基于全景成像与激光扫描的城市快速三维测量与重建技术研究

 城市三维测量与景观重建需要高效的空间信息获取手段作为支撑，而采用地面激光雷达技术进行城市空间实体的信息采集，可以提高三维建模效率，实现拟真和全真模型的三维重建。利用全景影像获取丰富的场景纹理，并通过技术手段进一步得到部分空间信息，而地面激光雷达具有更为丰富高精度的空间信息，因此系统深入地研究全景影像和地面激光雷达技术，对于彻底解决城市重复测量、极大提高城市测量效率、快速实现城市三维测量与重建等都具有重要意义。
本文针对城市空间信息获取与三维重建所面临的问题，提出基于全景成像和激光扫描的城市快速三维测量与重建技术的研究，全面系统地研究全景相机和地面激光雷达高精度标定、位姿解算、全景影像与激光点云的高精度配准以及误差传播和精度评定理论和方法，并实现场景的快速三维重建和高精度测量，从而为我国城市的快速三维测量与重建提供理论和实践依据。研究的主要内容如下：
1.对地面三维激光扫描测量技术进行研究，通过系统分析三维激光扫描仪的工作原理、系统组成和性能指标，研究激光点云的误差影响因素，并建立激光扫描仪的系统误差检校模型。
2.重点研究了全景成像模型，全景图生成的基本流程，包括影像几何纠正、影像拼接、影像融合几个步骤，然后对各个流程进行详细介绍。对全景相机的标定原理及标定方法进行了全面的阐述，并通过实验验证了全景相机标定算法的正确性。
3.在深入研究车载三维移动测量系统扫描成像测量机理的基础上，针对目前城市测量和数字城市建设等所面临的问题，提出完善的基于激光扫描和全景成像的车载三维移动测量系统设计方案，着重研究车载三维移动测量系统的工作原理、系统整体标定等关键技术，以对确保系统的测量精度提供理论依据。
4.研究点云重投影全景成像技术，将点云与全景影像的配准问题转化为异源传感器数据间的配准，在完成多传感器时空配准的基础上，进一步提取异源数据的特征基元，探索全景影像与点云数据间的高精度配准方法。
5.将基于反射强度的点云分割方法引入到建筑立面的点云分割中，通过对建筑立面的内、外轮廓进行提取，对边界点进行逼近和拟合，从而形成建筑立面的轮廓模型。此外，提出了利用基于Wallis 滤波器的方法进行影像匀光，用以解决在纹理映射过程中相邻影像间出现色调差异的问题，并进行了相关实验。

关键词：移动三维测量；全景成像；激光扫描；三维重建

目录
摘 要 I
Abstract III
第一章 绪 论 1
§1.1 研究背景 1
§1.2 国内外研究现状与分析 2
§1.2.1 地面三维激光扫描技术的研究现状与分析 2
§1.2.2 全景成像方式的研究现状及分析 5
§1.2.3 城市三维测量与重建技术的研究现状及分析 7
§1.3 总的发展趋势和待解决的问题 8
§1.4 本文的主要研究内容 9
§1.5 本文的组织结构 10
第二章 地面三维激光扫描测量技术 12
§2.1 三维激光扫描定位原理 12
§2.2 地面三维激光扫描仪特点及分类 13
§2.3 点云的定位误差影响分析 17
§2.3.1 激光测距误差的影响 17
§2.3.2 测角误差的影响 18
§2.3.3 目标相关误差的影响 18
§2.3.4 其它因素的影响 20
§2.4 三维激光扫描仪的检校 21
§2.4.1 刚体变换法检校 21
§2.4.2 实验和分析 24
§2.5 本章小结 27
第三章 全景成像模型及其高精度标定技术 28
§3.1 全景成像技术概况 28
§3.2 全景成像模型 29
§3.2.1 影像几何校正 32
§3.2.2 影像拼接 33
§3.2.3 影像融合 35
§3.3 全景相机标定 37
§3.3.1 单个相机标定 38
§3.3.2 相机整体标定 39
§3.4 实验及分析 41
§3.5 本章小结 41
第四章 基于激光扫描和全景相机的移动测量系统 42
§4.1 车载三维移动测量系统的组成 44
§4.2 车载三维移动测量系统的工作原理 47
§4.2.1 系统测量模式 47
§4.2.2 多传感器的时空配准 49
§4.3 车载三维移动测量系统的联合标定 51
§4.3.1 车载移动测量系统的联合标定原理 51
§4.3.2 车载移动测量系统的标定模型 52
§4.3.3 标定参数的解算 53
§4.4 实验及分析 54
§4.5 本章小结 59
第五章 全景影像与点云的快速配准与融合 60
§5.1 点云重投影 61
§5.1.1 点云投影方式 61
§5.1.2 投影重采样 62
§5.2 配准转换模型 63
§5.2.1 二维转换模型 63
§5.2.2 三维转换模型 63
§5.2.3 二三维转换模型 64
§5.3 基于点特征的影像与点云数据配准 65
§5.3.1 特征点提取 65
§5.3.2 特征点匹配 68
§5.4 基于线特征的影像与点云数据配准 72
§5.4.1 线特征提取 72
§5.4.2 线特征匹配 75
§5.5 本章小结 76
第六章 多站全景影像与点云的三维重建研究 77
§6.1 建筑立面点云分割 77
§6.1.1 基于区域增长的点云分割 78
§6.1.2 基于RANSAC平面拟合的点云分割 78
§6.1.3 基于模糊聚类的点云分割 80
§6.1.4 点云分割几何约束条件估计 81
§6.2 建筑立面轮廓模型建立 82
§6.2.1 建筑立面主要结构特征 82
§6.2.2 建筑立面边界点提取 83
§6.2.3 边界点集的直线拟合 86
§6.2.4 实验结果 88
§6.3 纹理映射中的关键问题（完善中） 96
§6.3.1 基于Wallis 滤波器的影像匀光 97
§6.3.2 影像匀光实验结果 98
§6.4 本章小结 98
第七章 总结与展望 100
§7.1 总结 100
§7.2 需要进一步研究的问题和展望 100
参考文献 102
攻读博士学位期间的主要科研工作 105
致 谢 106