多片點云數(shù)據(jù)拼接處理技術(shù)的研究

劉尚蔚，朱小超，張永光，魏 群

（1.華北水利水電大學，河南鄭州450045；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003）

多片點云數(shù)據(jù)拼接處理技術(shù)的研究

劉尚蔚1，朱小超1，張永光2，魏 群1

（1.華北水利水電大學，河南鄭州450045；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003）

在利用三維激光掃描技術(shù)進行逆向建模過程中，點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定著模型的質(zhì)量，而多片點云數(shù)據(jù)拼接處理的優(yōu)劣又影響著點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過對多片點云拼接原理的研究，提出了不貼反光片的“三點法”拼接處理方法，該方法只需找出多測站掃描的點云數(shù)據(jù)中的三個公共點可進行點云數(shù)據(jù)處理，解決了以往的“三點法”處理手段下建筑物必須貼反光片的難題。利用該方法首次對大型鋼桁架橋梁的點云數(shù)據(jù)拼接處理，拼接完成了該大橋的完整點云數(shù)據(jù)模型，其精度滿足逆向建模的精度要求。

三維激光掃描；多片點云數(shù)據(jù)；“三點法”拼接

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)以其獨特優(yōu)勢正迅速廣泛地應用于逆向建模、虛擬仿真、文物保護、城市建設(shè)、變形監(jiān)測、地形測量等各個領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的獲取三維信息手段相比，它具有快速準確、無接觸、信息量大、信息內(nèi)容豐富的特點［1－3］。三維激光掃描技術(shù)主要是通過三維激光掃描儀對被測物進行非接觸式的激光掃描，得到被測物表面海量點云數(shù)據(jù)。因此被測物的海量點云數(shù)據(jù)的處理顯得尤為重要。但在掃描被測物時，由于被測物周邊環(huán)境以及掃描儀本身的技術(shù)限制等問題，導致掃描儀難以通過一次設(shè)站掃描就取得被測物的全部點云數(shù)據(jù)信息［4］，所以對于復雜被測物來說必須環(huán)繞被測物一周進行設(shè)站掃描，獲得各測站掃描的點云數(shù)據(jù)，然后通過對各站分塊點云數(shù)據(jù)拼接處理才能獲得被測物的完整表面點云［5］。

1 點云拼接

1.1 拼接原理

一般而言，三維激光掃描系統(tǒng)需要用到的坐標系統(tǒng)主要有［6－8］（如圖1）。

圖1 GLCS，PRCS和SOCS三種坐標系

（1）掃描儀自身坐標系（Scanner’s Own Coordinate System，SOCS）：以掃描儀的幾何中心為原點，由掃描儀的旋轉(zhuǎn)軸和參考方向定義X、Y、Z坐標軸方向；

（2）項目坐標系（Project Coordinate System，PRCS）：為某一工程項目應用定義的坐標系；

（3）全球坐標系（Global Coordinate System，GLCS）：可以看作是大地坐標系統(tǒng)的一種；

（4）相機坐標系（Camera Coordinate System，CMCS）：固定在掃描儀上的數(shù)碼相機定義的坐標系統(tǒng)。

點云拼接可以分為兩種，一種是同一測站下的點云拼接，一種是不同測站下的點云拼接。通常我們所說的點云拼接就是將多個測站掃描的點云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標系下，以顯示被測物的完整點云信息。一般提供四種類型的坐標轉(zhuǎn)換（包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和鏡面對稱）就可以完成點云拼接。下面主要討論不同測站下的點云拼接。

對于不同測站所得到的點云數(shù)據(jù)的拼接就是將SOCS坐標系轉(zhuǎn)換到同一個坐標系中如PRCS坐標系或GLCS坐標系。為了實現(xiàn)對掃描對象多站掃描點云的拼接，首先需要將各站在掃描坐標系下的點云坐標轉(zhuǎn)換到項目坐標系下（PRCS）。這種變換關(guān)系可以用一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣 R和一個三維平移向量T來描述［9］，坐標變換的任務就是求出（R，T）。設(shè)有兩個相鄰掃描站的掃描點云集合P和Q，P已變換到項目坐標系（O－XYZ），Q仍為掃描坐標系（o－xyz），則對Q進行坐標系變換的方法是將坐標系（o－xyz）通過分別繞自身的3個坐標軸旋轉(zhuǎn)后，再將旋轉(zhuǎn)坐標系的原點平移到坐標系（O－XYZ）的原點上，這時可將坐標變換模型［9－10］描述為：

式中

T＝［x0＋y0＋z0］T分別為三維坐標軸上的平移量。

在式（2）中，包含3個平移參數(shù)x0、y0、z0，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)α、β、γ和1個尺度參數(shù)λ。因此，要想實現(xiàn)點云的拼接，關(guān)鍵在于求解出7個轉(zhuǎn)換參數(shù)［11］（x0，y0，z0，α，β，γ，λ）。而要解算出這7個參數(shù)，必須有不少于三對的同名點。根據(jù)不在同一條直線上的三個點確定一個平面的原理，可以唯一確定模型的空間位置。即一個平面上的三個點與另一個平面上的三個點重合則說明兩個平面在同一個平面上［12］。

1.2 “三點法”拼接

目前多測站點云的拼接方法主要包括粗拼接、公共反射拼接、極坐標拼接等，其各有優(yōu)劣。下面著重介紹一種快速、高效［13］的拼接方法—“三點法”?！叭c法”拼接多片點云數(shù)據(jù)，前提是掃描的點云數(shù)據(jù)必須有公共重疊區(qū)域，可以在公共區(qū)域建立相應的映射關(guān)系，然后再通過剛體變換的平移和旋轉(zhuǎn)等來完成被測物的點云拼接。

由于傳統(tǒng)的“三點法”需要在建筑物的表面貼反光片，然后利用反光片作為標志點進行點云拼接。而本文提出的“三點法”是基于空間非共線三點確定一個平面的原理［14］，在建筑物相鄰掃描區(qū)域的重合區(qū)的點云數(shù)據(jù)中人為引入三個標志點，然后通過坐標變換實現(xiàn)多片點云數(shù)據(jù)的拼接。該方法避免了某些無法貼反光片的建筑物的點云拼接。

“三點法”的坐標變換方法為：設(shè)兩個測站分別是S1和S2其對應的掃描點云片是P和Q，其中 P和Q的公共重疊區(qū)域為Ω，在Ω（x，y，z）區(qū)域中選取三個標志點A，B，C，這三個標志點在 P和Q中的空間坐標分別是A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3）和 A′（x′1，y′1，z′1），B′（x′2，y′2，z′2），C′（x′3，y′3，z′3），然后將 P和Q的局部坐標依據(jù)1.1中的坐標變換統(tǒng)一到項目坐標系下，即分別求出 A到A′、B到B′、C到C′的變換矩陣從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接（如圖2）。

圖2 “三點法”拼接轉(zhuǎn)換示意圖

“三點法”點云拼接中的關(guān)鍵是三個標志點的選取。對于具有規(guī)則表面的建筑物，多結(jié)合其自身特征選擇其特征區(qū)域，如頂點處、輪廓線處或者可體現(xiàn)其明顯特征區(qū)域。也可以根據(jù)拼接的精度要求設(shè)定一個允許誤差范圍，選擇一個區(qū)域作為基準區(qū)域進行拼接。

2 工程應用

三維激光掃描技術(shù)雖然能夠廣泛應用于各個領(lǐng)域，但由于橋梁工程尤其是大跨度橋梁工程的復雜性，導致三維激光掃描技術(shù)在該領(lǐng)域中的應用并不多。本文以北盤江特大鋼桁架橋的三維激光掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究多片點云拼接技術(shù)在大型橋梁工程中的應用。

本次掃描采用Optech ILRIS－3D激光掃描儀對某特大鋼桁架橋梁工程點云數(shù)據(jù)采集工作。共設(shè)6個測站進行9次掃描。其測點布置情況示意圖（圖3）。

圖3 測站布置情況示意圖

各測站掃描大橋的點云數(shù)據(jù)分別見各測站點云圖（圖4）。

圖4 各測站點云圖

根據(jù)文中上述的“三點法”點云拼接方法現(xiàn)對上面6個測站的點云數(shù)據(jù)進行拼接，從而得到該大橋的完整點云信息模型。由于在每個測站都對橋梁主塔進行了精細掃描，所以拼接時標志點的選取盡量在主塔掃描面上。現(xiàn)已測站S1和測站S2拼接出其中一個主塔的點云模型。首先選取測站S1點云圖，再根據(jù)標志點的選取原則，分別選取主塔輪廓線頂點處和轉(zhuǎn)折點處 A、B、C三點（圖5）。然后再次選取測站S2點云圖，找出與測站S1點云圖中三個標志點相對應的標志點A′、B′、C′三點（圖6）。通過“三點法”的坐標轉(zhuǎn)換完成該主塔點云數(shù)據(jù)的拼接（圖7）。

圖5 測站S1的主塔標志點

圖6 測站S2的主塔標志點

圖7 “三點法”拼接后的主塔

重復上述步驟，將6個測站9次掃描的圖像根據(jù)“三點法”拼接方法進行拼接處理，最后得到的完整點云圖像如圖8所示。

圖8 某大橋完整點云信息模型

3 結(jié) 語

本文對點云數(shù)據(jù)的拼接原理和三點法拼接方法的理論進行了描述，用三維激光掃描儀對某大橋進行多站掃描，利用“三點法”拼接出該大橋的完整點云模型，該點云數(shù)據(jù)精度高，為后期精確建模以及建筑工程全生命周期管理［15］提供了技術(shù)手段。

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Research on Processing Technique of Multiple Point Cloud Data Registration

LIU Shang-wei1，ZHU Xiao-chao1，ZHANG Yong-guang2，WEIQun1
（1.North China University ofWater Conservancy and Hydropower，Zhengzhou，He’nan 450045，China；2.Yellow River Survey-plan and Design Co.，Ltd.，Zhengzhou，He’nan 450003，China）

In the process of reversemodeling by using 3D laser scanning technology，the quality of themodels is directly determined by that of point cloud data.However，the quality of point cloud data is affected by the splicing quality of multiple point cloud data.Through the study of the theory ofmultiple point cloud registration，the“three-point”splicing method without patches is proposed here.Thismethod only needs to find out the three common points of point cloud data scanning bymulti-stations to go on the point cloud data processing，which could solve the previous processing problem thatwith theway of“three pointmethod”，the buildingsmust be stuck with reflectors.For the first time，through using themethod to process the point cloud data registration of a large steel truss bridge，a full point cloud datamodel of the bridge is completed with splicing，and its precision could satisfy the accuracy requirement of reversemodeling.

3D laser scanning；multiple point cloud data registration；“three-pointmethod”splicing

P23

A

1672—1144（2014）01—0121—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.025

2013-11-08

2013-12-30

國家科技重大專項項目（2011ZX05056）；河南省省院科技項目（112106000035）；河南省科技攻關(guān)項目（122102310396）；鄭州市科技攻關(guān)項目（006635，006636）水利部公益項目（201301056）；鄭州市現(xiàn)代數(shù)值分析與可視化仿真院士工作站基金（122PYSGZ825）

劉尚蔚（1967—），女，河南南陽人，教授，博士，主要從事水利工程仿真方面的研究工作。