高海燕 陳 真

（1.航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195；2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系是掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系，即各站的坐標(biāo)系是獨(dú)立的。點(diǎn)云定位就是將點(diǎn)云從掃描儀內(nèi)部局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到外部地理坐標(biāo)系的過(guò)程，即點(diǎn)云地理化。

目前，架站式三維激光掃描儀應(yīng)用最為廣泛。工作時(shí)需要在待測(cè)區(qū)域的多個(gè)位置架設(shè)儀器采集點(diǎn)云，通常一個(gè)待測(cè)區(qū)域少則需要幾個(gè)測(cè)站完成外業(yè)采集，多則需要幾十站甚至上百站方可完成外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)處理時(shí)需要將不同測(cè)站的點(diǎn)云通過(guò)一定的方式拼接成一個(gè)整體，同時(shí)，通常要進(jìn)行定位和定向，即所謂的絕對(duì)定位。如采用三維激光掃描進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，就必須進(jìn)行點(diǎn)云拼接和絕對(duì)定位。

傳統(tǒng)的點(diǎn)云拼接和定位方法主要包括：（1）每個(gè)測(cè)站通過(guò)絕對(duì)坐標(biāo)系下的控制點(diǎn)進(jìn)行定位，將各個(gè)測(cè)站點(diǎn)云進(jìn)行合并、優(yōu)化處理即可拼接成一個(gè)整體；（2）通過(guò)標(biāo)靶進(jìn)行拼接；（3）在相鄰測(cè)站的點(diǎn)云里，分別選擇3個(gè)以上同名點(diǎn)進(jìn)行拼接[1-6]。

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)對(duì)精確度的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于配準(zhǔn)速度，本研究采用球形標(biāo)靶，采用人工和自動(dòng)化結(jié)合的工作方法，在考慮了配準(zhǔn)速度的前提下，提高了點(diǎn)云配準(zhǔn)精度。

1 點(diǎn)云絕對(duì)定位的方法

點(diǎn)云絕對(duì)定位是指將掃描獲得的點(diǎn)云集（亦稱點(diǎn)云模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、點(diǎn)陣等）定位到一個(gè)預(yù)先定義的坐標(biāo)系中，如大地坐標(biāo)系。這個(gè)點(diǎn)云集既可以是單一測(cè)站的，也可以是若干測(cè)站經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)連接的點(diǎn)云集。通過(guò)少量的幾個(gè)控制點(diǎn)確定坐標(biāo)變換關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)點(diǎn)云集的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，將點(diǎn)云集精確統(tǒng)一到預(yù)定的坐標(biāo)系下，以得到被測(cè)物體真實(shí)的空間位置、方向和尺度。事實(shí)上，點(diǎn)云絕對(duì)定位方法也可以用到兩個(gè)掃描站之間點(diǎn)云模型的配準(zhǔn)連接上。點(diǎn)云絕對(duì)定位的目的是將點(diǎn)云集納入到預(yù)定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，以達(dá)到某種應(yīng)用要求，例如將點(diǎn)云模型套合到地形背景或影像背景中，或者將不同時(shí)序中掃描獲得的點(diǎn)云進(jìn)行比較，以了解觀測(cè)對(duì)象的空間位置或形態(tài)變化。

實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云絕對(duì)定位的關(guān)鍵是通過(guò)最少3個(gè)同名點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，建立點(diǎn)云集在兩個(gè)坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云集的坐標(biāo)變換。實(shí)際上在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，如上所述顯式的、嚴(yán)格意義上的同名點(diǎn)并不存在，無(wú)法直接選取同名點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，在進(jìn)行點(diǎn)云絕對(duì)定位時(shí)，需要利用人工靶標(biāo)，間接獲取虛擬同名點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的絕對(duì)定位。根據(jù)變換參數(shù)集的不同，可以把點(diǎn)云定位分為兩大類：剛性定位和非剛性定位。一個(gè)剛性變換只包含平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，本文采用的點(diǎn)云絕對(duì)定位方法為剛性變換[7-12]。典型工作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描及點(diǎn)云定位(配準(zhǔn))作業(yè)流程圖

上述作業(yè)流程圖中，靶標(biāo)是作為不同掃描站之間的點(diǎn)云集連接配準(zhǔn)所需的同名點(diǎn)使用，因此，靶標(biāo)的選擇和布置對(duì)整體點(diǎn)云模型的精度很關(guān)鍵。人工布置的靶標(biāo)通常有兩類：球形靶標(biāo)和平面靶標(biāo)。球形靶標(biāo)用在高精度要求場(chǎng)合，平面靶標(biāo)用于低精度要求場(chǎng)合。理論上球形標(biāo)靶為最佳，球體在任意方向?qū)ζ鋻呙?，都能保持形狀和球心位置不變形，因此球形靶?biāo)定位精度最高。而平面靶標(biāo)由于在不同站掃描的時(shí)候，會(huì)因?yàn)槿肷浣嵌炔煌鴮?dǎo)致精度有差異。另外，如上所述，掃描儀在不同站或不同次對(duì)同一個(gè)平面靶標(biāo)的掃描點(diǎn)不可能落在同一個(gè)位置，因此難于獲得精確的靶標(biāo)中心位置的坐標(biāo)，因而，一般只作為輔助靶標(biāo)使用[13]。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)采集

使用FARO FocusS 350激光掃描儀作為實(shí)驗(yàn)儀器。FocusS 350是一款高速三維激光掃描儀，適用室內(nèi)室外各種環(huán)境。掃描儀配套的軟件是SCENE 7.1。本研究通過(guò)掃描室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在陽(yáng)臺(tái)、辦公桌、電腦機(jī)箱等處布置5個(gè)標(biāo)靶球。通過(guò)改變測(cè)站位置，使用相同的掃描儀參數(shù)設(shè)置的情況下，掃描兩站。兩次掃描的數(shù)據(jù)通過(guò)SCENE軟件導(dǎo)出為.xyz格式。分別命名為1.txt和2.txt。

2.2 數(shù)據(jù)抽稀

使用CloudCompare軟件的點(diǎn)云抽稀功能，把點(diǎn)云1的點(diǎn)數(shù)抽稀為2000486個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)云2的點(diǎn)數(shù)抽稀為2014063個(gè)點(diǎn)。

2.3 手動(dòng)分離標(biāo)靶球面的點(diǎn)云

使用CloudCompare軟件的框選和剪切功能，從點(diǎn)云1和點(diǎn)云2中分別分離出4個(gè)標(biāo)靶球的點(diǎn)云，要求分離的球面點(diǎn)云，盡量正對(duì)掃描儀的球弧面。

2.4 計(jì)算出標(biāo)靶球球心坐標(biāo)和半徑

選擇2.3步驟中分離出的球面點(diǎn)云，使用基于CloudCompare開(kāi)發(fā)的中兵點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理插件，計(jì)算出8個(gè)點(diǎn)云的球心坐標(biāo)和半徑（見(jiàn)表1）。

表1 標(biāo)靶球球心坐標(biāo)和半徑

2.5 計(jì)算點(diǎn)云變換矩陣

使用表1中4對(duì)球心點(diǎn)（A1, B1）、（A2, B2）、（A3, B3）、（A4, B4）的坐標(biāo)，使用矩陣公式，計(jì)算出兩站間坐標(biāo)系的變換矩陣M為：

計(jì)算出變換矩陣M后，使用該轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換目標(biāo)點(diǎn)云，則完成點(diǎn)云定位到同一坐標(biāo)系。

2.6 與高精度全站儀控制點(diǎn)的絕對(duì)定位

采用2.1-2.5同樣的步驟，并把B1、B2、B3、B4的坐標(biāo)換成全站儀控制點(diǎn)的坐標(biāo)C1、C2、C3、C4，通過(guò)點(diǎn)對(duì)（A1, C1）、（A2, C2）、（A3, C3）、（A4,C4），可以實(shí)現(xiàn)把掃描儀的局部坐標(biāo)變換到大地坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)了普通三維激光掃描儀成果的絕對(duì)定位[14-15]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)同樣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，上述方法和在點(diǎn)云選擇4對(duì)同名點(diǎn)（例如桌角）的方法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法能顯著提高點(diǎn)云定位的精度，兩種定位方法的均方根（root mean square，RMS）對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方法對(duì)比結(jié)果表

4 結(jié)論

采用標(biāo)靶球球心作為虛擬同名點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云由局部坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的精確變換，使用CloudCompare軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編程實(shí)現(xiàn)了擬合計(jì)算標(biāo)靶球球心坐標(biāo)和半徑，也實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云拼接和點(diǎn)云定位。實(shí)驗(yàn)證明此方法可以顯著提高點(diǎn)云定位的精度。如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)靶球并提取球心坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位特別是無(wú)人工標(biāo)靶的自動(dòng)定位，有待進(jìn)一步研究。