一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及攝影測(cè)量和三維激光技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云 生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地面激光掃描儀能夠快速獲取場(chǎng)景的三維點(diǎn)云，利用激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行 目標(biāo)的三維重建在古建筑、文物保護(hù)、街景生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但點(diǎn)云的信息 僅限于坐標(biāo)、強(qiáng)度等信息，紋理信息的獲取一般通過數(shù)碼相機(jī)獲取場(chǎng)景的影像后通過一定 的手段將影像和點(diǎn)云進(jìn)行匹配后將紋理的RGB信息賦予點(diǎn)云，即獲取了彩色點(diǎn)云；彩色點(diǎn) 云整合了點(diǎn)云的3D結(jié)構(gòu)信息和影像的紋理信息，有助于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解譯、對(duì)象識(shí)別、分 類和細(xì)節(jié)特征的表達(dá)，能夠在點(diǎn)云分類、三維建模等后續(xù)應(yīng)用上提高效率。
[0003] 為了得到被測(cè)物體的紋理信息，需要獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)采集場(chǎng)景的影像數(shù)據(jù)， 并通過一定的計(jì)算方法將激光掃描儀的空間坐標(biāo)系和影像數(shù)據(jù)的影像坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，這 就是點(diǎn)云和影像的配準(zhǔn)工作；配準(zhǔn)的關(guān)鍵問題是像平面的坐標(biāo)系到點(diǎn)云的空間坐標(biāo)系之間 坐標(biāo)變換參數(shù)R-旋轉(zhuǎn)矩陣和t-平移矢量的求?。荒壳?，通用的方法是分別在點(diǎn)云和影像上 人工選取一定數(shù)量的同名控制點(diǎn)，所選的同名控制點(diǎn)數(shù)量大于等于3,通過這組同名點(diǎn)計(jì)算 出變換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，從而達(dá)到配準(zhǔn)的目的，點(diǎn)云與影響的配準(zhǔn)不能同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法，以解決上述背景 技術(shù)中提出的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0006] 一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法，通過在地面激光掃描儀基礎(chǔ)上外置相 機(jī)，對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)定、控制相機(jī)獲取場(chǎng)景影像的角度以及對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn) 行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)彩色點(diǎn)云的自動(dòng)生成，包括以下步驟：
[0007] (1)相機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定
[0008] 采用后方交會(huì)方法在控制場(chǎng)中拍攝若干影像后，在圖像上選取若干控制點(diǎn)并通過 全站儀測(cè)量出控制點(diǎn)在同一個(gè)坐標(biāo)系的物方坐標(biāo)；相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定后將獲得χ〇(像主點(diǎn)X 坐標(biāo)）、yQ (像主點(diǎn)y坐標(biāo)）、fxfy (焦距）、I^k2 (徑向畸變參數(shù)）、P1P2 (切向畸變參數(shù)）等參 數(shù)；
[0009] (2)相機(jī)與掃描儀中心相對(duì)位置的標(biāo)定
[0010] 采用直接線性變換（DLT)方法在標(biāo)定場(chǎng)中采集的點(diǎn)云和影像上分別選取同名控 制點(diǎn)，通過DLT的計(jì)算方法獲得相機(jī)的六個(gè)外方位元素（Xci, Yci, Zci, roll，pitch，yaw)，X。、Ytl 和Zci稱為相機(jī)外參數(shù)的線元素；roll、pitch和yaw稱為相機(jī)外方位元素的角元素，DLT的 計(jì)算公式如下：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法，通過在地面激光掃描儀基礎(chǔ)上外置相機(jī)， 對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)定、控制相機(jī)獲取場(chǎng)景影像的角度以及對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行計(jì) 算，實(shí)現(xiàn)彩色點(diǎn)云的自動(dòng)生成，其特征在于，包括以下步驟： (1) 相機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定 采用后方交會(huì)方法在控制場(chǎng)中拍攝若干影像后，在圖像上選取若干控制點(diǎn)并通過全 站儀測(cè)量出控制點(diǎn)在同一個(gè)坐標(biāo)系的物方坐標(biāo)；相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定后將獲得χ〇(像主點(diǎn)X坐 標(biāo)）、yci(像主點(diǎn)y坐標(biāo)）、fxf y(焦距）、￥2(徑向畸變參數(shù)）、P1P2 (切向畸變參數(shù)）等參 數(shù)； (2) 相機(jī)與掃描儀中心相對(duì)位置的標(biāo)定 采用直接線性變換（DLT)方法在標(biāo)定場(chǎng)中采集的點(diǎn)云和影像上分別選取同名控制點(diǎn)， 通過DLT的計(jì)算方法獲得相機(jī)的六個(gè)外方位元素（X。，YQ，ZQ，roll，pitch，yaw)，X。、Y tl和Z。 稱為相機(jī)外參數(shù)的線元素；roll、pitch和yaw稱為相機(jī)外方位元素的角元素，DLT的計(jì)算 公式如下：
其中，I1，…1為相機(jī)內(nèi)外方位元素的函數(shù)； (3) 掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)控制相機(jī)拍攝照片并記錄角度參數(shù) 掃描儀設(shè)備在經(jīng)過內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定后進(jìn)行點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)的采集，地面激光掃描儀 LS300設(shè)定的采集模式為先進(jìn)行點(diǎn)云的掃描，完成之后再進(jìn)行影像的拍攝；掃描儀進(jìn)行點(diǎn) 云的采集時(shí)從X軸開始發(fā)射第一條掃描線，基座平臺(tái)經(jīng)過360°的旋轉(zhuǎn)后回到X軸；之后 LS300控制相機(jī)分別在與X軸呈60°、180°和300°三個(gè)位置進(jìn)行拍攝并將角度參數(shù)記錄 到影像文件中，在后續(xù)的操作過程中，角度參數(shù)直接通過文件名解析得到；旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算是 由相機(jī)的三個(gè)外參數(shù)的角元素得到，計(jì)算公式如下：
其中， Si1= cosa co sy-sina sin0 siny ；a 2= -cos a siny-sina sin^cosy ；a 3 =-cos a cos β ； bx= cos β sin γ ；b 2= cos β cos γ ；b 3= sin β ；c x= sin a cos γ+cos a sin β sin γ ； C2= -sin a sin γ +cos a sin β cos γ ；c 2= cos a cos β ； (4) 解求旋轉(zhuǎn)矩陣，并根據(jù)共線方程解求點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的圖像上的像素坐標(biāo) 獲取旋轉(zhuǎn)矩陣后，三維空間中每個(gè)物方點(diǎn)即能夠和一個(gè)像素坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來，通過共線 方程得到每個(gè)點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的一個(gè)像素坐標(biāo)，通過該像素坐標(biāo)根據(jù)插值方法進(jìn)行卷積運(yùn)算，得 到一個(gè)RGB值，將RGB值賦給點(diǎn)云后即完成彩色點(diǎn)云的制作，共線方程公式如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法，其特征在于，所述地面 激光掃描儀的型號(hào)為LS300。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地面激光掃描儀彩色點(diǎn)云生成方法，通過在地面激光掃描儀基礎(chǔ)上外置相機(jī)，采用空間后方交會(huì)方法對(duì)相機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定、采用直接線性變換方法對(duì)相機(jī)的外參數(shù)標(biāo)定、通過標(biāo)定的方法確定內(nèi)外方位元素、通過掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)準(zhǔn)確控制相機(jī)獲取場(chǎng)景影像的角度，最后通過公式：對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，將外業(yè)采集的點(diǎn)云和影像紋理信息準(zhǔn)確融合、配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)彩色點(diǎn)云的自動(dòng)獲取。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號(hào)】CN104732557
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510178972
【發(fā)明人】張飛, 危遲
【申請(qǐng)人】武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年4月16日