專利名稱：一種地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法主要應(yīng)用在地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和影像的融合，適用于任意拍攝角度的影像對于地面激光雷達(dá)點(diǎn)云的配準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于模型重建、古建保護(hù)中，并逐漸成為三維城市數(shù)據(jù)模型獲取的一種重要方法。如何獲取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的紋理一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。雖然很多地面激光掃描儀可以通過內(nèi)置相機(jī)同步獲取掃描點(diǎn)的紋理，但是其分辨率、攝影方式等不能滿足應(yīng)用的需要。目前，主要還是通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與攝影影像的配準(zhǔn)獲取其紋理特征。這里的配準(zhǔn)等同于攝影測量中的定向。對于3維與2維的配準(zhǔn)，已經(jīng)有很多研究成果，共線方程解法，基于共角條件的椎體解法，直接線性變換解法，基于羅德里格矩陣的直接接法，單位四元數(shù)法，奇異矩陣分解法等。 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和其光學(xué)影像的配準(zhǔn)存在著特殊性，首先，對于建筑物來說，對其內(nèi)外、 屋頂和地面分別進(jìn)行攝本方法以點(diǎn)特征為配準(zhǔn)基元，以羅德里格矩陣為旋轉(zhuǎn)矩陣，采用分布解法進(jìn)行配準(zhǔn)。首先應(yīng)用重心化特征點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算縮放系數(shù)；然后應(yīng)用重心化空間相似變換模型和羅德里格矩陣計(jì)算配準(zhǔn)參數(shù)的初始值；最后應(yīng)用共線方程最小二乘迭代計(jì)算配準(zhǔn)參數(shù)的精確值。該方法需要的配準(zhǔn)特征少，參數(shù)精度高，穩(wěn)健性強(qiáng)，既避免了大角度不收斂問題，又避免了配準(zhǔn)特征共面引起的參數(shù)不穩(wěn)定的問題，適合任意影像拍攝角度和配準(zhǔn)特征共面的激光雷達(dá)與紋理影像的配準(zhǔn)。影時(shí)的，其角度是任意的，很多情況是大角度攝影。 其次，某些掃描對象比如壁畫，配準(zhǔn)特征分布會(huì)出現(xiàn)共面現(xiàn)象。對于以上兩個(gè)問題，現(xiàn)有的方法不能夠完全解決。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)法，用配準(zhǔn)方于地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和拍攝影像的融合，其特征在于，包括以下步驟步驟一，在激光掃描影像形成的地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上選取多個(gè)特征點(diǎn)Al An，并且在拍攝影像上選取與所述多個(gè)特征點(diǎn)Al An相對應(yīng)的Bl Bn，以形成A1/B1 An/Bn 的η對特征點(diǎn)；步驟二，在被掃描的物方設(shè)定一個(gè)三維坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)該基準(zhǔn)點(diǎn)確定地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上的各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Υ，Ζ)，以及確定拍攝影像上各特征點(diǎn)Bl &ι 的二維坐標(biāo)，并且將拍攝影像的焦距設(shè)定為各特征點(diǎn)Bl 的第三維坐標(biāo)(X，y，-f)；步驟三，將各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)重心化為(Xm，Yffl, Zffl)，將各特征點(diǎn)Bl Bn的三維坐標(biāo)(x, y，-f)重心化為(xm, ym，0)；步驟四，根據(jù)步驟三中的重心化坐標(biāo)，計(jì)算各特征點(diǎn)Bl 的三維坐標(biāo)(X，y，-f) 相對于各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)的縮放系數(shù)，并最終計(jì)算出拍攝影像相對于激光掃描影像的縮放系數(shù)入；步驟五，將拍攝影像相對于激光掃描的點(diǎn)云空間姿態(tài)設(shè)為羅德里格矩陣的正交矩陣R，應(yīng)用重心化空間相似變換模型和羅德里格矩陣計(jì)算配準(zhǔn)參數(shù)；步驟六，根據(jù)正交矩陣R和縮放系數(shù)λ計(jì)算出攝影像相對于激光掃描影像的平移矩陣參數(shù)(Xs，Ys, Zs)；步驟七，根據(jù)縮放系數(shù)λ、配準(zhǔn)參數(shù)和平移矩陣參數(shù)，將地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和拍攝影像融合。優(yōu)選的是，所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法中，在步驟四中，計(jì)算縮放系數(shù)λ的方式如下1)首先計(jì)算各特征點(diǎn)Bl 相對于各特征點(diǎn)Al An的縮放系數(shù)λ ,每個(gè)特征點(diǎn)的縮放系數(shù)λ i的計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，用于地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和拍攝影像的融合，其特征在于，包括以下步驟步驟一，在地面激光雷達(dá)形成的地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上選取多個(gè)特征點(diǎn)Al An，并且在拍攝影像上選取與所述多個(gè)特征點(diǎn)Al An相對應(yīng)的Bl Bn，以形成A1/B1 An/Bn的η 對特征點(diǎn)；步驟二，在被掃描的物方設(shè)定一個(gè)三維坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)該坐標(biāo)原點(diǎn)確定地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上的各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Y，Ζ)，以及確定拍攝影像上各特征點(diǎn)Bl &ι 的二維坐標(biāo)，并且將拍攝影像的焦距設(shè)定為各特征點(diǎn)Bl 的第三維坐標(biāo)(X，y，-f)；步驟三，將各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)重心化為(Xm，Yffl, Zm)，將各特征點(diǎn) Bl Bn的三維坐標(biāo)(X，y，-f)重心化為(xm, ym，0)；步驟四，根據(jù)步驟三中的重心化坐標(biāo)，計(jì)算各特征點(diǎn)Bl 的三維坐標(biāo)(X，y，-f)相對于各特征點(diǎn)Al An的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)的縮放系數(shù)，并最終計(jì)算出拍攝影像相對于激光掃描影像的縮放系數(shù)入；步驟五，將拍攝影像相對于激光掃描的點(diǎn)云空間姿態(tài)設(shè)為羅德里格矩陣的正交矩陣R， 應(yīng)用重心化空間相似變換模型和羅德里格矩陣計(jì)算配準(zhǔn)參數(shù)中的羅德格里矩陣參數(shù)(a，b， c)；步驟六，再根據(jù)正交矩陣R和縮放系數(shù)λ計(jì)算出攝影像相對于激光掃描影像的配準(zhǔn)參數(shù)中的平移參數(shù)(Xs，k，Zs)；步驟七，以上述求出的配準(zhǔn)參數(shù)作為初始值，依據(jù)共線方程的最小二乘迭代求解配準(zhǔn)參數(shù)的精確值。步驟八，根據(jù)配準(zhǔn)參數(shù)精確值和共線方程，將地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和拍攝影像融合。
2.如權(quán)利要求1所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，在步驟四中，計(jì)算縮放系數(shù)λ的方式如下1)首先計(jì)算各特征點(diǎn)Bl 相對于各特征點(diǎn)Al An的縮放系數(shù)λ ,每個(gè)特征點(diǎn)的縮放系數(shù)λ i的計(jì)算公式為
3.如權(quán)利要求2所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟五中的重心化的空間相似變換模型為
4.如權(quán)利要求3所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟五中的配準(zhǔn)參數(shù)通過重心化空間相似變換模型和羅德里格矩陣計(jì)算后，得到初始值，再通過共線方程的最小二乘迭代，得到精確值，其迭代中羅德格里矩陣參數(shù)(a，b，c)法方程的系數(shù)為
5.如權(quán)利要求4所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，最小二乘迭代的終止條件為以配準(zhǔn)參數(shù)標(biāo)記的影像角元素改正數(shù)兩次運(yùn)算差值小于0. 1秒。
6.如權(quán)利要求1所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟五中正交矩陣R被設(shè)定為
7.如權(quán)利要求4所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟五中正交矩陣R被設(shè)定為
8.如權(quán)利要求7所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述共線方程為
9.如權(quán)利要求7所述的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，其特征在于，對應(yīng)特征點(diǎn)至少為4對。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)紋理影像配準(zhǔn)方法，用于地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和拍攝影像的融合，包括以下步驟步驟一，在激光掃描影像形成的地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上選取多個(gè)特征點(diǎn)A1～An，并且在拍攝影像上選取與多個(gè)特征點(diǎn)A1～An相對應(yīng)的B1～Bn；步驟二，在被掃描的物方設(shè)定一個(gè)三維坐標(biāo)原點(diǎn)，確定地面激光雷達(dá)點(diǎn)云上的各特征點(diǎn)A1～An的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，并且將拍攝影像的焦距設(shè)定為各特征點(diǎn)B1～Bn的第三維坐標(biāo)(x，y，-f)；重心化坐標(biāo)，并計(jì)算縮放系數(shù)，以及計(jì)算正交矩陣R的配準(zhǔn)參數(shù)；以上述參數(shù)為初始值，應(yīng)用最小二乘迭代法解算配準(zhǔn)參數(shù)的精確值。本發(fā)明在計(jì)算出上述參數(shù)的情況下，通過縮放、旋轉(zhuǎn)和平移，就能夠?qū)⑴臄z影像融合入激光掃描影像中，形成彩色點(diǎn)云模型。
文檔編號G06T3/00GK102314674SQ201110250748
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者王國利, 王晏民, 胡春梅, 郭明 申請人:北京建筑工程學(xué)院