【摘要】：點云配準(zhǔn)作為空間三維點云預(yù)處理階段的重要數(shù)據(jù)處理步驟,對獲得完整的被測目標(biāo)表面空間三維坐標(biāo)有著極其重要的作用,但目前的各種配準(zhǔn)算法在配準(zhǔn)速度、精度及可靠性方面還有待提升。本文主要研究了空間三維點云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)技術(shù),重點研究了其中的特征提取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、精確匹配、多站配準(zhǔn)誤差改正等算法,主要工作和創(chuàng)新點如下:1.總結(jié)了目前空間三維點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)及現(xiàn)狀,從數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、初始配準(zhǔn)、精確配準(zhǔn)及多站點云配準(zhǔn)誤差改正五個方面分析總結(jié)了各種算法的原理及特性。2.分析了點云數(shù)據(jù)空間分布規(guī)律,提出了一種三維激光點云數(shù)據(jù)虛擬特征點提取算法,該算法在曲率特征提取邊角點的基礎(chǔ)上,使用特征點聚類法將同一特征線上的邊角點分類,并使用端點擬合或直線擬合方法提取出虛擬特征點。實驗表明該算法提取出的虛擬特征點具有更高的可靠性,能提高初始配準(zhǔn)計算速率和精度。3.針對初始配準(zhǔn)過程中傳統(tǒng)的七參數(shù)、羅德里格矩陣算法的穩(wěn)定性易受粗差影響的問題,提出了一種基于整體最小二乘的羅德里格矩陣算法,該算法能夠顧及系數(shù)矩陣本身存在的誤差,有效減小特征點坐標(biāo)誤差對參數(shù)求解的影響。實驗結(jié)果表明該算法較傳統(tǒng)算法具有更高的精度及穩(wěn)健性。4.針對傳統(tǒng)點云精確匹配算法拉入范圍小且容易陷入局部最優(yōu)的情況,設(shè)計了一種基于兩步法的3D-NDT(3-Dimensional-Normal Distributions Transform,三維正態(tài)分布)點云數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)算法。該算法較ICP(Iterative Closest Point,最近點迭代)算法不僅精度、可靠性顯著提高,且速度更快。5.針對多站地面三維點云連續(xù)配準(zhǔn)過程中誤差累積的問題,采用基于二次或三次多項式的單航帶平差模型對累積誤差進(jìn)行改正。實驗結(jié)果表明,該方法能有效減少系統(tǒng)誤差積累,提高配準(zhǔn)精度。
【學(xué)位授予單位】：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN249
【圖文】：

圖 1.1 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)流程圖1.2.1點云數(shù)據(jù)預(yù)處理由于三維激光點云數(shù)據(jù)采集儀器、采集方式等因素影響，獲得的三維點云數(shù)據(jù)存在著遮擋、噪點和飛點等粗差點，因此需要在數(shù)據(jù)處理前將這些粗差點從已經(jīng)獲取的點云數(shù)據(jù)中剔除，以提高特征提取和配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程如圖 1.2 所示。

第一章 緒論第3頁圖 1.1 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)流程圖1.2.1點云數(shù)據(jù)預(yù)處理由于三維激光點云數(shù)據(jù)采集儀器、采集方式等因素影響，獲得的三維點云數(shù)據(jù)存在著遮擋、噪點和飛點等粗差點，因此需要在數(shù)據(jù)處理前將這些粗差點從已經(jīng)獲取的點云數(shù)據(jù)中剔除，以提高特征提取和配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程如圖 1.2 所示。圖 1.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖目前點云數(shù)據(jù)的粗差剔除方法主要分為 3 類[4]：（1）直方圖分析法[5]對于外露點可以采用直方圖分析的方法對其評價，直方圖的橫軸表示高程值，縱軸表示對某高程值統(tǒng)計得到的點云數(shù)目。經(jīng)過統(tǒng)計得到的極高點信息，尤其是 x, y坐標(biāo)信息，可以迅速完成外露點的定位。此外，通過構(gòu)三角網(wǎng)的方法，也可以迅速找到外露點，并判

CloudCompare、MeshLab、GeomagicStudio 等三維點云數(shù)據(jù)處理軟件均具有點云配準(zhǔn)的功能模塊，其中 CloudCompare 可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的人工干預(yù)點云配準(zhǔn)，并可在點云重疊率高的情況下完成自動配準(zhǔn)；MeshLab 可快速實現(xiàn)小數(shù)據(jù)量的人工干預(yù)點云配準(zhǔn)Geomagic Studio 可以完成人工選點實現(xiàn)點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，完成點云配準(zhǔn)。國內(nèi)具有配準(zhǔn)功能的軟件有 LiDAR360、CoProcess 及點云魔方等三維點云處理軟件其中 LiDAR360 點云處理軟件是北京數(shù)字綠土科技有限公司研制的一款點云處理軟件，可實現(xiàn)自動的航帶拼接、自動識別標(biāo)志點的自動配準(zhǔn)及人工干預(yù)的地面點云配準(zhǔn)。CoProces及點云魔方三維點云處理軟件的配準(zhǔn)功能均可以人工選點方式實現(xiàn)點云配準(zhǔn)。1.3論文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排由于目前三維點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)還存在初值要求高、抗差性及抗噪性能低、使用點迭代方式時間消耗大且易陷入局部最優(yōu)等問題，本文從提高空間三維點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度、速度及可靠性的角度出發(fā)，在深入分析三維點云數(shù)據(jù)空間分布形態(tài)、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)及算法運用模式的基礎(chǔ)上，重點對空間三維點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的特征提取、初始配準(zhǔn)、精確配準(zhǔn)及誤差改正等方面進(jìn)行了研究。論文的研究思路如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2761364