地面三維激光掃描標靶中心識別算法研究

蘇曉蓓，郝剛

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州 221008)

地面三維激光掃描標靶中心識別算法研究

蘇曉蓓?，郝剛

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州 221008)

地面三維激光掃描儀是通過掃描標靶中心獲得點云的海量散亂點數據，其掃描標靶中心識別的精確與否直接影響了DEM和DSM建立的精度和質量。通過對已有算法的改進和濾波的處理，對大量點云數據進行了處理，得到了很好的結果，并在此基礎上提出了提高標靶中心識別精度的結論。

三維激光掃描；標靶中心；算法；濾波；點云

地面三維激光掃描技術是在地面利用激光掃描裝置自動、系統、快速、實時獲取對象表面的三維坐標的測量技術。它是一種高精度的測量手段，中、長距離的地面激光掃描儀的單點定位精度在±2 mm～±25 mm之間。起初的激光掃描與傳統的單點測量(如全站儀，GPS測量)不同，只能獲取被掃對象表面成千上萬個點的三維坐標，但卻無法對某一指定點進行測量并精確獲取其坐標。近年來，地面激光掃描使用的特定材料、特定形狀的標靶來解決了這一問題。在掃描過程中，掃描儀可以在指定的視場范圍內自動尋找標靶并以極高的點密度(如1.5 mm間隔)進行精確掃描處理軟件可以自動提取標靶中心點坐標，從而提高了點云拼接和坐標轉換的精度。因此，研究標靶中心的識別方法是非常有意義的[1]。

1 平面及球形標靶簡介

標靶是一種特制的反射物，掃描部分為白色，白色對激光的反射效果好，周圍是特制的藍色隔膜，它可完全吸收藍色激光。依據形狀標靶可以分為平面標靶和球形標靶。

球形標靶可以從任何一個方向掃描而得到中心，故非常適合具有拐角的不規則物體的內部和外部掃描，而且不存在傾角問題，其缺點是無法一次掃描得到其全部表面的點云數據。本文主要討論平面標靶中心的識別問題。標靶中心的自動識別已有文獻[2]提出了3種方法(Gordon et al.，2001；Lichti et al.2000)，但它們都是基于平面標靶中心是反射強度最大的點這一假設的，這種思想甚至用于標靶的設計當中，如徠卡掃描儀的標靶。實際情況是激光容易在目標中心附近形成多重反射效應，反射強度中心的數據容易受噪聲污染。

圖1 平面標靶的點云

圖2 多重反射效應

2 現有方法介紹

(1)簡單平均法(graverg)。若認為點云數據不受噪聲污染，成均勻分布，則可認為標靶中心為數據的幾何中心。

(2)maxrad法。直接取反射強度最大的點。

(3)maxrad4法。取反射強度最強的4個點平均。

(4)對(1)式取加權平均，權為該點的強度Ij。

(5)fuzzypos法。首先采用模糊聚類的方法將反射分為3類，高反射強度，低反射強度，和反射強度適當。對每類求點位平均和強度平均，利用兩個反射強度最大的類的點位平均求中心。圖3是采用這種方法得到的分類結果。

(6)gridrad法。首先建立平面標靶的表面規則格網模型(x，y，z)，再建立反射強度規則格網模型(x，y，i)然后利用兩個格網的數據加權平均。圖4是采用nearest最鄰近插值建立的強度數據的表面模型。

圖3 模糊分類結果

圖4 最鄰近差值結果

3 改進方法

在實際掃描過程中由于各種因素的影響，包括溫度，壓力，相對濕度，光照等的變化。激光束在傳播過程中受到霧氣等微粒的散射(瑞利散射)，水汽，CO2或O3的吸收作用，大氣折光和外界光源干涉等等。這樣原本規則的平面標靶被掃描后的點云數據并非在一個平面上。要得到標靶中心必須對數據進行預處理，它包括粗差剔除和強度數據濾波，后者主要是對偶然誤差處理。

(1)粗差點剔除:首先擬合出一個平面，然后求每個點(xi，yi，zi)到平面的距離。若超出某個閾值則認為是粗差。其具體算法是:

平面方程一般表達式為:

上面方程兩邊同時除去d，得到用法向量表示的平面形式:

平面的單位法向量為:

根據最小二乘原理實際上要求:

其中:m為觀測個數，可得:n＝N－1t

其中n＝[nxnynz]T，且:

擬合誤差:

其中m即為(6)式中的觀測個數，S為殘差平方和，即(6)式中左端的值。

求出如下值:

其中m如上所示。

(2)濾波處理

小波變換是一種有效的去除高頻數據噪聲的方法。其基本原理是用一族函數去表示或逼近一信號或函數，這一族函數稱為小波函數系，由一基本小波函數(母小波)通過平移和伸縮構成。其具體算法可以參考相關文獻[2]。

4 實驗介紹

某平面標靶(如圖5所示)掃描后點云共有點12 871個，掃描距離為50 m。圖6為標靶點云的部分數據。

圖5 實驗標靶

圖6 標靶點云的坐標數據(部分)

經實驗，當δ＝3δd時，剔除點數為80個，當δ＝2δd時，剔除點數為331個。濾波前后強度(即受噪聲污染的強度)如圖7、圖8所示。

圖7 受噪聲污染的強度數據

圖8 交換后的強度數據

幾種標靶中心計算方法 表1

圖9 粗差剔除前后的點云

圖10 幾種方法所求得的標靶中心在其點云中的位置

5 結 論

由于標靶點云不可避免存在誤差，應首先進行誤差處理再求中心。經過粗差剔除后，可以去除標靶平面邊緣的一些干擾點，和一些明顯遠離標靶平面上的粗差點。為了便于對比顯示，將原始點云用小點形表示，將求得的標靶中心用紅色星形表示，通過圖10和表1可以看出graverg法、小波濾波法和粗差剔除法的結果近似，graverg法雖然簡單但它適合于距離適當，分辨率和觀測質量較高的點云數據，所以，采用后兩種方法。

其中，在實驗過程中應注意:

(1)在掃描標靶前，若是在已知點上應嚴格對中整平，對于平面型的標靶，如果標靶平面放置時與掃描方向有一定的傾角，而不是垂直掃描，那么標靶識別軟件可能無法找到標靶的中心這時自動識別失效。另一方面，隨著掃描距離變遠，反射信號逐漸變弱，當距離大于一定值之后，標靶識別軟件也會因為信號的衰減而無法識別標靶[3]。

(2)掃描標靶的傾角和距離要適當。由以往實驗表明:在掃描傾角50°內，使用配套的標靶可以獲得良好的精度，在掃描距離170 m內使用配套的標靶可以獲得良好的精度[4]。

(3)在每個測站應對標靶進行掃描兩次，即初始一次，遷站前一次，通過比較兩次的中心差別，以檢驗是否受到外界干擾。

[1]L.Bornaz，F.Rinaudo，Terrestrial Laser Scanner Data Processing.L.Bornaz，F.Rinaudo，Politecnico di Torino－Dipartimento di GeorisorseTerritorio.www.isprs.org/congresses/ istanbul2004/comm5/papers/608.pdf.

[2]D.Lichti.Tests on a Three－dimensional Laser Scanning System[D].Snow School of Spatial Sciences Curtin University of Technology GPO Box U1987 Perth，Western Australia，2000. www.cage.curtin.edu.au/geogrp/WordDocs/scancal.pdf.

[3]Born，Max and Wolf，Emil.Principles of Optics:Electromagnetic Theory of Propagation，Interference and Diffraction of Light.5th ed.，Pergamon Press，1975

[4]朱凌.地面三維激光掃描標靶研究[J].激光，2008，9 (1):101～106

Research of the Target Center Identifying Method about Terrestrial 3D Laser Scanning

Su XiaoBei，Hao Gang
(College of Environment and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Terrestrial 3D laser scanning can get numerous dispersion data with scanning the center of the target.The Precision of the center of the target influence the precision and quality of the foundation of the DEM and DSM.In this paper，a large sum of data are processed with the improvement to current method and the filtered method，and we get good results.With the upper method，the conclusion about enhancing the identifying precision of the center of the target is proposed.

3D laser scanning；the center of target；method；filtering；Points Cloud

1672－8262(2010)03－68－03

P232

A

2010—01—11

蘇曉蓓(1984—)，女，在讀碩士，主要從事于3S方面的研究工作。

地理信息工程國家測繪局重點實驗室開放基金項目，塌陷區數字近景攝影測量的定位精度理論，編號:200818。