專利名稱：一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間信息數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別是一種基于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的高精 度、高密度激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間物體三維測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
目前國際市場(chǎng)上使用的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可分為兩種，一種是基于傳統(tǒng)的立體攝影測(cè) 量原理，另一種是基于現(xiàn)代高精度、高頻率激光掃描原理。1.移動(dòng)立體攝影測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)立體攝影測(cè)量系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的立體攝影測(cè)量原理，即通過量測(cè)空間某一物 點(diǎn)在立體像對(duì)上的兩像點(diǎn)(同名點(diǎn))間的視差較(坐標(biāo)差)實(shí)現(xiàn)該物方空間坐標(biāo)的測(cè)量， 由多組相機(jī)對(duì)和相關(guān)控制設(shè)備組成，在載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，同時(shí)對(duì)行駛路徑周邊的環(huán)境 進(jìn)行連續(xù)拍攝，獲得道路沿線的立體影像對(duì)系列，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理，實(shí)現(xiàn)立體影像的 空間定位定向，獲得每張像片的外方位元素，基于定向后的立體影像，人們便可進(jìn)行空間物 體的三維測(cè)量和信息提取。其主要缺點(diǎn)在于，一方面其三維測(cè)量精度完全取決于立體像對(duì) 的絕對(duì)定向精度，而實(shí)現(xiàn)高精度的絕對(duì)定向即便是有GPS和慣性測(cè)量設(shè)備的支持，也須有 相應(yīng)的地面控制點(diǎn)，再者，影像分辨率的大小也決定了測(cè)量精度的好壞，而在連續(xù)快速拍攝 中采用高分辨率影像由于其數(shù)據(jù)量和存取速度的限制是不現(xiàn)實(shí)的；另一方面，即便是采用 自動(dòng)影像匹配的方法，空間物點(diǎn)獲取的密度很有限，尤其是在紋理較弱或重復(fù)紋理的情況 下(如城市街景中的建筑物紋理往往是很單一的)，自動(dòng)甚至手工捕捉同名點(diǎn)都極為困難 甚至不可能，故不能對(duì)空間物體進(jìn)行完整的描述。2.移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)是采用現(xiàn)代新興的激光探測(cè)及測(cè)距技術(shù)(Light Detection And Ranging)，簡稱LiDAR或激光雷達(dá)，基本原理是通過激光器產(chǎn)生并發(fā)生一束激光脈沖， 碰到物體返回，被激光接收器接收，基于激光脈沖往返傳播的時(shí)間計(jì)算出激光發(fā)射點(diǎn)到目 標(biāo)物的距離，已知激光發(fā)射點(diǎn)的空間位置和光束的空間姿態(tài)角，便可精確計(jì)算出光束另一 端目標(biāo)物體點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光發(fā)射點(diǎn)的空間位置和光束姿態(tài)通過高精度GPS定位和結(jié) 合精密慣性測(cè)量裝置IMU來測(cè)定。在載體平臺(tái)移動(dòng)過程中通過高頻率脈沖發(fā)射進(jìn)行高速 掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)物方空間的高密度三維點(diǎn)云獲取。該技術(shù)的特點(diǎn)在于物方點(diǎn)的獲取密度極高 (如平均點(diǎn)密度可達(dá)每平方米幾百點(diǎn)甚至上千點(diǎn))，由于采用了高精度的差分GPS和精密 IMU，所以測(cè)點(diǎn)精度也極高，絕對(duì)精度達(dá)厘米級(jí)，因此對(duì)物方的描述比其他任何方法都精密 準(zhǔn)確。與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法相比，激光雷達(dá)技術(shù)是一種主動(dòng)采集地面數(shù)據(jù)的方式，抗天氣 干擾能力強(qiáng)，且可晝夜作業(yè)。由于車載激光雷達(dá)系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、精度高、成本低、數(shù)據(jù)更 新快等優(yōu)勢(shì)，能直接采集高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，故越來越受到國際空間信息界的 廣泛關(guān)注并已成為空間信息采集的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。然而，海量數(shù)據(jù)處理以及人們對(duì)點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的認(rèn)知有限，已成為該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸，也對(duì)業(yè)界系統(tǒng)研發(fā)提供了新的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，解決的技術(shù)問 題包括移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)存取速度慢、處理繁瑣、操作困難的問 題；因人們對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的認(rèn)知局限性導(dǎo)致的激光雷達(dá)技術(shù)普及受限的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是綜合有效利用移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取 的激光點(diǎn)云和實(shí)景影像數(shù)據(jù)，以高精度、高密度的激光三維點(diǎn)云為實(shí)際捕捉目標(biāo)，并借助實(shí) 景影像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和操作，實(shí)現(xiàn)三維物體精確測(cè)量的目的。激光點(diǎn)云具有物體描述細(xì)膩、 點(diǎn)位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，但一方面由于其高密度導(dǎo)致數(shù)據(jù)為海量級(jí)，操作困難，只能轉(zhuǎn)為局部量 測(cè)，另一方面局部量測(cè)又受到人們認(rèn)知局限性的束縛，使得實(shí)際目標(biāo)捕捉相當(dāng)困難，而實(shí)景 影像具有直觀、易識(shí)別、易操作的特點(diǎn)，因此借助實(shí)景影像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和操作，并實(shí)現(xiàn)激 光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量，將三維點(diǎn)云的高精度特性與實(shí)景影像的直觀性充分結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三 維物體高效精確測(cè)量的目的。本發(fā)明的數(shù)據(jù)源來自于移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，一般由高精度激光掃描儀、高速數(shù)碼 成像設(shè)備、DGPS/IMU直接定向定位設(shè)備和工控計(jì)算機(jī)組成，融合了高精度差分GPS聯(lián)合慣 性測(cè)量裝置IMU直接定位定向、激光掃描和數(shù)碼成像技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)過程同時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)沿線 的激光點(diǎn)云、實(shí)景影像和定位定向數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件解算后，得到帶有大地坐標(biāo)信息 的三維點(diǎn)云和相匹配的實(shí)景影像序列。本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法使用的實(shí)景影 像無需采用立體成像原理獲取，也無需進(jìn)行復(fù)雜的基于立體像對(duì)的三維測(cè)量。因此，在獲取 實(shí)景影像時(shí)不需要使用相機(jī)對(duì)拍攝高重疊度的影像對(duì)，理論上只需要單相機(jī)進(jìn)行影像采集 即可，當(dāng)然為了獲取視角較大甚至360度全景影像時(shí)，可以采用多相機(jī)系統(tǒng)，但也只需要保 證在影像拼接處的少量重疊，或直接采用360度全景相機(jī)。在本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法中，通過空間 精確定位定向，實(shí)現(xiàn)了二維的實(shí)景影像與三維的激光點(diǎn)云的精確空間幾何匹配關(guān)系，以實(shí) 現(xiàn)通過影像操作準(zhǔn)確捕捉相應(yīng)點(diǎn)云的目的。以實(shí)景影像實(shí)現(xiàn)全局控制和操作，基于實(shí)景影 像和三維點(diǎn)云之間的空間幾何匹配關(guān)系實(shí)現(xiàn)局部精確的點(diǎn)云捕捉和測(cè)量，充分利用了實(shí)景 影像的易識(shí)別和易操作性以及激光點(diǎn)云對(duì)三維空間高精度描述的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空間三維測(cè) 量，巧妙地避開了純激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法中海量數(shù)據(jù)存取技術(shù)上的瓶頸問題。本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法完全區(qū)別與傳 統(tǒng)的純激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，影像與點(diǎn)云的有機(jī)結(jié)合易于提高數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度甚至 達(dá)到智能化的效果。本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法得到的測(cè)量精 度不依賴于影像的質(zhì)量和分辨率，與原始激光點(diǎn)云的獲取精度一致，一般為厘米級(jí)。本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法提出了一種全 新的“觀實(shí)景、測(cè)實(shí)物”理念，充分利用了激光點(diǎn)云高密度、高精度和實(shí)景影像易識(shí)別、易操 作的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)景影像進(jìn)行全局操作并基于激光點(diǎn)云進(jìn)行局部精密測(cè)量，有效地解 決了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)存取速度慢、處理繁瑣、操作困難的問題。本發(fā)明的理念及其實(shí)現(xiàn)一方面 為自動(dòng)化甚至智能化奠定了良好的基礎(chǔ)，另一方面，也為非專業(yè)人士從事專業(yè)性工作提供 了良好的平臺(tái)，可大大降低培訓(xùn)成本，有效地推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)的普及應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法的流程 圖。圖2是本發(fā)明的像點(diǎn)空間光束追蹤和三維點(diǎn)捕捉示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法的流程 圖，具體步驟包括步驟Sl 原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理一般可采用硬件設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件完成，聯(lián)合 激光掃描儀的定位定向數(shù)據(jù)解算出激光點(diǎn)云的三維大地坐標(biāo)；步驟S2 實(shí)景影像預(yù)定向聯(lián)合由差分GPS和IMU獲取的數(shù)碼成像設(shè)備的定位定向數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢校值，導(dǎo)出 每幅實(shí)景影像的初始外方位元素；步驟S3 三維激光點(diǎn)云與二維實(shí)景影像的精準(zhǔn)幾何關(guān)系匹配以步驟Sl中得到的三維激光點(diǎn)云為大地控制，并以步驟S2中獲取的實(shí)景影像外 方位元素為初始值，采用特征點(diǎn)匹配方法進(jìn)行自檢校空中三角測(cè)量平差計(jì)算，從而避免鏡 頭畸變和焦距變化等因素的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)景影像外方位元素的精調(diào)，獲得精確的共線方程 模型；步驟S4 像點(diǎn)空間光束追蹤依據(jù)步驟S3中確定的實(shí)景影像和三維點(diǎn)云的精準(zhǔn)幾何匹配關(guān)系，以像點(diǎn)為起點(diǎn)， 對(duì)光束進(jìn)行跟蹤計(jì)算，實(shí)現(xiàn)像素與物方物體間的交會(huì)；步驟S5 三維點(diǎn)捕捉采用步驟S4中的光束跟蹤方法與物方立面進(jìn)行交會(huì)，本著視線遮擋原理，由近到 遠(yuǎn)沿光束方向平移立面，以捕捉光束與立面交會(huì)點(diǎn)中首個(gè)與三維點(diǎn)云重合的點(diǎn)，從而獲取 物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖2所示，光束3以像片1上的像點(diǎn)2為起始點(diǎn)，由近到遠(yuǎn)沿光束3 方向平移立面4，光束與立面有多個(gè)交會(huì)點(diǎn)，如點(diǎn)5和點(diǎn)6，其中首個(gè)與三維點(diǎn)云重合的點(diǎn)5 即為像點(diǎn)2的物方點(diǎn)；步驟S6 實(shí)景操作、點(diǎn)云測(cè)量基于步驟S4和S5的原理，在實(shí)景影像上進(jìn)行點(diǎn)、線、面、體等操作，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)點(diǎn) 三維坐標(biāo)獲取，以達(dá)到三維測(cè)量的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，由高精度激光掃描儀、高 速數(shù)碼成像設(shè)備、DGPS/IMU直接定向定位設(shè)備和工控計(jì)算機(jī)組成的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)采集 實(shí)景影像和激光點(diǎn)云，其特征在于以高精度和高密度的激光三維點(diǎn)云為實(shí)際捕捉目標(biāo)，并 借助實(shí)景影像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和操作，實(shí)現(xiàn)三維物體精確測(cè)量的目的。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，其 特征在于二維的實(shí)景影像與三維的激光點(diǎn)云根據(jù)空間位置和定向元素進(jìn)行精確的空間幾 何關(guān)系匹配，以實(shí)現(xiàn)通過影像操作準(zhǔn)確捕捉相應(yīng)點(diǎn)云的目的。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，其 特征在于以實(shí)景影像實(shí)現(xiàn)全局控制和操作，基于權(quán)利要求2中所述的空間幾何匹配關(guān)系 實(shí)現(xiàn)局部精確的點(diǎn)云捕捉和測(cè)量，充分利用了實(shí)景影像的易識(shí)別和易操作性以及激光點(diǎn)云 對(duì)三維空間高精度描述的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空間三維測(cè)量，巧妙地避開了純激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方 法中海量數(shù)據(jù)存取技術(shù)上的瓶頸問題。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，其 特征在于實(shí)景影像無需采用立體成像原理獲取，也無需進(jìn)行復(fù)雜的基于立體像對(duì)的三維 測(cè)量。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，完 全區(qū)別與傳統(tǒng)的純激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于影像與點(diǎn)云的有機(jī)結(jié)合易于提高 數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度甚至達(dá)到智能化的效果。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，其 特征在于測(cè)量精度不依賴影像的質(zhì)量和分辨率，與原始激光點(diǎn)云的獲取精度一致，一般為 厘米級(jí)。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法，原 始數(shù)據(jù)包括原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、原始實(shí)景影像數(shù)據(jù)、定位定向數(shù)據(jù)，步驟如下步驟Sl 原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理一般可采用硬件設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件完成，聯(lián)合激光 掃描儀的定位定向數(shù)據(jù)解算出激光點(diǎn)云的三維大地坐標(biāo)；步驟S2:實(shí)景影像預(yù)定向聯(lián)合由差分GPS和IMU獲取的數(shù)碼成像設(shè)備的定位定向數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢校值，導(dǎo)出每幅 實(shí)景影像的初始外方位元素；步驟S3 三維激光點(diǎn)云與二維實(shí)景影像的精準(zhǔn)幾何關(guān)系匹配以步驟Sl中得到的三維激光點(diǎn)云為大地控制，并以步驟S2中獲取的實(shí)景影像外方 位元素為初始值，采用特征點(diǎn)匹配方法進(jìn)行自檢?？罩腥菧y(cè)量平差計(jì)算，從而避免鏡頭 畸變和焦距變化等因素的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)景影像外方位元素的精調(diào)，獲得精確的共線方程模 型；步驟S4 像點(diǎn)空間光束追蹤依據(jù)步驟S3中確定的實(shí)景影像和三維點(diǎn)云的精準(zhǔn)幾何匹配關(guān)系，以像點(diǎn)為起點(diǎn)，對(duì)光 束進(jìn)行跟蹤計(jì)算，實(shí)現(xiàn)像素與物方物體間的交會(huì)；步驟S5 三維點(diǎn)捕捉采用步驟S4中的光束跟蹤方法與物方立面進(jìn)行交會(huì)，本著視線遮擋原理，由近到遠(yuǎn)沿光束方向平移立面，以捕捉光束與立面交會(huì)點(diǎn)中首個(gè)與三維點(diǎn)云重合的點(diǎn)，從而獲取物方 點(diǎn)的三維坐標(biāo)；步驟S6:實(shí)景操作、點(diǎn)云測(cè)量基于步驟S4和陽的原理，在實(shí)景影像上進(jìn)行點(diǎn)、線、面、體等操作，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)點(diǎn)三維 坐標(biāo)獲取，以達(dá)到三維測(cè)量的目的。
全文摘要
本發(fā)明涉及空間信息數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別是一種基于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的高精度、高密度激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間物體三維測(cè)量的方法。本發(fā)明的一種基于激光點(diǎn)云和實(shí)景影像進(jìn)行空間三維測(cè)量的方法綜合利用移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的激光點(diǎn)云和實(shí)景影像數(shù)據(jù)，以高精度、高密度的激光三維點(diǎn)云為實(shí)際捕捉目標(biāo)，并借助實(shí)景影像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和操作，實(shí)現(xiàn)三維物體精確測(cè)量的目的。本發(fā)明提出了一種全新的“觀實(shí)景、測(cè)實(shí)物”理念，充分利用激光點(diǎn)云高密度、高精度和實(shí)景影像易識(shí)別、易操作的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)景影像進(jìn)行全局操作并基于激光點(diǎn)云進(jìn)行局部精密測(cè)量，有效地解決了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)存取速度慢、處理繁瑣、操作困難的問題，推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)的普及應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01C11/00GK102072725SQ20101059058
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者唐糧 申請(qǐng)人:唐糧