心坐标和半径的估计误差明显减小，说明粗差剔除有助于获得更加精确的结果。图 2粗差剔除前后的球面数据(10 个粗差)Fig 2Spherical data before and after gross errorelimination(10 gross errors)图 3 显示了粗差剔除前后的球面数据，表 2 给出了粗差剔除前后的球心坐标和半径的估计结果。从表 1 可以看出，在加入 50 个粗差后，估计得到的球心坐标和半径偏671测绘与空间地理信息2023 年离了真实值。与第一种情况加入 10 个粗差的结果类似，经过粗差剔除后，球心坐标和半径的估计误差明显减小，说明粗差剔除有助于获得更加精确的结果。表 1粗差剔除前后的球心坐标和半径的估计结果及其误差(10 个粗差)(单位:米)Tab 1Estimation results and errors of spherical centercoordinates and radius before and after grosserror elimination(10 gross errors)(unit:m)参数估计结果估计误差粗差剔除前粗差剔除后粗差剔除前粗差剔除后x099 980 4100 010 30 019 60 010 3y045 091 745 009 40 091 70 009 4z075 163 675 012 20 163 60 012 2r2 050 21 995 80 050 20 004 2表 2粗差剔除前后的球心坐标和半径的估计结果及其误差(50 个粗差)(单位:米)Tab 2Estimation results and errors of spherical centercoordinates and radius before and after grosserror elimination(50 gross errors)(unit:m)参数估计结果估计误差粗差剔除前粗差剔除后粗差剔除前粗差剔除后x0100 008 5100 001 70 008 50 001 7y045 078 544 996 40 078 50 003 6z075 156 475 005 70 156 40 005 7r2 044 01 990 50 044 00 009 5图 3粗差剔除前后的球面Fig 3Spherical surface before and after grosserror elimination3总结随着三维激光扫描技术的发展，三维激光扫描系统已广泛应用在虚拟地理场景、文物保护、变形监测等领域。本文从球形标靶的拟合出发，编写了球面拟合程序并进行了验证。围绕本论文所进行的主要研究工作如下:1)探讨了三维激光扫描技术的研究现状，以及三维激光扫描技术的发展状况。2)介绍了三维激光扫描的数据处理流程，三维激光扫描技术在生产生活中的应用，并对三维激光扫描的特点进行了论述。3)介绍了点云配准的原理，主要总结了目前点云配准的方法，对点云配准方法进行了分类与研究。4)论述了球面拟合算法，编写了球面拟合程序，并对程序进行了检验。4结束语本研究理论联系实际，编写了球面拟合程序，在一定程度上提高了内业处理效率。研究虽然取得了一些成果，但仍然有一定的局限性。1)本文虽然总结了点云配准的方法，但是由于时间与篇幅限制，并没有深入研究，有待进一步探讨。2)点云去噪的方法有很多，本文只采用了一种方法，并没有采用其他方法分析比较得出最佳的点云去噪方法。3)本文只使用 MATLAB 编写了球面拟合程序，未使用其他方法进行编程，没有得出最佳的编程。参考文献:1宁津生，王正涛