一種定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法與流程
2023-06-12 10:49:17
本發明屬於三維雷射掃描點雲配準領域，具體涉及點雲配準領域中標靶分布質量的定量評價方法。
背景技術：
地面雷射掃描技術可方便快速地獲取目標的表面空間信息，其獲取的信息密度和精度遠高於傳統的測繪技術，在逆向工程、文物掃描、測繪行業等領域被廣泛應用。由於物體遮擋或掃描儀掃描範圍限制，通常情況下，需要從不同方位多個測站掃描目標，才能獲取目標的完整表面信息，而不同站獲取的點雲屬於不同獨立坐標系，在進行點雲建模和分析前，需將所有的點雲配準到統一坐標系，因此，點雲配準研究一直是研究的熱點和難點。
點雲配準的方法有無標靶點雲配準和標靶點雲配準，對於大範圍複雜場景的點雲配準，往往採用基於標靶的點雲配準算法，其配準精度與配準模型、標靶分布、標靶特徵提取精度等有關。目前眾多學者在點雲配準模型、標靶特徵提取精度方法做了大量研究，而在標靶分布方面研究較少，僅獲得一些經驗性結論，而實際野外作業時，必須考慮標靶的分布，它不僅關係到作業效率，且會影響最終點雲配準成果的精度。
Reshetyuk(2009)、Gordon and Lichti(2004)、Harvey(2004)發現增加標靶個數能夠提高配準的精度，並建議標靶均勻分布在重疊區，不要太近，也不要放在同一直線上；Fan et al(2015)採用模擬的方法證實配準誤差大小與標靶數成反比，也與標靶至所有標靶幾何中心的距離和成反比，且發現待配準系掃描儀的最佳架設位置為所有標靶的幾何中心；雖然還有其他學者研究標靶分布與點雲配準精度的關係，也取得了一些成果，但目前所有評價標靶分布質量的方法均依據經驗，都是通過已有經驗定性地大致描述不同標靶布設方案的好壞，無法給出一個定量明確的評價。
在三維雷射掃描技術應用中，我們急需一種定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法，如在已布設好標靶情況下，我們需要確定最佳的掃描儀設站位置，而所有標靶的幾何中心往往無法架設任何設備；在已架設好掃描儀情況下，我們需要確定最佳的標靶布設位置，而眾多布設方案憑經驗無法判斷其優劣；在標靶和掃描儀均未布設情況下，我們需要綜合確定標靶和掃描儀的布設方案，所有這些均需要一個定量的評價模型才能解決，因此，研究定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法具有重要的實際意義。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法，克服現有理論和技術只能定性評價標靶分布質量，無法定量評價的不足。
本發明為了解決上述技術問題所採取的技術思路是：先獲取標靶和掃描儀的坐標信息，然後分別計算標靶分布和掃描儀架設位置的質量指標rDOP值和tDOP值，最後通過rDOP值和tDOP值的大小來定量評價標靶分布質量和掃描儀所選架設位置的質量，rDOP值和tDOP值越小，標靶分布質量越高，掃描儀所選架設位置越好。
本發明一種定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法，包括如下步驟：
①判斷標靶位置是否已知，若已知則轉第③步，若未知則繼續；
②選擇可布設標靶的備選位置，獲取所有備選位置的坐標信息；
③確定標靶數和一種標靶布設方案，獲取該方案下所有標靶的坐標信息；
④計算此標靶布設方案的rDOP值，並由rDOP值的大小判斷標靶的分布質量(這裡rDOP值的計算由標靶的坐標信息和標靶的權陣決定)，rDOP值的計算模型為
其中，Pr(k)為k個標靶的權矩陣(通常情況下可取單位陣)，Ar(k)由標靶的坐標信息決定；
⑤循環第③～④步，計算所有方案的標靶分布質量評價值，從中找出rDOP值最小的方案，即為最佳標靶布設方案；
⑥判斷掃描儀位置是否已知，若已知則轉到第⑧步，若未知則繼續；
⑦選擇可架設掃描儀的備選位置，獲取所有備選位置的坐標信息；
⑧確定一個掃描儀架設位置，獲取該位置下的掃描儀坐標信息；
⑨計算此掃描儀架設位置的tDOP值，並由tDOP值的大小判斷掃描儀架設位置的質量(這裡tDOP值的計算由標靶的坐標信息、掃描儀架設位置信息和標靶的權陣決定)，tDOP值的計算模型為
其中，Pt(k)為k個標靶的權矩陣，At(k)僅與標靶位置信息和掃描儀位置信息決定；
⑩循環第⑧～⑨步，計算所有掃描儀架設位置對應的質量評價值，從中找出tDOP值最小的位置，即為最佳掃描儀架設位置。
進一步，優選的在步驟④中，Ar(k)的計算公式如下：
當獲得的標靶位置信息為參考系和待配準系中的坐標信息時，Ar(k)的計算公式為
當獲得的標靶位置信息僅為參考系中的坐標信息時，Ar(k)的計算公式為
當獲得的標靶位置信息僅為待配準系中的坐標信息時，Ar(k)的計算公式為
式中，和由第j號標靶在參考系i和待配準系i+1中的位置和計算得到，其計算公式為
進一步，優選的在步驟⑨中，At(k)的計算公式如下：
當獲得的掃描儀架設位置信息為參考系中的坐標信息時，At(k)的計算公式為
式中，(tx0,ty0,tz0)為備選掃描儀在參考系i中的架設位置；
當獲得的掃描儀架設位置信息為待配準系中的坐標信息時，At(k)的計算公式為
式中，(tx0,ty0,tz0)為備選掃描儀在參考系i+1中的架設位置。
進一步，優選的在步驟②中，需要人工從目標場景中選擇適合布設標靶的位置，記為標靶布設的備選位置(假設有m1個備選標靶布設位置)，備選位置信息與已有坐標系有關，當只有參考系或待配準系的場景掃描點雲時，獲取參考系或待配準系中標靶備選位置的坐標信息；當有兩系的場景掃描點雲時，同時獲取兩系中標靶備選位置的坐標信息；
進一步，優選的在步驟③中，需先確定用於待配準系的專用或自製標靶個數(假設有k個標靶用於待配準系的配準)，再從m1個備選標靶位置中選擇k個位置，作為標靶的一種布設方案，獲取其相應的坐標信息；
進一步，優選的在步驟⑦中，需要人工從目標場景中選擇適合架設掃描儀的位置，記為掃描儀架設的備選位置(假設有m2個備選掃描儀架設位置)，備選位置信息與已有坐標系有關，當只有參考系或待配準系的場景掃描點雲時，獲取參考系或待配準系中掃描儀備選位置的坐標信息，當有兩系的場景掃描點雲時，只需獲取其中任意一系下的備選位置坐標信息；
進一步，優選的在步驟⑧中，從m2個備選掃描儀架設位置中選擇1個位置，作為掃描儀的一種架設方案，獲取其相應的坐標信息。
本發明與現有技術相比具有如下有點：
第一，通過構建標靶分布質量和和掃描儀架設位置質量的評價模型rDOP和tDOP，定量獲取不同布設方案的質量指標(rDOP值和tDOP值)，解決了定量評價標靶分布質量模型從無到有的問題；
第二，通過rDOP值來定量評價標靶分布的好壞，克服了現有評價方法完全依賴經驗定性估計，無法明確指出「標靶分布的好壞程度」的缺點；並給出了「從所有可能的標靶布設方案中找出最佳標靶布設方案」的方法，即rDOP值最小的方案為最佳標靶布設方案，解決了現有評價方法無法找到最佳標靶布設方案的難題。
第三，通過tDOP值來定量評價掃描儀架設位置的好壞，克服了現有評價方法完全依賴經驗定性估計，無法明確指出「掃描儀架設位置的好壞程度」的缺點；並給出了「從所有可能的掃描儀架設方案中找出最佳掃描儀架設方案」的方法，即tDOP值最小的方案為最佳掃描儀架設方案，解決了現有評價方法無法找到最佳掃描儀架設方案的難題。
附圖說明
圖1為本發明rDOP值的計算流程圖；
圖2為本發明tDOP值的計算流程圖；
圖3為本發明定量評價點雲配準中標靶分布質量的方法流程圖。
具體實施方式
具體實施中，我們常會碰到三種實際情況，下面將結合附圖和實際情況，對本發明作進一步說明。
實際情況1「標靶已固定，需確定待配準系掃描儀的最佳架設位置」
按流程圖2實施，計算掃描儀架設位置的tDOP值，找出tDOP值最小的位置為最佳掃描儀架設位置(對應上述步驟⑦～⑩)，其計算tDOP值的詳細步驟如下：
首先，在目標場景點雲中選擇m2個備選掃描儀架設位置
然後，從備選位置中選1個位置oj，作為掃描儀的一種架設方案，其坐標為(tx0,ty0,tz0)；
接著，由標靶的坐標信息、掃描儀架設位置和標靶權陣Pt(k)計算其中，Pt(k)通常情況下可取單位陣，At(k)僅與標靶的坐標信息有關，其計算公式分兩種情況，即
當坐標信息為參考系中坐標時，At(k)為
當坐標信息為待配準系中坐標時，At(k)為
最後，由「從所有備選方案中找出tDOP值最小的方案」，即為最佳掃描儀架設方案。
實際情況2「待配準系掃描儀已架設，需確定標靶的最佳布設位置」
按流程圖1實施，計算布設標靶的rDOP值，找出rDOP值最小的位置為最佳標靶布設位置(對應上述步驟④～⑤)，其計算rDOP值的詳細步驟如下：
首先，在目標場景點雲中選擇m1個備選標靶布設位置
然後，從m1個備選標靶位置中選擇k個標靶所布設的位置作為標靶的一種布設方案；
最後，由標靶的坐標信息和標靶權陣Pr(k)計算其中，Pr(k)通常情況下可取單位陣，Ar(k)僅與標靶的坐標信息有關，其計算公式分三種情況，即
當坐標信息為參考系和待配準系兩系統中的坐標時，Ar(k)為
當坐標信息僅為參考系中的坐標時，Ar(k)為
當坐標信息僅為待配準系中的坐標時，Ar(k)為
式中，和由第j號標靶在參考系i和待配準系i+1中的位置和計算得到，其計算公式為
實際情況3「標靶和掃描儀位置均未知，需確定標靶和掃描儀的布設位置」
按流程圖1和圖2綜合實施，計算布設標靶的rDOP值，先找出rDOP值最小的標靶布設位置(對應上述步驟④～⑤)，再計算布設標靶的tDOP值，找出tDOP值最小的位置為最佳標靶布設位置(對應上述步驟⑦～⑩)，其詳細步驟如下：
首先，在目標場景點雲中選擇m1個備選標靶布設位置
接著，從m1個備選標靶位置中選擇k個標靶所布設的位置作為標靶的一種布設方案，並由此方案的標靶坐標信息和標靶權陣Pr(k)，按上述公式(5)～(9)計算rDOP值，找出rDOP值最小的方案作為標靶的布設方案；
然後，在目標場景點雲中選擇m2個備選掃描儀架設位置
再接著，從備選位置中選1個位置oj，作為掃描儀的一種架設方案；
最後，由標靶的坐標信息、掃描儀架設位置和標靶權陣Pt(k)，按上述公式(1)～(4)計算tDOP值，找出tDOP值最小的方案作為掃描儀的架設方案。
另外，需要說明的是，儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被其它相關領域，這對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現修改，因此，在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出的流程圖。