[发明专利]模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法

摘要

本发明公开一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，属于测绘科学与技术领域。在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；建立同名的模型直线；建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；解算拼接参数。本发明利用模型直线进行LIDAR点云拼接，充分发挥了直线的几何约束性，能增强立体模型的几何强度，从而提高LIDAR点云拼接的精度。

主权项

一种模型直线约束下的LIDAR点云拼接方法，其特征在于：包括如下步骤步骤A：在基准测站与待拼接测站的LIDAR点云上分别提取同名直线；步骤B：将步骤A中的同名直线，建立同名的模型直线；步骤C：建立模型直线共线条件方程，使得待拼接模型直线缩放、旋转和平移到与基准模型直线重合；步骤D：解算出拼接参数；所述步骤C包括如下步骤(C‑1)：建立模型直线共线条件方程，即拼接后的模型直线与对应的基准测站的LIDAR点云直线重合：l′=q·(l·I00λI)·q-1---(1)]]>式中，l为待拼接测站的LIDAR点云上获取的模型直线中的任意一条直线；l′为基准测站的LIDAR点云上获取的模型直线中的任意一条直线；λ为缩放参数；I为4维单位矩阵；q＝[q1 q2 q3 q4 q01 q02 q03 q04]；0为4维0矩阵；q‑1为q的逆；(C‑2)：确定拼接参数初始值q1＝λ＝1，q2＝q3＝q4＝q01＝q02＝q03＝q04＝0；(C‑3)：将公式(1)方程左边的l′移到方程右边，然后展开得到F1=M(q12+q22-q32-q42)+2N(q2q3-q1q4)+2O(q1q3+q2q4)-M′=0F2=N(q12-q22+q32-q42)+2M(q2q3+q1q4)-2O(q1q2-q3q4)-N′=0F3=O(q12-q22-q32+q42)-2M(q1q3-q2q4)+2N(q1q2+q3q4)-O′=0F4=λM0(q12+q22-q32-q42)+2λN0(q2q3-q1q4)+2M(q1q01+q2q02-q3q03-q4q04)-2N(q1q04+q01q4-q2q03-q02q3)+2O(q1q03+q01q3+q2q04+q02q4)+2λO0(q1q3+q2q4)-M0′=0F5=λN0(q12-q22+q32-q42)+2λM0(q2q3+q1q4)+2N(q1q01-q2q02+q3q03-q4q04)+2M(q1q04+q01q4+q2q03+q02q3)-2O(q1q02+q01q2-q3q04-q03q4)-2λO0(q1q2-q3q4)-N0′=0---(2)]]>F6=λO0(q12-q22-q32+q42)-2λM0(q1q3-q2q4)+2O(q1q01-q2q02-q3q03+q4q04)-2M(q1q03+q01q3-q2q04-q02q4)+2N(q1q02+q01q2+q3q04+q03q4)+2λN0(q1q2+q3q4)-O0′=0]]>(M，N，O)和(M0，N0，O0)分别为l的方向向量和矩向量；(M′，N′，O′)和(M′0，N′0，O′0)分别为l′的方向向量和矩向量；(C‑4)：将公式(2)用泰勒公式在q和λ展开至一次项：F1=F10+a11dq1+a12dq2+a13dq3+a14dq4+a15dq01+a16dq02+a17dq03+a18dq04+a19dλF2=F20+a21dq1+a22dq2+a23dq3+a24dq4+a25dq01+a26q02+a27dq03+a28dq04+a29dλF3=F30+a31dq1+a32dq2+a33dq3+a34dq4+a35dq01+a36dq02+a37dq03+a38dq04+a39dλF4=F40+a41dq1+a42dq2+a43dq3+a44dq4+a45dq01+a46dq02+a47dq03+a48dq04+a49dλF5=F50+a51dq1+a52dq2+a53dq3+a54dq4+a55dq01+a56dq02+a57dq03+a58dq04+a59dλF6=F60+a61dq1+a62dq2+a63dq3+a64dq4+a65dq01+a66dq02+a67dq03+a68dq04+a69dλ---(3)]]>式中：a11=2Mq1+2Oq3-2Nq4a12=2Mq2+2Nq3+2Oq4a13=2Oq1+2Nq2-2Mq3a14=-2Nq1+2Oq2-2Mq4a15=a16=a17=a18=a19=0a21=2Nq1-2Oq2+2Mq4a22=-2Nq2-2Oq1+2Mq3a23=2Nq3+2Oq4+2Mq2a24=-2Nq4+2Oq3+2Mq1a25=a26=a27=a28=a29=0a31=2Oq1+2Nq2-2Mq3a32=-2Oq2+2Nq1+2Mq4a33=2Nq4-2Oq3-2Mq1a34=2Oq4+2Nq3+2Mq2a35=a36=a37=a38=a39=0a41=2Mq01+2λM0q1-2Nq04-2λN0q4+2Oq03+2λO0q3a42=+2Mq02+2λM0q2-2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a43=-2Mq03-2λM0q3+2Nq02+2λN0q2+2Oq01+2λO0q1a44=-2Mq04-2λM0q4-2Nq01-2λN0q1+2Oq02+2λO0q2a45=a11,a46=a12,a47=a13,a48=a14a49=M0(q12+q22-q32-q42)+2N0(q2q3-q1q4)+2O0(q1q3+q2q4)]]>a51=2Mq04+2λM0q4+2Nq01+2λN0q1-2Oq02-2λO0q2a52=2Mq03+2λM0q3-2Nq02-2λN0q2-2Oq01-2λO0q1a53=2Mq02+2λM0q2+2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a54=2Mq01+2λM0q1-2Nq04-2λN0q4+2Oq03+2λO0q3a55=a21,a56=a22,a57=a23,a58=a24a59=N0(q12-q22+q32-q42)+2M0(q2q3+q1q4)-2O0(q1q2-q3q4)a61=-2Mq03-2λM0q3+2Nq02+2λN0q2+2Oq01+2λO0q1a62=2Mq04+2λM0q4+2Nq01+2λN0q1-2Oq02-2λO0q2a63=-2Mq01-2λM0q1+2Nq04+2λN0q4-2Oq03-2λO0q3a64=2Mq02+2λM0q2+2Nq03+2λN0q3+2Oq04+2λO0q4a65=a31,a66=a32,a67=a33,a68=a34a69=O0(q12-q22-q32+q42)-2M0(q1q3-q2q4)+2N0(q1q2+q3q4)]]>F10，F20，F30，F40，F50，F60分别为q和λ的近似值代入公式(3)得到的F1～F6的近似值；dq1，dq2，dq3，dq4，dq01，dq02，dq03，dq04，dλ分别为各拼接参数的改正数。