一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，包括如下步驟：步驟一、采用地面激光雷達(dá)獲取被測對象的激光點(diǎn)云；步驟二、將地面激光雷達(dá)的激光源作為投影中心，利用投影中心和激光點(diǎn)云的中心點(diǎn)確定出一條中心點(diǎn)投影射線，以垂直于該中心點(diǎn)投影射線且經(jīng)過中心點(diǎn)的平面作為投影平面，激光點(diǎn)云在投影平面內(nèi)投影得到相應(yīng)投影點(diǎn)；步驟三、建立所有投影點(diǎn)的最小外包矩形和一矩形圖形，利用間距相同的格網(wǎng)劃分最小外包矩形和矩形圖形，且矩形圖形的任一網(wǎng)格單元在最小外包矩形中具有對應(yīng)的網(wǎng)格單元；對于矩形圖形中的任一網(wǎng)格單元，利用最小外包矩形中距離最近的投影點(diǎn)的反射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為灰度值并將該灰度值賦予該網(wǎng)格單元。
【專利說明】一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方
法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及攝影測量和激光雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地面激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與光學(xué)中心投影近景影像(以下簡稱近景影像)的自動(dòng)配準(zhǔn)是近些年的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。地面激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于三維的信息，而近景影像屬于二維信息。三維和二維之間的配準(zhǔn)問題在一些情況下可以轉(zhuǎn)化為二維與二維的匹配，一般采用激光雷達(dá)點(diǎn)云反射強(qiáng)度圖像與近景影像直接進(jìn)行匹配。激光點(diǎn)云的反射強(qiáng)度與被測物的材質(zhì)、顏色、掃描角度、距離、反射特性、反射系數(shù)等相關(guān)，大部分車載、機(jī)載等激光掃描儀以線性掃描方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在排除儀器、環(huán)境等系統(tǒng)誤差和偶然誤差的影響外，根據(jù)其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，以激光反射強(qiáng)度生成的強(qiáng)度圖像相對于近景影像(即在影像上看到的信息)變形較小。而地面激光雷達(dá)一般采用的是以激光雷達(dá)中心點(diǎn)為中心的球面投影方式獲取數(shù)據(jù)，若直接以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式依據(jù)激光反射強(qiáng)度生成圖像，將會(huì)使得生成的圖像較之于真實(shí)的近景影像有較大的變形。球面投影影像和平面投影影像之間的差異較大，特別對于近距離、高角度的對象，這一差異增大了地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像與近景影像的自動(dòng)匹配的難度，故需要尋找一種方法降低這種差異性，以增加兩種異源圖像之間匹配的準(zhǔn)確性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的之一是提供一種地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法；
[0004]本發(fā)明的另一目的是提供一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，降低地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像與近景影像差異性，使這兩種非同源圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配準(zhǔn)確度和可靠性更佳。
[0005]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0006]一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一、數(shù)據(jù)采集:使用地面激光雷達(dá)獲取待掃描物的激光點(diǎn)云；
[0008]步驟二、中心投影:將地面激光雷達(dá)的激光源作為投影中心，利用所述投影中心和所述激光點(diǎn)云的中心點(diǎn)確定出一條中心點(diǎn)投影射線，以垂直于所述中心投影射線且經(jīng)過所述中心點(diǎn)的平面作為投影平面，由所述投影中心和所述激光點(diǎn)云中的點(diǎn)形成的投影射線與所述投影平面相交生成相應(yīng)投影點(diǎn)；依照本發(fā)明的方法選擇的投影平面是與激光點(diǎn)云最佳符合的平面，這樣可以使點(diǎn)云投到投影平面上的相對位置準(zhǔn)確，不會(huì)發(fā)生偏移；如果使用激光點(diǎn)云中的除中心點(diǎn)以外的點(diǎn)與投影中心確定出的另外的投影平面，將會(huì)造成投影不準(zhǔn)確，導(dǎo)致投影點(diǎn)的錯(cuò)位。
[0009]步驟三、反射強(qiáng)度圖像生成:步驟(I)、建立所有投影點(diǎn)的最小外包矩形，利用格網(wǎng)劃分所述最小外包矩形；步驟(2)、建立一矩形圖形，利用格網(wǎng)劃分所述矩形圖形，所述矩形圖形與最小外包矩形具有相同的格網(wǎng)間距，且所述矩形圖形的任一網(wǎng)格單元在所述最小外包矩形中具有對應(yīng)的網(wǎng)格單元；步驟(3)、計(jì)算所述矩形圖形中所有網(wǎng)格單元的灰度值，其中，對于所述矩形圖形中的任一網(wǎng)格單元，利用所述最小外包矩形中距離對應(yīng)網(wǎng)格單元最近的投影點(diǎn)的反射強(qiáng)度值計(jì)算灰度值，將該灰度值賦予矩形圖形中的網(wǎng)格單元。
[0010]優(yōu)選的是，所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法中，
[0011]所述步驟一中，所述激光點(diǎn)云位于地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系內(nèi)，該坐標(biāo)系是以地面激光雷達(dá)的激光源中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y軸為儀器在初始化時(shí)的固定方向，Z軸豎直向上并垂直于Y軸，X軸垂直于YOZ平面，其正方向由右手螺旋法則確定；
[0012]所述步驟(I)中，以所述最小外包矩形的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)、以該頂點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)邊分別為橫軸OX和縱軸0Y、以垂直于XOY平面為Z軸方向建立一投影平面空間直角坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，并使所有投影點(diǎn)均位于第一卦限內(nèi)，將所有投影點(diǎn)由所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系變換至所述投影平面空間直角坐標(biāo)系下，在所有的投影點(diǎn)中，計(jì)算最大和最小的橫坐標(biāo)值的差值，計(jì)算最大和最小的縱坐標(biāo)值的差值；
[0013]所述步驟(2)中，建立一個(gè)與投影平面空間直角坐標(biāo)系完全重合的像平面坐標(biāo)系，在所述像平面坐標(biāo)系內(nèi)建立矩形圖形時(shí)，以橫坐標(biāo)的差值的整數(shù)值為所述矩形圖形的寬，以縱坐標(biāo)的差值的整數(shù)值為所述矩形圖形的高，其中，所述矩形圖形的一個(gè)頂點(diǎn)與所述像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，該頂點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)邊分別為像平面坐標(biāo)系的橫軸和縱軸重合，以使所述矩形圖形位于第一象限內(nèi)。這里所說的橫坐標(biāo)的差值的整數(shù)值實(shí)際上為[橫坐標(biāo)的差值/采樣間隔]+1，[]括號(hào)中的數(shù)值取整，同理，縱坐標(biāo)的差值的整數(shù)值為[縱坐標(biāo)的差值/采樣間隔]+1，[]括號(hào)中的數(shù)值也取整，以此兩個(gè)數(shù)值分別作為矩形圖形的寬和高，然后將矩形圖形利用點(diǎn)云采樣間隔為間距的格網(wǎng)劃分，而同時(shí)被劃分的最小外包矩形由于其寬和高的距離不一定是采樣間隔的整數(shù)倍，所以最小外包矩形在沿橫軸和縱軸方向遠(yuǎn)離原點(diǎn)的兩側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)不是完整的一個(gè)格網(wǎng)的情況，但是，此時(shí)，仍使用這些可能不是完整的格網(wǎng)中的投影點(diǎn)，當(dāng)使用鄰域搜索算法進(jìn)行灰度值的計(jì)算時(shí)，仍將投影點(diǎn)的反射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為灰度值后賦予矩形圖形相應(yīng)的格網(wǎng)單元中，最終生成反射強(qiáng)度圖像。
[0014]優(yōu)選的是，所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法中，所述格網(wǎng)間距為所述地面激光雷達(dá)的采樣間距。
[0015]優(yōu)選的是，所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法中，所述步驟(3)中，對于所述最小外包矩形中任一網(wǎng)格單元，距離最近的投影點(diǎn)通過鄰域搜索方法計(jì)算得到。
[0016]優(yōu)選的是，所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法中，所述步驟(I)中，在進(jìn)行任一投影點(diǎn)的坐標(biāo)變換時(shí)，先計(jì)算橫軸OX和縱軸OY軸在所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系下的空間直線方程，再計(jì)算投影點(diǎn)到橫軸和縱軸的距離X和Y，則該投影點(diǎn)在投影平面空間直角坐標(biāo)系O-XYZ內(nèi)的坐標(biāo)為(X，Y, O)。
[0017]優(yōu)選的是，所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法中，所述步驟二中，在所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系內(nèi)，所述投影平面的具體計(jì)算過程為:
[0018]利用由所述投影中心(X。，yQ, zQ)向所述中心點(diǎn)(xd, yd, zd)形成中心點(diǎn)投影射線，并計(jì)算出該投影射線所在的空間直線方程:
【權(quán)利要求】
1.一種基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、數(shù)據(jù)采集:采用地面激光雷達(dá)獲取被測對象的激光點(diǎn)云； 步驟二、中心投影:將地面激光雷達(dá)的激光源作為投影中心，利用所述投影中心和所述激光點(diǎn)云的中心點(diǎn)確定出一條中心點(diǎn)投影射線，以垂直于所述中心點(diǎn)投影射線且經(jīng)過所述中心點(diǎn)的平面作為投影平面，由所述投影中心和所述激光點(diǎn)云中的點(diǎn)形成的投影射線與所述投影平面相交得到相應(yīng)投影點(diǎn)； 步驟三、反射圖像生成:步驟(1)、建立所有投影點(diǎn)的最小外包矩形，利用格網(wǎng)劃分所述最小外包矩形；步驟(2) 、建立一矩形圖形，利用格網(wǎng)劃分所述矩形圖形，所述矩形圖形與最小外包矩形具有相同的格網(wǎng)間距，且所述矩形圖形的任一網(wǎng)格單元在所述最小外包矩形中具有對應(yīng)的網(wǎng)格單元；步驟(3)、計(jì)算所述矩形圖形中所有網(wǎng)格單元的灰度值，其中，對于所述矩形圖形中的任一網(wǎng)格單元，利用所述最小外包矩形中距離對應(yīng)網(wǎng)格單元最近的投影點(diǎn)的反射強(qiáng)度值計(jì)算灰度值，將該灰度值賦予矩形圖形中的網(wǎng)格單元。
2.如權(quán)利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于， 所述步驟一中，所述激光點(diǎn)云位于地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系內(nèi)； 所述步驟(1)中，以所述最小外包矩形的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)、以該頂點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)邊分別為橫軸OX和縱軸0Y、以垂直于XOY平面為Z軸方向建立一投影平面空間直角坐標(biāo)系0-ΧΥΖ，并使所有投影點(diǎn)均位于第一卦限內(nèi)，將所有投影點(diǎn)由所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至所述投影平面空間直角坐標(biāo)系下，在所有的投影點(diǎn)中，計(jì)算最大和最小的橫坐標(biāo)值的差值，計(jì)算最大和最小的縱坐標(biāo)值的差值； 所述步驟(2)中，建立一個(gè)與投影平面空間直角坐標(biāo)系的XOY平面完全重合的像平面坐標(biāo)系，在所述像平面坐標(biāo)系內(nèi)建立所述矩形圖形時(shí)，以橫坐標(biāo)的差值的整數(shù)值為所述矩形圖形的寬，以縱坐標(biāo)的差值的整數(shù)值為所述矩形圖形的高，其中，所述矩形圖形的一個(gè)頂點(diǎn)與所述像平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，該頂點(diǎn)對應(yīng)的兩個(gè)邊分別與像平面坐標(biāo)系的橫軸和縱軸重合，以使所述矩形圖形位于第一卦限內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，所述格網(wǎng)間距為所述地面激光雷達(dá)的采樣間距。
4.如權(quán)利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，所述步驟(3)中，對于所述最小外包矩形中任一網(wǎng)格單元，距離最近的投影點(diǎn)通過鄰域搜索方法計(jì)算得到。
5.如權(quán)利要求2所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，所述步驟(1)中，在進(jìn)行任一投影點(diǎn)的坐標(biāo)變換時(shí)，先計(jì)算橫軸OX和縱軸OY軸在所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系下的空間直線方程，再計(jì)算投影點(diǎn)到橫軸和縱軸的距離X和Y，則該投影點(diǎn)在投影平面空間直角坐標(biāo)系O-XYZ內(nèi)的坐標(biāo)為(X，Y, O)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，所述步驟二中，在所述地面激光雷達(dá)儀器坐標(biāo)系內(nèi)，所述投影平面的具體計(jì)算過程為: 利用所述中心點(diǎn)(xd，yd，zd)和所述投影中心(Χο,Υο,Ζο)計(jì)算出中心點(diǎn)投影射線所在的空間直線方程:
7.如權(quán)利要求6所述的基于中心投影的地面激光雷達(dá)反射強(qiáng)度圖像的生成方法，其特征在于，所述步驟二中，任一投影點(diǎn)的具體計(jì)算過程為: 首先利用所述投影中心(Xc^yci7Ztl)和所述激光點(diǎn)云中的任一點(diǎn)(xA,yA,zA)計(jì)算出經(jīng)過該點(diǎn)的投影射線所在的空間直線方程:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104007444SQ201410253045
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】胡春梅, 王晏民, 李天爍 申請人:北京建筑大學(xué)