一種地面雷射雷達數據紋理影像配準方法
2023-05-06 15:24:51 1
專利名稱：一種地面雷射雷達數據紋理影像配準方法
技術領域：
本方法主要應用在地面雷射雷達點雲和影像的融合，適用於任意拍攝角度的影像對於地面雷射雷達點雲的配準。
背景技術：
雷射掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術，它通過高速雷射掃描測量的方法，大面積高解析度地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，廣泛應用於模型重建、古建保護中，並逐漸成為三維城市數據模型獲取的一種重要方法。如何獲取雷射雷達數據的紋理一直是該領域研究的重點。雖然很多地面雷射掃描儀可以通過內置相機同步獲取掃描點的紋理，但是其解析度、攝影方式等不能滿足應用的需要。目前，主要還是通過雷射雷達數據與攝影影像的配準獲取其紋理特徵。這裡的配準等同於攝影測量中的定向。對於3維與2維的配準，已經有很多研究成果，共線方程解法，基於共角條件的椎體解法，直接線性變換解法，基於羅德裡格矩陣的直接接法，單位四元數法，奇異矩陣分解法等。 地面雷射雷達數據和其光學影像的配準存在著特殊性，首先，對於建築物來說，對其內外、 屋頂和地面分別進行攝本方法以點特徵為配準基元，以羅德裡格矩陣為旋轉矩陣，採用分布解法進行配準。首先應用重心化特徵點坐標計算縮放係數；然後應用重心化空間相似變換模型和羅德裡格矩陣計算配準參數的初始值；最後應用共線方程最小二乘迭代計算配準參數的精確值。該方法需要的配準特徵少，參數精度高，穩健性強，既避免了大角度不收斂問題，又避免了配準特徵共面引起的參數不穩定的問題，適合任意影像拍攝角度和配準特徵共面的雷射雷達與紋理影像的配準。影時的，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，配準特徵分布會出現共面現象。對於以上兩個問題，現有的方法不能夠完全解決。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種地面雷射雷達數據紋理影像配準法，用配準方於地面雷射雷達點雲和拍攝影像的融合，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，在雷射掃描影像形成的地面雷射雷達點雲上選取多個特徵點Al An，並且在拍攝影像上選取與所述多個特徵點Al An相對應的Bl Bn，以形成A1/B1 An/Bn 的η對特徵點；步驟二，在被掃描的物方設定一個三維坐標原點，根據該基準點確定地面雷射雷達點雲上的各特徵點Al An的三維坐標(X，Υ，Ζ)，以及確定拍攝影像上各特徵點Bl &ι 的二維坐標，並且將拍攝影像的焦距設定為各特徵點Bl 的第三維坐標(X，y，-f)；步驟三，將各特徵點Al An的三維坐標(X，Y，Z)重心化為(Xm，Yffl, Zffl)，將各特徵點Bl Bn的三維坐標(x, y，-f)重心化為(xm, ym，0)；步驟四，根據步驟三中的重心化坐標，計算各特徵點Bl 的三維坐標(X，y，-f) 相對於各特徵點Al An的三維坐標(X，Y，Z)的縮放係數，並最終計算出拍攝影像相對於雷射掃描影像的縮放係數入；步驟五，將拍攝影像相對於雷射掃描的點雲空間姿態設為羅德裡格矩陣的正交矩陣R，應用重心化空間相似變換模型和羅德裡格矩陣計算配準參數；步驟六，根據正交矩陣R和縮放係數λ計算出攝影像相對於雷射掃描影像的平移矩陣參數(Xs，Ys, Zs)；步驟七，根據縮放係數λ、配準參數和平移矩陣參數，將地面雷射雷達點雲和拍攝影像融合。優選的是，所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法中，在步驟四中，計算縮放係數λ的方式如下1)首先計算各特徵點Bl 相對於各特徵點Al An的縮放係數λ ,每個特徵點的縮放係數λ i的計算公式為
權利要求
1.一種地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，用於地面雷射雷達點雲和拍攝影像的融合，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，在地面雷射雷達形成的地面雷射雷達點雲上選取多個特徵點Al An，並且在拍攝影像上選取與所述多個特徵點Al An相對應的Bl Bn，以形成A1/B1 An/Bn的η 對特徵點；步驟二，在被掃描的物方設定一個三維坐標原點，根據該坐標原點確定地面雷射雷達點雲上的各特徵點Al An的三維坐標(X，Y，Ζ)，以及確定拍攝影像上各特徵點Bl &ι 的二維坐標，並且將拍攝影像的焦距設定為各特徵點Bl 的第三維坐標(X，y，-f)；步驟三，將各特徵點Al An的三維坐標(X，Y，Z)重心化為(Xm，Yffl, Zm)，將各特徵點 Bl Bn的三維坐標(X，y，-f)重心化為(xm, ym，0)；步驟四，根據步驟三中的重心化坐標，計算各特徵點Bl 的三維坐標(X，y，-f)相對於各特徵點Al An的三維坐標(X，Y，Z)的縮放係數，並最終計算出拍攝影像相對於雷射掃描影像的縮放係數入；步驟五，將拍攝影像相對於雷射掃描的點雲空間姿態設為羅德裡格矩陣的正交矩陣R， 應用重心化空間相似變換模型和羅德裡格矩陣計算配準參數中的羅德格裡矩陣參數(a，b， c)；步驟六，再根據正交矩陣R和縮放係數λ計算出攝影像相對於雷射掃描影像的配準參數中的平移參數(Xs，k，Zs)；步驟七，以上述求出的配準參數作為初始值，依據共線方程的最小二乘迭代求解配準參數的精確值。步驟八，根據配準參數精確值和共線方程，將地面雷射雷達點雲和拍攝影像融合。
2.如權利要求1所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，在步驟四中，計算縮放係數λ的方式如下1)首先計算各特徵點Bl 相對於各特徵點Al An的縮放係數λ ,每個特徵點的縮放係數λ i的計算公式為
3.如權利要求2所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，所述步驟五中的重心化的空間相似變換模型為
4.如權利要求3所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，所述步驟五中的配準參數通過重心化空間相似變換模型和羅德裡格矩陣計算後，得到初始值，再通過共線方程的最小二乘迭代，得到精確值，其迭代中羅德格裡矩陣參數(a，b，c)法方程的係數為
5.如權利要求4所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，最小二乘迭代的終止條件為以配準參數標記的影像角元素改正數兩次運算差值小於0. 1秒。
6.如權利要求1所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，所述步驟五中正交矩陣R被設定為
7.如權利要求4所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，所述步驟五中正交矩陣R被設定為
8.如權利要求7所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，所述共線方程為
9.如權利要求7所述的地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，其特徵在於，對應特徵點至少為4對。
全文摘要
本發明公開了一種地面雷射雷達數據紋理影像配準方法，用於地面雷射雷達點雲和拍攝影像的融合，包括以下步驟步驟一，在雷射掃描影像形成的地面雷射雷達點雲上選取多個特徵點A1～An，並且在拍攝影像上選取與多個特徵點A1～An相對應的B1～Bn；步驟二，在被掃描的物方設定一個三維坐標原點，確定地面雷射雷達點雲上的各特徵點A1～An的三維坐標(X，Y，Z)，並且將拍攝影像的焦距設定為各特徵點B1～Bn的第三維坐標(x，y，-f)；重心化坐標，並計算縮放係數，以及計算正交矩陣R的配準參數；以上述參數為初始值，應用最小二乘迭代法解算配準參數的精確值。本發明在計算出上述參數的情況下，通過縮放、旋轉和平移，就能夠將拍攝影像融合入雷射掃描影像中，形成彩色點雲模型。
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 優先權日2011年8月29日
發明者王國利, 王晏民, 胡春梅, 郭明 申請人:北京建築工程學院