臧玉府

南京信息工程大學(xué)遙感與測繪學(xué)院，江蘇 南京 210044

激光掃描測量技術(shù)是獲取三維目標空間信息的重要手段，隨著多平臺激光掃描設(shè)備的推廣，用戶可以快捷地獲取場景目標的多分辨率、多尺度、多時態(tài)點云數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，單一平臺的傳感器數(shù)據(jù)往往無法滿足復(fù)雜場景的應(yīng)用需求，協(xié)同多平臺傳感器作業(yè)可有效獲取其全方位信息，因此如何實現(xiàn)多平臺點云的空間基準統(tǒng)一是不可避免的問題。針對多平臺點云中存在的噪聲、點密度、遮擋等差異, 進而影響了配準基元的提取與匹配的問題，本文提出了多平臺點云配準方法，為基于三維點云的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

在實現(xiàn)多平臺點云配準的基礎(chǔ)上，由于激光技術(shù)采集的高密度點云中常含有大量冗余，增加了數(shù)據(jù)處理的難度，而在三維模型展覽、傳輸?shù)葢?yīng)用中，常要求在不同視距(或投影比例)條件下，從原始數(shù)據(jù)中選取較少的采樣點高視覺質(zhì)量地描述原始目標。本文根據(jù)目標固有的幾何特點，提出了視距相關(guān)的多粒度表達方法，并基于主觀性閾值自適應(yīng)地選擇滿足不同視距需求的粒度模型，實現(xiàn)按需建模。

本文的研究內(nèi)容主要由以下幾方面構(gòu)成：

(1) 介紹了本文的研究背景和意義，系統(tǒng)總結(jié)回顧了國內(nèi)外多平臺點云配準與按需選擇的研究工作，基于多平臺點云的配準難點和數(shù)據(jù)需求多樣化的特點，提出了本文的研究目標和內(nèi)容。

(2) 由于配準基元是實現(xiàn)多平臺點云配準的前提條件，文中分別提出了邊界線、空間曲線和面片特征的提取方法。其中，邊界線特征的提取通過平面檢測、邊界點確定、直線擬合、規(guī)則化等步驟實現(xiàn)；空間曲線特征則基于大曲率點的條帶狀點云，綜合路徑長度、曲率值和中心位置約束，采用最短路徑搜索和曲線擬合實現(xiàn)提??；根據(jù)多平臺點云的數(shù)據(jù)特點，提取了其面片特征。本文基元提取方法有助于提高點云配準的準確性和穩(wěn)健性。

(3) 在配準基元提取的基礎(chǔ)上，綜合考慮基元的相似性度量、匹配策略、空間轉(zhuǎn)換等技術(shù)求解全局最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)，是實現(xiàn)點云配準的關(guān)鍵。本文從基元的幾何形狀信息和空間拓撲關(guān)系兩方面衡量其相似性，鑒于空間曲線復(fù)雜的幾何形態(tài)，介紹了衡量空間曲線間差異的形變能量模型，而基于機載與地面邊界線特征間存在的較大差異，構(gòu)建了譜空間描述其拓撲關(guān)系；并采用相應(yīng)的匹配策略穩(wěn)健匹配配準基元，通過相應(yīng)的空間轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)點云的空間基準統(tǒng)一。本文多平臺點云配準方法可消除點云間的空間基準差異，有利于多平臺點云的優(yōu)勢互補。

(4) 針對三維目標中包含的多細節(jié)層次信息，將傳統(tǒng)的單一粒度點云納入到多粒度框架中，提出了多粒度表達方法。介紹描述局部區(qū)域特征的局部曲面變化度量，采用徑向基函數(shù)描述鄰域點分布的影響，并結(jié)合兩者構(gòu)建多粒度點云?；谌S目標的多粒度模型，改進結(jié)構(gòu)化降質(zhì)度量MSDM以評估各粒度模型的視覺降質(zhì)，并采用主觀性閾值驅(qū)動的自動粒度選擇方法，實現(xiàn)按需建模。該方法在滿足多樣化需求的同時可有效減少數(shù)據(jù)冗余。

(5) 選取多套數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，驗證本文的多平臺點云配準和按需建模方法。通過邊界線、空間曲線和面片等特征的提取試驗，證明了所提配準基元的準確性和完整性；定量分析了多種情況下的配準誤差，表明本文配準方法良好的穩(wěn)健性和準確性；通過分析自由曲面對象數(shù)據(jù)的多粒度表達試驗，證明了本文多粒度表達方法的可行性和有效性；而在不同投影比例下選擇最佳粒度模型的試驗，則驗證了本文按需建模方法能夠得到合理、可靠的粒度模型。