陳良良，隋立春，蔣 濤，薛 勇，黃維臣

(1. 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 北京則泰集團，北京 100107)

一、引 言

地面三維激光掃描技術(shù)作為近年來逐漸發(fā)展起來的一項新技術(shù)，以其所具有的快速、非接觸、高密度、高精度等獨特優(yōu)勢[1-2]，在城市三維建模、復(fù)雜工業(yè)設(shè)備測量、建筑與文物保護、地形測量、變形測量等領(lǐng)域都得到了較好的應(yīng)用。

在實際測量中，所掃描的物體都具有三維空間特征，而由于光的直線傳播特性及遮擋物的存在，要獲得待掃描物體完整的表面特征，需要掃描儀能夠進行多站位多視角掃描，獲取待掃描物體的分站點云數(shù)據(jù)，然后將分站掃描數(shù)據(jù)進行拼接，從而得到待掃描物體的整體三維點云信息，為后續(xù)物體表面三維建模等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二、地面三維激光掃描原理

三維激光掃描儀根據(jù)測距原理的不同可分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。目前使用較多的是脈沖式掃描儀，其掃描的原理是根據(jù)測量激光束從發(fā)射到返回所用的時間得到距離觀測值S,由精密時鐘控制編碼器保證激光掃描儀能同步測量出橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ[3]。

激光掃描系統(tǒng)一般使用的是儀器自定義的坐標系：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。則可得目標物表面激光角點的坐標公式為

由于掃描儀在測量時每一站都有儀器自定義的坐標系，點云的配準實質(zhì)上就是進行坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移，使得位于不同坐標系中的點云統(tǒng)一到同一個坐標系中，即要使第i站掃描的點云坐標(Xi,Yi,Zi)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標系中的坐標(XC,YC,ZC)。

圖1

上式是一個非線性方程，至少需要3個公共點方可求得式中的6個參數(shù)，從而完成坐標系的轉(zhuǎn)換。

三、地面三維激光掃描數(shù)據(jù)配準

由式(2)可知，要實現(xiàn)兩個坐標系的統(tǒng)一，即完成掃描數(shù)據(jù)的配準，關(guān)鍵是要找出兩分站之間的公共點。掃描數(shù)據(jù)的配準就是把不同視點的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系下面，使之成為一個整體[4]。掃描數(shù)據(jù)的配準方法依據(jù)不同的分類標準有不同的分類方法[5]，其中根據(jù)配準時所采用的基元可以將點云數(shù)據(jù)的配準分為兩大類：依據(jù)特征的配準和無特征的配準。

1. 依據(jù)特征的配準

依據(jù)特征的配準是指找出待配準的點云中的一些明顯的特征點，利用這些同名特征點解算點云配準參數(shù)。依據(jù)特征的配準根據(jù)所采用的特征不同，又可分為幾種不同的配準方法。

(1) 標靶配準

該方法是利用一些特制的標靶作為同名特征點進行配準，特制的標靶主要有球標靶和平面標靶。掃描時，可以將這些標靶放置在掃描區(qū)域的適當位置，同時保證相鄰掃描站都能掃描到3個以上的公共標靶，采用適當?shù)膾呙杳芏?，對關(guān)注的物體進行掃描。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，將分站點云導(dǎo)入掃描儀配套的軟件中，采用人機交互的方式，由軟件自動提取單站中標靶的中心位置(作為特征點)，然后由操作者對其進行命名，保證相同的特征點具有相同的名字。然后自動解算配準參數(shù)，對點云數(shù)據(jù)進行配準。圖2是四、五兩單站的數(shù)據(jù)，圖3是利用Cyclone軟件采用標靶拼接得到的某寺廟第四、五兩站點云配準圖。

圖2 四、五兩單站點云數(shù)據(jù)

圖3 四、五兩站點云配準圖

經(jīng)實踐證明采用標靶中心點作為特征點進行配準，其精度是較高的，單點誤差可達到1 mm,可見當進行高精度的點云配準時，標靶法是比較理想的方法。

(2) 無標靶的特征配準

這種配準方法與標靶配準的原理是一樣的，但是在掃描區(qū)域內(nèi)不放置標靶。內(nèi)業(yè)進行數(shù)據(jù)的配準時，人工選取兩分站中公共區(qū)域的特征點進行命名，這些點最好能選擇一些易于識別且具有良好特征的點，如墻角點、點云數(shù)據(jù)較完整的臺階邊上的點、宣傳標語的字等，然后由軟件來解算配準參數(shù)并配準。

由于三維激光掃描不同于傳統(tǒng)的單點測量，無法對某一特定點進行有目的的掃描以獲取其精確的三維坐標[6]。而且掃描儀進行掃描時，在同一掃描線內(nèi)及相鄰掃描線之間都以一定的間隔進行數(shù)據(jù)采集，同時由于激光束的發(fā)散使得落到物體表面的掃描光斑也不是一個點，使得選取的同名特征點其實并非真實的同名點，再加上人為選取的誤差，使得單純在點云中人工選取同名特征點進行配準精度較低，且效率不高。

(3) 混合配準法

由于在掃描現(xiàn)場不可能完全做到相鄰站之間有3個以上的公共標靶特征點，尤其對于一些現(xiàn)場環(huán)境較復(fù)雜的掃描區(qū)域，要擺放滿足數(shù)量且位置合適的標靶需要耗費很多的時間。此時，通常在外業(yè)放置一定數(shù)量的標靶，而在內(nèi)業(yè)進行數(shù)據(jù)配準時通常將標靶配準和無標靶的特征配準結(jié)合起來。當標靶數(shù)量不能滿足結(jié)算要求時，就人工選取一些特征點，以滿足配準參數(shù)結(jié)算的要求。這種方法在實際的點云配準中是很常用的，而且實踐證明其精度也能達到要求。

2. 無特征的配準

相對于特征配準而言，無特征的配準在掃描之前不在掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)置標靶，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時也不采用人工選取同名特征點的方法進行配準。它是采用一定的算法，利用原始點云通過迭代計算從而完成點云數(shù)據(jù)的配準。無特征配準所采用的最基本的算法是由Bsel和Mckay提出的ICP算法[7]，即迭代最近點算法。

ICP算法的基本思想是設(shè)定兩個數(shù)據(jù)集P和Q，以P作為數(shù)據(jù)體，Q作為模型體。其中要求P中的數(shù)據(jù)都以離散點形式存在，而對于Q的數(shù)據(jù)存在形式無要求。對P中的每一個離散點，在Q中搜索其對應(yīng)最近點，組成最近點對，以這些點對計算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，將P中的點在旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量的作用下進行變換，得到各點經(jīng)過一次變換的坐標，同時建立點對的誤差函數(shù)，然后繼續(xù)進行迭代計算，直至相鄰兩次迭代計算的誤差值小于設(shè)定的閾值，則迭代計算終止。

傳統(tǒng)ICP算法雖然能夠解決拼接問題，但它只適用于存在明確對應(yīng)關(guān)系的點集之間的拼接，而且由于每次迭代都需要計算目標點集中的每個點在參考點集中的對應(yīng)點，故效率較低[8]。后來學(xué)者對ICP算法進行了一些改進[9-10]，取得了不錯的結(jié)果。

現(xiàn)行的地面三維激光掃描后處理軟件都具有利用算法進行配準的功能，以Cyclone軟件為例，進行配準時，只需在具有公共掃描區(qū)域的兩幅點云中的公共區(qū)域按照一定的準則選取至少三對點，相當于給定迭代計算的初始值，然后軟件就可自動進行迭代計算，從而對點云進行配準。圖4是利用Cyclone軟件采用無特征配準方法得到的第四、五兩站配準后的圖形。

圖4 四、五兩站點云配準圖

經(jīng)實踐證明，利用無特征配準方法進行點云配準是比較方便的，外業(yè)無需放置標靶，可以減少外業(yè)工作量，但其配準精度較標靶配準較低。

四、結(jié)束語

通過對地面三維激光掃描各種配準方法進行分析比較，同時結(jié)合實際經(jīng)驗，可以得到利用標靶進行配準的方法是精度較高的，對于一些小場景如古建筑的掃描等采用標靶法進行配準是可取的。對于一些大場景的掃描區(qū)域(如地形掃描)，由于外業(yè)放置大量的標靶是不實際的，同時標靶在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時也不好尋找，因此常采用無特征的配準方法。在實際工作中，還應(yīng)根據(jù)掃描區(qū)域的狀況及工程所要求的精度，進行前期整體的規(guī)劃，從而在后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時可以采用適當?shù)姆椒ㄟM行點云數(shù)據(jù)的配準。

參考文獻：

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