宣 偉

武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070

地面激光點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與三維模型快速重建技術(shù)研究

宣 偉

武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070

隨著激光測量技術(shù)的不斷發(fā)展，地面激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域快速獲取三維空間信息的重要手段之一。近年來，眾多學(xué)者就點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、簡化以及模型重建等方面作了大量研究，并且取得了技術(shù)性的突破，但是點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的研究還處于初級階段。地面激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的不同之處在于獲取的是大量點云數(shù)據(jù)，但無法確定數(shù)據(jù)點在物體表面的具體位置，傳統(tǒng)的基于單點的精度評價方法無法準(zhǔn)確地描述點云數(shù)據(jù)整體質(zhì)量情況。另外，當(dāng)今社會的高速發(fā)展對三維模型的需求量不斷在增加，如何基于點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的快速重建已經(jīng)成為研究的熱點問題之一。因此，本文就地面激光點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與三維模型快速技術(shù)展開以下研究：

(1) 針對地面激光掃描儀的系統(tǒng)誤差對點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，提出了基于參數(shù)自動優(yōu)化的系統(tǒng)誤差自檢校方法，研究了掃描儀系統(tǒng)誤差模型，推導(dǎo)了自檢校法的計算過程，基于一種無量綱的檢校結(jié)果質(zhì)量評價指標(biāo)，實現(xiàn)了檢校參數(shù)自動優(yōu)化。通過室內(nèi)檢校場的自檢校試驗，驗證了本文方法可以得到相關(guān)性低、顯著性高的系統(tǒng)誤差檢校參數(shù)，通過對原始觀測值進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正后，提高了掃描精度。

(2) 基于誤差橢球理論，闡述了激光點位誤差空間的估計方法，顧及點云數(shù)據(jù)中相鄰激光點位誤差空間的關(guān)系，推導(dǎo)了點云與激光點位的實際誤差空間計算方法，并根據(jù)兩者的關(guān)系，提出了點云變形可監(jiān)測性指標(biāo)的確定方法，以提高點云變形值提取的可靠性。通過木板位移試驗，從不同掃描距離、掃描間隔以及入射角3個方面，全面驗證了本文方法確定變形可監(jiān)測性指標(biāo)的可行性，最后通過橋塔的整體變形試驗進(jìn)一步驗證了本文方法的實用價值。

(3) 探討了固定鄰域?qū)τ诨赑CA的點云法向量估計結(jié)果的影響，提出了自適應(yīng)鄰域的點云法向量估計方法，利用點云局部鄰域協(xié)方差矩陣，構(gòu)建了局部鄰域維度特征信息熵函數(shù)，根據(jù)熵函數(shù)最小準(zhǔn)則，實現(xiàn)了點云自適應(yīng)最優(yōu)鄰域的估計，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行PCA法向量估計。分別對模擬點云和實測點云進(jìn)行了法向量估計試驗，結(jié)果表明，本文方法能夠顯著提高包含尖銳特征的點云法向量估計精度，為后續(xù)的點云簡化與模型重建提供了良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4) 為了減少點云中的冗余信息，研究了點云簡化方法。通過構(gòu)造局部鄰域曲率函數(shù)，實現(xiàn)了點云尖銳特征點的提??；提出了基于k均值聚類與象限識別相結(jié)合的快速點云邊界提取方法。針對非特征點云，提出了基于法向量夾角局部熵的點云迭代簡化算法，推導(dǎo)了點云任意點的法向量夾角局部熵的計算方法，給出了迭代簡化的重要步驟,并實現(xiàn)了點云簡化精度的評價。對3組實測點云數(shù)據(jù)，分別利用4種方法進(jìn)行了簡化，本文方法能夠保留較多的點云特征，簡化后的點云分布較為均勻，未出現(xiàn)空洞現(xiàn)象。

(5) 提出了GPU點云數(shù)據(jù)快速三角化方法，從分治法構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)入手，提出了并行自適應(yīng)點云數(shù)據(jù)分塊方法，并構(gòu)建了二叉樹結(jié)構(gòu)，然后實現(xiàn)了并行三角化操作，得到了最終的點云Delaunay三角格網(wǎng)模型；接著，實現(xiàn)了基于深度層次遍歷的GPU八叉樹，在此基礎(chǔ)上，研究了基于GPU并行運算的點云模型泊松重建方法，給出了實現(xiàn)步驟。最后，進(jìn)行了大規(guī)模點云數(shù)據(jù)模型重建試驗，相比于傳統(tǒng)CPU方法，本文方法將模型重建效率提高了數(shù)十倍甚至上百倍，極大提高了模型重建的速度。

Study on Quality Evaluation and 3D Rapid Reconstruction for Terrestrial Laser Scanning Point Cloud

XUAN Wei

School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

his doctoral degree from Wuhan University in June 2017, majors in data processing of TLS point cloud.

宣偉.地面激光點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與三維模型快速重建技術(shù)研究[J].測繪學(xué)報，2017,46(12)：2045.

10.11947/j.AGCS.2017.20170407.

XUAN Wei.Study on Quality Evaluation and 3D Rapid Reconstruction for Terrestrial Laser Scanning Point Cloud[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(12):2045. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170407.

P228

D

1001-1595(2017)12-2045-01

國家自然科學(xué)基金(41674005；41501502)；江西省自然科學(xué)基金(20171BAB203032)

2017-07-19

宣偉(1988—)，男，講師，2017年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：花向紅教授，鄒進(jìn)貴教授)，研究方向為三維激光點云數(shù)據(jù)處理。

E-mail：captainxuan@whu.edu.cn