一种基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103020966A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN103020966A(43)申请公布日2013.04.03(21)申请号201210512359.8G01S7/539(2006.01)(22)申请日2012.12.04(71)申请人南京大学地址210093江苏省南京市鼓楼区汉口路22号(72)发明人程亮李满春钟礼山童礼华陈焱明陈振杰王亚飞马磊丁佳鹏谌颂(74)专利代理机构南京同泽专利事务所(特殊普通合伙)32245代理人石敏(51)Int.Cl.G06T7/00(2006.01)权利要求书权利要求书4页4页说明书说明书1111页页附图附图66页(54)发明名称一种基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法(57)摘要一种基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法：首先分别从航空、地面LiDAR数据中提取建筑物轮廓，简称航空轮廓、地面轮廓；再从航空轮廓、地面轮廓中提取出建筑物角点，简称航空角点、地面角点；然后以航空轮廓与地面轮廓间的匹配度为约束，计算航空角点与地面角点之间初始转换矩阵，并获取初始匹配角点对；最后使用ICP算法计算初始匹配角点对之间的修正转换矩阵，并用初始转换矩阵和修正转换矩阵依次对待匹配地面点云数据进行转换，实现航空与地面LiDAR数据的自动高精度配准。本发明使用轮廓线做约束，在配准的可靠性与精确性方面都有很大的优势；同时，本发明仅从待匹配LiDAR数据与基准LiDAR数据出发，无需借助其他辅助数据便可实现两者之间的精确配准。CN103296ACN103020966A权利要求书1/4页1.一种基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法，包括以下步骤：第一步、提取建筑物轮廓——从航空LiDAR数据中提取建筑物轮廓，称为航空轮廓；从地面LiDAR数据中提取建筑物轮廓，称为地面轮廓；第二步、提取建筑物角点——从航空轮廓中提取建筑物角点，称为航空角点；从地面轮廓中提取建筑物角点，称为地面角点；第三步、寻找轮廓线段约束下的初始转换矩阵——使用航空角点与地面角点迭代计算转换矩阵，用该转换矩阵对地面轮廓进行转换，并使用航空轮廓与转换后地面轮廓的匹配度作为控制约束条件，当航空轮廓与转换后地面轮廓之间成功匹配的线段对数满足给定阈值时停止迭代，相应的转换矩阵即为初始转换矩阵；第四步、获得初始匹配角点对——使用第三步获得的初始转换矩阵对地面角点进行转换，根据空间距离寻找航空角点中与其配对的角点，得到初始匹配角点对；第五步、寻找修正转换矩阵——以初始匹配角点对为源数据，寻找两者间的修正转换矩阵，保证经该修正转换矩阵配准后，两者的均方根误差小于预设的极限值ε，极限值ε的取值范围为0.25-0.35；第六步、LiDAR数据配准——使用初始转换关系与修正转换关系依次对地面LiDAR数据进行转换，得到最终配准结果。2.根据权利要求1所述的基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法，其特征在于：所述第一步从航空LiDAR数据中提取建筑物轮廓的方法如下：构建1m*1m的水平格网，根据点面空间关系计算每个格网中最高点与最低点的高差，保留高差大于实验区最低建筑物高程的格网得到轮廓格网，对轮廓格网使用多尺度的Hough变换，得到航空LiDAR建筑物轮廓线段。3.根据权利要求1所述的基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法，其特征在于：第一步中从地面LiDAR数据中提取建筑物轮廓的方法如下：使用分层次的格网密度方法从地面LiDAR数据中提取建筑物轮廓；在此基础上使用轮廓延伸密度方法对提取的建筑物轮廓进行恢复，形成完整的建筑物轮廓。4.根据权利要求1所述的基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法，其特征在于：第二步中提取建筑物角点的方法如下：将建筑物轮廓投影到三维坐标系的XY平面内寻找二维相交点，如果任两条构成相交点的轮廓的高程差小于1m，则判定两条轮廓在实际的三维空间中相交，两条轮廓的相交点为一个建筑物角点，并将所述两条轮廓的高程均值作为该建筑物角点的高程。5.根据权利要求3所述的基于建筑物轮廓约束的航空与地面LiDAR数据自动配准方法，其特征在于：使用分层次的格网密度方法从地面LiDAR数据中提取建筑物轮廓，具体步骤如下：1a)地面LiDAR点云投影至XY平面——将地面LiDAR点云投影至三维坐标系的XY平面，并保留各个点的X、Y、Z属性；1b)提取粗略轮廓格网——在所述XY平面内构建1m*1m的粗略格网，计算每个粗略格网中LiDAR投影点的数量，即得到该粗略格网的格网密度，根据建筑物边缘轮廓处的粗略格网密度阈值对所述粗略格网进行筛选，保留格网密度大于所述粗略格网密度阈值的粗略格网，得到粗略轮廓格网；2CN10