论文题目：影像匹配点云与地面激光点云配准技术研究
摘要：近年来,随着我国测绘科学技术与传感器技术的高速发展,无人机设备与三维激光扫描仪正经历着从“专业级”过渡到“消费级”的转变,日渐同步参与到建筑遗产保护、三维城市建模等信息化建设过程中,使得高分辨率二维影像与精确三维点云的获取变得更为高效便捷。基于影像密集匹配得到的影像匹配点云纹理丰富、边缘特征明显,能够真实还原三维场景,但是受原始影像质量和匹配算法鲁棒性影响,部分区域无法产生正确的匹配结果,而激光点云虽然可以直接反映目标物体表面细节特征,但由于仪器观测范围约束和现实环境遮挡限制,局部存在点云空洞。为了最大程度实现点云优势互补,弥补单一视角、单一平台的数据遗漏或细节丢失等缺陷,需要对跨平台点云进行配准,从而实现目标区域全方位的空间信息表达。而当前影像匹配点云与地面激光点云配准方法,或需先完成影像与点云的粗配准,涉及耗时费力的人工干预流程、复杂的参数求解过程,或忽略点云特性差异直接基于ICP算法配准,配准精度有待提升。为简化配准流程、提高配准精度,本文在前人的研究基础之上,提出基于建筑物轮廓粗配准、基于点到面ICP算法精配准的全局配准技术方案,主要研究内容包括:（1）跨源点云的获取与对比。采集得到影像与激光点云之后,基于四种影像密集匹配技术生成影像序列的三维点云,通过计算四种成果点云的点云数量、密度、点位精度以及可信度,评估影像匹配点云的完整性与准确性,从而筛选出最适合与地面激光点云配准的影像匹配点云。同时从点云密度、数据精度、数据缺陷与融合需求四个方面,比较两种跨源点云的数据特性差异,结合对比结果,确定配准技术方案。（2）建筑物点云轮廓线基元提取。在明确两种点云数据的优势信息与互补需求后,为减少配准过程的计算量,提取建筑物轮廓点云作为粗配准过程的配准基元。首先,应用布料模拟滤波算法分离地面点云,参考点云回波信息和聚类个数分别滤除地面激光点云和影像匹配点云中的植被点云,得到主体建筑物点云。再根据不同建筑物点云的优势信息展开研究,面向现代建筑,通过区域生长算法分割建筑物墙体点云,完成参数化平面投影后,采用Alpha-Shape算法拟合墙面及窗户边界;面向古建筑,通过设置高度限制实现屋顶分割,同样进行投影处理后,再基于点云邻域特征提取屋顶轮廓边界。（3）基于建筑物轮廓特征和点到面ICP算法自动配准。在基于建筑物轮廓线基元粗配准阶段,通过主成分分析算法构建局部坐标系,再利用质心约束和罗德里格斯公式解算粗配准刚体变换矩阵,确定初始位姿。在精配准阶段,为解决因忽略跨源点云特性差异直接使用ICP算法精配准存在的局部最优问题,引入分离得到的地面点云与建筑物点云共同参与点到面ICP算法精配准,最后通过实验验证方法的可行性,同时完成对比实验评估本文方法的配准精度。
关键词：影像匹配点云;地面激光点云;特征提取;建筑物轮廓;点云配准
学科专业：测绘工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 2D-2D配准
1.2.2 2D-3D配准
1.2.3 3D-3D配准
1.3 研究内容与技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
1.4 文章结构
第2章 影像与地面激光点云数据获取和预处理
2.1 影像与地面激光点云数据获取
2.1.1 倾斜影像数据获取
2.1.2 地面激光点云数据获取技术对比
2.2 影像与地面激光点云预处理
2.2.1 影像密集匹配
2.2.2 地面激光点云预处理
2.3 影像匹配点云与地面激光点云数据对比
2.4 本章小结
第3章 影像匹配点云与地面激光点云配准基元提取
3.1 地面滤波
3.2 植被滤波
3.2.1 影像匹配点云植被滤波
3.2.2 地面激光点云植被滤波
3.3 建筑物墙体与屋顶点云分割
3.3.1 现代建筑墙体点云分割
3.3.2 古建筑屋顶点云分割
3.4 建筑物轮廓线基元提取
3.4.1 窗户轮廓线基元提取
3.4.2 屋顶轮廓线基元提取
3.5 本章小结
第4章 影像匹配点云与地面激光点云自动配准
4.1 点云配准理论基础
4.2 基于建筑物轮廓粗配准
4.2.1 质心约束
4.2.2 局部坐标系构建
4.2.3 变换函数模型解算
4.3 精配准
4.3.1 基于ICP算法精配准
4.3.2 基于点到面ICP算法精配准
4.4 点云配准精度分析
4.4.1 误匹配点去除
4.4.2 精度评估指标
4.5 本章小结
第5章 实验与分析
5.1 实验环境及数据获取
5.1.1 实验环境
5.1.2 实验数据获取
5.2 预处理与数据分析
5.2.1 地面激光点云预处理与数据分析
5.2.2 影像匹配点云预处理与数据分析
5.3 建筑物轮廓线基元提取
5.3.1 地面与植被滤波
5.3.2 墙体与屋顶点云分割
5.3.3 建筑物轮廓线基元提取
5.4 粗配准及精配准
5.4.1 基于建筑物轮廓粗配准
5.4.2 基于点到面ICP算法精配准
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
参考文献
致谢