基于地面激光扫描点云数据的三维重建方法研究

 本文从基于地面激光点云数据的地物三维重建角度出发，对涉及模型重建的点云配准、点云分割、点云模型轮廓点集的提取以及点云模型的纹理映射等内容进行了较为深入的研究。本文的主要创新点如下：
1.提出了一种利用邻域平均度量计算网格顶点曲率的配准算法，解决了点云配准的同名特征点自动筛选问题，实现了点云的自动迭代配准；提出了一种联合点云光谱信息和回波强度的同名特征点筛选方法，解决了几何特征不明显目标的点云自动配准问题。
2.提出了一种联合几何阈值条件和激光回波反射强度的平面生长方法，提高了分割模型探测点云信息的可靠性和敏感度。以多平面的交集作为立面边界特征，解决了由于点云间隔不一致导致的边界特征选取不确定问题。
3.提出了一种基于三维直接线性变换和后方交会的纹理映射方法，解决了精细纹理目标的三维重建问题，并进行了实验验证。
摘 要

随着地面激光扫描技术的日臻成熟并被逐步应用于地物三维重建工作，地面激光点云正成为重建工作中的重要基础数据。作为一种直接对目标表面进行三维测量的技术，地面激光扫描系统能够以阵列式点云的形式描绘地物表面的空间形态和记录点位坐标信息，并且可以根据激光束回波反射强度值以及融合CCD影像的色彩信息，使得点云数据不仅具有空间几何特征，同时还包含有地物表面的光谱辐射信息。通过建立点云数据的邻域关系和目标点云表面的拓扑几何特征，实现以网格或参数曲面的形式构建地物的表面几何模型；而光谱辐射信息则被用于恢复几何模型表面的色彩或纹理特征。联合光谱辐射信息的数据处理方法是当前目标重建技术中的一个研究热点，通过在基于几何特征的数据处理算法中增加光谱辐射信息这一辅助阈值条件，用以改善重建算法的稳健性并提高重建模型的质量。本文在分析已有地面激光点云数据处理方法的基础上，对地物三维重建工作中的网格点云数据的配准、点云数据的分割、点云模型的轮廓提取、点云模型的纹理映射等关键问题进行了深入研究，并尝试从融合光谱辐射信息的角度实现对现有数据处理算法进行改进，提高算法的适用性和敏感度。本文在对地面激光扫描仪的系统组成、扫描作业步骤、地面点云数据的邻域划分和拓扑几何特征关系、以及点云数据中的光谱辐射信息等内容进行充分论述的基础上，着重对重建工作中的以下问题进行了详细研究：
⑴ 针对同名特征关系在配准工作中不易自动建立的问题，以特征点集的自动搜索为研究内容，结合实际工作中三角网格被广泛应用于点云建模这一工作环境，提出了一种基于网格顶点特征的点云自动配准算法：①以三角网格的顶点曲率为研究对象,用基于邻域平均度量的曲率计算方法进行特征点集的筛选,提高了曲率计算的可靠性；通过交互式的方法使待配准点云的初始位置指向网格的同一方向，降低了预配准计算的复杂度。②依托搜索树建立的邻域关系，从特征点集中搜索特征面片，以三角面片的顶点作为预配准的初始估值，然后进行ICP法的配准计算，经实例验证，该方法搜索准确，配准结果可靠，具有一定的工程实用价值。③对于某些特殊条件下，曲率计算有可能失效的情况，给出了基于网格顶点光谱特征的特征点集筛选模型，能够在一定程度上对原有几何特征配准算法进行补充。
⑵ 首先对已有的点云几何分割算法进行了回顾，分析了将回波反射强度信息作为辅助条件引入到点云平面分割算法的可行性。针对平面在建筑物立面中广泛出现的特点，根据激光回波反射强度与地物反射特性具有相关性的特点，改进了平面生长的点云分割算法，提出在生长阈值条件中增加反射强度值的相关性约束条件，同时引入随机一致性算法改善初始面片模型参数估计的稳健性，提高了平面生长分割算法的可靠性。实验说明，对于一定条件下获得地形激光点云而言，使用强度值辅助的点云分割算法具有两面性，算法灵敏度的提高一方面会导致面片的过于细分，产生不应有的得多余分割面片，但另一方面，却也可以提高算法对地物特征的识别能力，对于目标表面细节的层次特征提取具有一定的促进意义。
⑶ 在分析了建筑物立面点云的典型结构特征、几何特点的基础上，讨论了建筑物立面模型快速重建中激光扫描策略的改进方法，然后以点云数据转换为轮廓线模型为重建工作的主要研究内容，提出了针对点云密度不均匀的建筑物立面内、外轮廓的提取作业方法，考虑到点云密度对不同边界提取算法所造成的影响，对边界跟踪和空间网格划分两种方法进行了混合使用。利用极值点确定外轮廓种子点，然后进行边界跟踪获取一定数量的边界点；利用空间网格划分的方法对内部空洞区域进行探测，确定内轮廓的初始点集。在对边界点集进行直线段拟合的基础上，针对内轮廓点集不能真实反映立面特征，如窗户真实尺寸的问题，认为需要结合实测数据进行边界的修正。最后，再进行边界的规则化处理，从而实现点云立面轮廓线的建立。
⑷ 从场景光照一致性的角度对数字影像匀光的必要性和匀光模型的选择进行了研究分析，并实验利用Wallis滤波器对具有一定重叠度的数字影像进行匀光处理，使两幅影像在色彩空间的各个通道上趋于一致；然后通过分析影像的畸变模型和数字影像的几何校正模型，并根据数字影像成像时相机、激光扫描仪扫描中心与物方的相对位置关系，研究了摄影中心线与扫描中心线夹角在不同情况下的两种映射模型，对于小倾角的情况，认为可以用直接线性变换的方法实现点云模型到纹理影像的映射过程，并直接利用点云坐标进行相机内方位元素的解算；对于大倾角的情况，则认为需要通过的相机的标定，确定内方位元素，然后在利用后方交会的严密模型进行点云模型到影像的映射工作。通过以上研究，使得从三维点云到二维单片影像的纹理映射方法在实际应用中更加具有针对性。最后针对纹理建模中的点云数据和点云网格模型分别进行了基于三维直接线性变换的单片纹理映射和基于后方交会直接解的多视点纹理重复映射实验。
融合几何拓扑特征与光谱辐射信息的数据处理方法，在基于地面激光点云数据的重建工作中有着巨大的应用潜力。本文在对地物三维重建中几项关键问题进行研究的过程中，对将光谱辐射信息用以改善重建模型质量的方法进行了分析，取得了一定成果，最后给出了全文的总结。

关键词：激光扫描、网格配准、强度分割、轮廓提取、纹理映射
目 录

摘 要 I
Abstract IV
目 录 VII
第一章 绪 论 1
§1.1论文的研究背景和意义 1
§1.2点云数据处理研究现状 3
§1.2.1点云配准的研究现状 5
§1.2.2点云分割的研究现状 7
§1.2.3点云建模的研究现状 9
§1.3待解决的问题和发展趋势 12
§1.4论文的主要研究内容 14
§1.5论文的主要结构安排 15
§1.6本章小结 17
第二章 激光点云数据的特征信息 18
§2.1 激光扫描成像系统 18
§2.1.1扫描系统的主要设备 18
§2.1.2数据获取的作业流程 20
§2.2 点云数据的邻域 23
§2.2.1邻域的划分方法 23
§2.2.2 K-D查找树划分[36] 24
§2.3 点云表面模型的拓扑几何特征 26
§2.3.1空间曲线的切线与法平面 27
§2.3.2空间曲面的切平面与法线 28
§2.3.3贝塞尔曲面和曲面的曲率 29
§2.4 点云数据中的光谱特征信息 31
§2.4.1激光回波反射强度 31
§2.4.2彩色激光点云模型 33
§2.5 本章小结 34
第三章 基于网格顶点曲率的点云配准 35
§3.1 点云配准方法 35
§3.1.1 基本配准模型 35
§3.1.2 球形标靶解算 39
§3.2 基于高级几何特征的点云配准 41
§3.2.1 点云的预配准方法综述 41
§3.2.2 基于空间曲线的配准方法 43
§3.2.3 基于空间曲面的配准方法 45
§3.3基于ICP的点云精确配准 49
§3.3.1 ICP配准算法概述 49
§3.3.2 ICP配准主要步骤 50
§3.4 基于网格顶点特征的配准模型 51
§3.4.1 网格模型的配准方法 51
§3.4.2 网格顶点曲率的计算 53
§3.4.3 基于曲率的配准条件 55
§3.4.4 配准误差的传播模型 58
§3.4.5 网格模型的配准步骤 59
§3.5 实验与分析 60
§3.6 本章小结 62
第四章 回波反射强度辅助的点云分割 64
§4.1 点云分割概述 64
§4.1.1 点云分割的目的 64
§4.1.2 点云分割的定义 64
§4.1.3 点云分割中的光谱信息 66
§4.2 基于几何特征的点云分割方法 68
§4.2.1 基于边界的点云分割 69
§4.2.2 基于聚类的点云分割 70
§4.2.3 基于生长的点云分割 71
§4.3 点云分割初值的稳健估计 73
§4.4.1 三维霍夫变换法 73
§4.4.2 随机采样一致性 75
§4.4 反射强度辅助的点云分割模型 77
§4.4.1 RANSAC构建分割种子面 77
§4.4.2 生长面的拟合和参数解算 77
§4.4.3 点云分割的几何阈值条件 81
§4.4.4 点云分割的强度阈值条件 82
§4.4.5 反射强度辅助的分割步骤 83
§4.5 实验与分析 85
§4.6 本章小结 87
第五章 激光点云立面轮廓点集的模型化 88
§5.1 引言 88
§5.1.1 基于三维软件的建筑物重建 89
§5.1.2 基于摄影测量的建筑物重建 89
§5.1.3 基于激光点云的建筑物重建 91
§5.2建筑物立面重建中的先验知识 93
§5.2.1 立面主要结构特征 93
§5.2.2 立面主要几何特点 94
§5.2.3 基于先验知识的立面扫描策略 95
§5.3 建筑物简单立面轮廓点集的确定 95
§5.3.1 立面外轮廓点集的提取 96
§5.3.2 立面内轮廓点集的提取 98
§5.3.3 立面交线和角点的提取 100
§5.4建筑物简单立面点云的轮廓线模型 104
§5.4.1 边界点集的直线段拟合 104
§5.4.2 建筑物立面模型的建立 106
§5.5 本章小结 108
第六章 立面激光点云的纹理建模 110
§6.1 纹理建模中影像的整体匀光 110
§6.1.1数字影像匀光的必要性 110
§6.1.2 Wallis滤波器的匀光原理 112
§6.1.3 Wallis匀光的实例与分析 114
§6.2 激光点云模型的纹理映射 117
§6.2.1 数字影像的几何校正 117
§6.2.2 三维直接线性变换的映射模型 118
§6.2.3 空间后方交会的严密映射模型 119
§6.2.4 映射模型的参数解算 123
§6.3 纹理映射的实验与分析 124
§6.3.1 基于直线线性变换的点云纹理映射 124
§6.3.2 基于后方交会的点云模型纹理映射 127
§6.4 本章小结 129
第七章 总结与展望 131
参考文献 134