第5讲-地面三维激光雷达点云配准.pdf

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1、第五讲地面三维激光雷达点云配准地面三维激光雷达点云配准点云配准地面三维激光雷达点云配准点云配准点云配准是将两个或两个以上坐标系中的三维点云数据转换到统一坐标系统中的数学计算过程。点云配准的实质就是空间坐标变换。空间坐标变换可以由三类参数唯一确定：尺度、旋转和平移。点云配准是基于地面三维激光扫描技术研究的预处理步骤之一，是将扫描数据统一到同一坐标系下进行存储、管理、显示和表达的过程，而配准后的融合点云是特征提取、三维建模等深度研究的基础数据，点云配准的精度直接影响了后续研究的精度和可靠性。地面三维激光雷达点云配准点云配准第一站点云第二站点云配准结果地面三维激光雷达点云配

2、准配准方法分类按照配准算法所利用的信息，可以分为基于特征点的方法、基于整体迭代优化的方法基于特征点的配准方法主要是根据靶标或者手工选取特征点进行配准（六参数法）基于整体迭代优化的配准方法主要通过迭代计算两个点集最优匹配的几何变换（ICP算法）按自动化程度可以分为人工、半自动和全自动三种类型地面三维激光雷达点云配准点云配准模型六参数法点云配准的实质就是空间坐标变换。空间坐标变换可以由三类参数唯一确定：尺度、旋转和平移。点云配准前后相对大小没有发生改变，即不发生尺度变化，因此只需要解求三个旋转参数和三个平移参数，称为六参数配准模型若pcxc,yc,zc表示一

3、个自由坐标系下的点云坐标，paxa,ya,za表示点在绝对坐标系中的坐标若两个点云坐标向量与坐标轴之间的交角为,,，平移参数为x,y,z，则配准模型表示为：xaxcxyR(,,)yyaczzzac地面三维激光雷达点云配准点云配准模型六参数法地面三维激光雷达点云配准点云配准模型未知参数6个至少3对点坐标解算地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准基于靶标的点云配准算法在商业化的点云后处理软件中具有广泛的应用，不同类型的地面激光扫描仪的性能有很大的差异，但基于靶标的后处理软

4、件实现的配准精度基本上可以达到毫米级的精度。这种点云直接配准方式有三个关键环节：人工靶标的布设；人工靶标的识别；靶标对应关系的建立。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准人工靶标的布设布设靶标点的数量，根据选择三维变换模型不同，需要具有不同数量的控制点，点云的配准以三维空间相似变换为基础，也就是所转换模型中有7个转换参数，这时就需要至少三个控制点；布设靶标的图形，在一定数量的靶标情况下将其布设成具有较好图形结构可以提高配准计算的可靠性和精度，不能将靶标布设在同一直线上或者形成正多边形；地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准人工靶标的布设通视条件，需

5、要严格的考虑在不同范围的靶标与扫描站点之间的通视条件；由于三维激光扫描仪的扫描精度随着距离增大而增大，因此尽量将人工靶标布设得与扫描仪距离较近的地方，以便精度最高。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准人工靶标的拟合人工标靶一般具有规则的形状并且具有很强的回波强度，通过某种的识别程序将回波强度达到一定阈值的点数据保存到一起，然后根据扫描时的采样间隔、扫描距离和回波强度将点数据进行分块，根据所使用的靶标形状对扫描数据进行图形拟合，将拟合得到的图形中心作为配准计算的“控制点”坐标。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准平面靶标的拟合靶标中心坐标的估算方法可以表

6、示为：PP其中c是靶标中心的估算三维坐标，是i每一个点的三维坐标，Ii是每一个点的反射信号能量的量化值。该估算方法基于两个假设，一是认为靶标中心是反射信号的最大处，而且这也是靶标设计过程中所采取的原则。二是认为激光扫描方向与平面靶标绝对垂直，反射信号强度不因目标表面倾斜而衰减。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准球形靶标的拟合球形靶标的形状特点使得激光光束无论从哪个方向入射，都能获得半个球面点云。因而通过拟合半个球面点云，可以得到球形靶标的几何中心。球形靶标的数学模型为：(,,)abc是球形靶标的球心坐标，r球形靶标的半径。拟合过程即是通过多余点云数据对参数(,

7、,,)abcr进行估计。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准靶标对应关系建立在识别出扫描数据中的人工靶标后就需要建立不同扫描站点之间靶标之间的对应关系以进行配准计算。常用的几何关系有角度值和距离比值，因为靶标在扫描期间内没有发生位置变化，所以不共线的任意三个靶标点可以形成一个三角形，这样就可以得到三个内角和三条边长作为对应点判断条件。地面三维激光雷达点云配准基于反射标志的配准地面三维激光雷达点云配准手工选择点云配准点云的手动配准也是一种直接配准算法，因为在手动选择虚拟靶标点