徐亞楠，顧斌，胡德承

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515078；2.南通市房產(chǎn)交易中心，江蘇 南通 226000）

利用三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，可以獲得目標(biāo)建筑物的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]，點(diǎn)云具有空間離散性，缺乏真實(shí)紋理信息；利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行攝影測(cè)量，可以獲得建筑物的光學(xué)圖像[2-3]，光學(xué)圖像的不足在于無(wú)法直接用二維來(lái)表示三維的現(xiàn)實(shí)世界。本文主要利用數(shù)字圖像的紋理信息輔助點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云特征提取，其基本思想是利用建筑物的立體像對(duì)同名點(diǎn)配準(zhǔn)激光點(diǎn)云對(duì)應(yīng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩種類型的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，并進(jìn)行精度評(píng)定。

圖1 數(shù)字圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)研究

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

為了獲取建筑物的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先利用三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到建模的質(zhì)量及點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度，因此，在掃描過(guò)程中，需要設(shè)置合適的掃描采樣密度，同時(shí)在開闊位置安置掃描儀，選擇好的測(cè)量視角，避免周圍太多雜物影響。

本文選取某校園內(nèi)建筑為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該建筑構(gòu)造簡(jiǎn)單，特征明顯，左右兩邊對(duì)稱，周邊開闊無(wú)樹木和相鄰建筑，適合安置儀器獲取數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集工作中，選擇天寶GX200三維激光掃描儀，設(shè)置采樣間隔為5mm@50m，分別在前后左右四個(gè)位置設(shè)站掃描，并在前后左右四個(gè)位置分別設(shè)置標(biāo)靶用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。對(duì)采集得到的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Real Works Survey內(nèi)業(yè)處理軟件經(jīng)點(diǎn)云拼接、配準(zhǔn)、去噪進(jìn)行快速處理，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)字圖像采集

本文選取非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)佳能EOS 5D MarkⅢ對(duì)建筑物進(jìn)行圖像采集。首先對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，相機(jī)標(biāo)定是從二維圖像中獲取三維信息必不可少的步驟。本文借鑒張正友標(biāo)定法[4]對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，檢查和校準(zhǔn)相機(jī)的內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變參數(shù)。

利用標(biāo)定后的數(shù)碼相機(jī)，對(duì)建筑物正面進(jìn)行圖像拍攝，設(shè)置圖像分辨率為720×480。拍攝過(guò)程中，盡量保持圖像光軸平行，同時(shí)相鄰像片需具有一定的重疊度，以保證可以獲得一定數(shù)量的立體匹配點(diǎn)。獲得數(shù)字像對(duì)如圖3、圖4。

2 特征點(diǎn)提取與影像匹配

數(shù)字圖像與激光點(diǎn)云的配準(zhǔn)，實(shí)質(zhì)是兩種不同數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，其關(guān)鍵是在數(shù)字圖像中進(jìn)行特征點(diǎn)提取，獲取一定數(shù)量的匹配點(diǎn)，然后整體匹配到激光點(diǎn)云上。

本文首先對(duì)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取。特征點(diǎn)提取主要是應(yīng)用各種算子，通過(guò)設(shè)置計(jì)算窗口和閾值提取特征點(diǎn)。本文利用Moravec算子，設(shè)置興趣值計(jì)算窗口大小5×5，特征點(diǎn)計(jì)算窗口為7×7，閾值大小1500，提取特征點(diǎn)如圖5、圖6。

圖3 數(shù)字圖像左像

圖4 數(shù)字圖像右像

圖5 Moravec 算子（左像）

圖6 Moravec 算子（右像）

提取特征點(diǎn)是為了進(jìn)行影像匹配，即識(shí)別左、右兩幅影像間的同名點(diǎn)。本文采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行影像粗匹配，相關(guān)系數(shù)越接近1，說(shuō)明相關(guān)程度越高。同時(shí)，基于最小二乘理論[5]進(jìn)行影像精匹配，使匹配精度達(dá)到子像素級(jí)。

本文設(shè)置相關(guān)系數(shù)的閾值為0.95，選用11×11的目標(biāo)窗口，分別對(duì)影像進(jìn)行粗匹配和最小二乘精匹配，最后人機(jī)交互，剔除誤匹配的點(diǎn)，獲取同名匹配點(diǎn)17對(duì)。

圖7 同名點(diǎn)匹配效果（左像）

圖8 同名點(diǎn)匹配效果（右像）

3 雙像解析

雙像解析[6]是利用攝影測(cè)量解算方法求解匹配同名點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。本文采用單像空間后交與雙像空間前交的方法進(jìn)行雙像解析攝影測(cè)量。首先以單張像片為基礎(chǔ)，從左、右像片中分別選取3對(duì)均勻分布的同名點(diǎn)，結(jié)合地面上三個(gè)均勻分布的控制點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)像點(diǎn)、物點(diǎn)、投影中心點(diǎn)共線，分別求得左像和右像的外方位元素。然后，根據(jù)外方位元素計(jì)算像空間輔助坐標(biāo)，最終計(jì)算出地面點(diǎn)坐標(biāo)，得到17對(duì)同名點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。具體解算過(guò)程如下圖。

圖9 單像空間后方交會(huì)解算過(guò)程

圖10 雙像空間前方交會(huì)解算過(guò)程

4 數(shù)字圖像與激光點(diǎn)云匹配

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一?？紤]到建筑物表面有大量直線特征，本文基于特征實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)，精確配準(zhǔn)后的點(diǎn)云和圖像中的同名直線以及投影中心必須共面[7]。

本文采用基于特征的七參數(shù)配準(zhǔn)算法，從獲取的17對(duì)同名像點(diǎn)中選擇前13對(duì)，將兩個(gè)不同掃描視角下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集分別視為獨(dú)立剛體，利用人工選點(diǎn)，提取激光點(diǎn)云中與數(shù)字圖像特征對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，通過(guò)求取兩剛體間的平移量、旋轉(zhuǎn)參數(shù)和比例縮放系數(shù)共7個(gè)變換參數(shù)，求解剛體變換，即實(shí)現(xiàn)兩掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。同名匹配點(diǎn)和選取的激光掃描點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

為評(píng)定點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，對(duì)剩余的4對(duì)同名點(diǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)，與激光點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算歸一化殘差和為21.038mm，與預(yù)期一致。

本文中人工選擇與同名匹配點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，必然會(huì)引入誤差，但實(shí)驗(yàn)證明配準(zhǔn)精度與采集獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度基本處于同一數(shù)量級(jí)，因此，只要選點(diǎn)時(shí)盡量做到精確，人工選點(diǎn)是可行的，最終配準(zhǔn)精度還是較好的。

根據(jù)求得的點(diǎn)云配準(zhǔn)參數(shù)，對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將激光點(diǎn)云投影到圖像上，匹配效果見圖11、圖 12。

5 小結(jié)

本文提出了一種將數(shù)字圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合的方法，此方法從攝影測(cè)量的角度出發(fā)，通過(guò)數(shù)字圖像特征點(diǎn)提取、影像匹配和雙像解析，獲得一定數(shù)量的同名匹配點(diǎn)，通過(guò)人工目視，選擇與同名點(diǎn)所對(duì)應(yīng)激光掃描點(diǎn)，采用基于特征的七參數(shù)算法，得到兩種數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)關(guān)系。此方法能夠降低數(shù)據(jù)獲取的硬件標(biāo)準(zhǔn)，降低數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

同名匹配點(diǎn)與激光點(diǎn)云對(duì)應(yīng)點(diǎn) 表1

圖11 圖像與點(diǎn)云匹配效果(左像)

圖12 圖像與點(diǎn)云匹配效果(右像)