基于三维激光扫描仪的点云数据配准优化研究.pdf

2023 年第 7 期70计算机应用信息技术与信息化基于三维激光扫描仪的点云数据配准优化研究石晶晶1SHI Jingjing 摘要 针对传统 ICP 算法在处理点云数据时收敛速度慢，源点云和目标点云数据的初始位置相差太大时容易陷入局部最优解等问题，文章从控制点选择、特征量度选择和搜索方法三个方面对点云数据配准算法进行了优化处理。以基于三维激光扫描技术获取的学校教学楼点云数据为数据源，利用优化 ICP 算法对原始点云数据进行了配准研究，并结合传统 ICP 算法配准结果对比分析优化后的算法性能和配准精度。实验结果表明，两种 ICP 算法求取的旋转矩阵转换参数相差不大，但三个平移参数变化明显，其中 x 相差4 mm、y 相差 2 mm，z 相差 6 mm；优化的 ICP 算法迭代运算时间缩短了 15 s，迭代次数减少了 23 次，中误差减少了 3.2 mm，通过优化的 ICP 算法配准精度和算法性能都能得到了显著的提升。关键词 三维激光扫描仪；点云数据；配准算法；精度分析doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0181.甘肃工程建设监理有限公司 甘肃兰州 7300000 引言随着计算机技术、激光技术和三维实景建模技术的快速发展，三维激光扫描技术日益成熟，逐渐成为获取空间物体三维信息的重要测绘手段之一。目前，三维激光扫描技术作为一种非接触式基础数据测绘采集的方式，在土木建筑规划、智慧城市建设、地质灾害监测、室内实景建模与军事场景模拟等诸多领域都展现了独特的优越性和适用性1-3。近年来，国内外学者基于地理信息系统技术的数据管理功能、空间分析功能，结合人工智能领域的机器学习等方法对三维激光扫描技术开展了大量的研究和探索，有力地推动了三维激光扫描技术的研究，完善了相应的技术理论体系。如 Diego4等人在西班牙 Las Cogotas 大型水坝的静力和动力监测中应用三维激光扫描技术，通过点云数据建立了坝体的三维模型，进一步分析了坝体的结构稳定性和健康状况；Noh5等人在矿山生产中的掘进、超挖和欠挖等环节中使用三维激光扫描仪进行了三维建模计算，高效的评价了安全性和准确性；18 王宗文，陈晓楠，蔡新红.基于改进遗传算法的四旋翼无人机控制参数优化J.控制与决策，2018,33（6）:972-979.19 王瑞林,王兴贵,张静,等.基于实验测量的四旋翼无人机功耗分析 J.电子科技大学学报,2014,43(2):315-319.20 张晓莉,陈玲,刘玉鹏,等.基于实验测量的四旋翼无人机功耗分析 J.电子学报,2016,44(1):23-29.21 张晓玲，黄建新，赵晓晨，等.基于自适应滤波的数据驱动测量方法 J.计算机应用研究,2019,36(7):2133-2137.22 徐晓飞，赵艳，陈晓芳，等.基于改进模糊逻辑控制的数据驱动测量方法 J.计算机应用研究,2020,37(1):207-211.23 张永洪,陈绪林,李明.基于蚁群算法的多目标优化路径规划 J.计算机仿真,2017,34(6):144-147.24 王兆宁,李新芳,张磊.基于混合粒子群算法的多目标路径规划 J.计算机仿真,2017,34(8):58-62.25 王洪涛,李晓鹏,王璐,等.基于模糊控制的四旋翼无人机任务规划优化 J.中国控制与决策,2019,33(7):1347-1353.26 姜祥宇,张晓东,张翔,等.基于非线性优化的四旋翼无人机任务规划优化 J.计算机工程与应用,2020,56(4):98-104.27 张灵鹏,张爱英,陈新安.基于粒子群优化算法的四旋翼无人机结构优化 J.宇航学报,2019,40(9):1564-1571.28 黄宏伟,李芳,刘婷婷,等.基于改进粒子群优化的四旋翼无人机结构优化 J.宇航学报,2018,39(5):847-854.【作者简介】胥刚（1987），男，四川遂宁人，博士，讲师，研究方向：智能网联技术与双创研究。黄敏雄：(1976)，男，通迅作者（邮箱 ），湖北武汉人，硕士研究生，教授，研究方向：飞行器技术。（收稿日期：2023-02-01 修回日期：2023-03-25）2023 年第 7 期71计算机应用信息技术与信息化Joon6等人将三维激光扫描技术运用于加拿大某隧道的监测中，通过扫描获得的点云数据建立隧道表面三维模型以评估其有效性。黄珊7等人在地质灾害防治中利用三维激光扫描仪快速、准确地获取地质灾害点的治理过程的详细信息，构建了重点工程区域数字地形及工程模型，配合治理工程跟踪监测；张克存8等人将三维激光扫描技术应用于青藏铁路沿线风沙工程防护体系的效益评价中；成俊9等人基于三维激光扫描仪对运行的地铁隧道进行监测，通过三维点云数据对比和提取若干断面对比分析计算，验证扫描精度满足监测要求。三维激光扫描技术是通过激光扫描的测量方法快速地对目标区域进行信息识别，根据获取的三维点云数据构建物体的三维影像模型的数字化测量技术。由于其主动发射激光无需接触被测物体，针对外形复杂的空间实体、常规测绘方法难以完成的区域或测绘作业人员不能到达的区域都可以精确有效地实现三维实景建模，极大地提高了三维激光扫描仪的适用范围；并且三维激光扫描技术数字化程度高、数据兼容性好，采集的三维点云数据可以在 Revit、3dMax 等诸多三维软件中进行后期三维建模处理，为用户提供了多样化的选择空间。因此，本文以某地教学楼为研究区，基于三维激光扫描技术获取教学楼的点云数据，采用优化的迭代最近点算法（ICP 算法）开展了点云数据的配准研究，分析点云数据的配准精度，旨在丰富点云数据配准的理论体系，以期为点云数据处理和三维场景建模等工作提供科学参考。1 原理与方法三维激光扫描仪通常需要多测站、多角度的获取目标地物全部的三维点云数据，由于每个测站点的坐标系是相对独立的，因此获取的点云数据坐标系也不尽相同，通过点云配准的方法统一坐标系，将每个测站点获取的点云数据拼接成为一个完整的数据集。点云数据配准的基本原理是设目标地物表面有 1 个点 M，该点在相邻测站获取的点云数据中的坐标分别为 M1（X1，Y1，Z1）和 M2（X2，Y2，Z2），通过配准算法求解出 M1和 M2两点之间的转换参数，将两个测站点的数据合并为一个数据集，以此类推，对所有测站点的点云数据进行处理合并。计算表达式如下所示。迭代最近点配准算法（iterative closest point,ICP)）是由计算机视觉专家 Besl 和 Mckay 在 20 世纪 90 年代提出的，被称为经典无标靶配准算法，该算法单调收敛到均方距离度量的最近局部最小值，常用于自由形态曲面的表面形状配准。其基本原理是假设存在两个点集，一个为目标点集 P，一个为参考点集 Q，现将点集 P 转换到点集 Q 坐标系下，在参考点集 Q 中通过就近点搜索方法为目标点集 P 中的每一个点搜索寻找一个点与其距离最近的点集，以点对间距离平方和最小为条件建立目标函数，求取转换参数，获得刚性变换矩阵，通过迭代计算得到距离的残差平方和不变，小于固定阈值为止。经典的 ICP 算法配准具有收敛速度慢，在源点云和目标点云两片点云初始位置相差太大时存在容易陷入局部最优解等问题，因此，ICP 算法得到的结果不一定是最优解，故本文针对 ICP 算法进行优化，从而提高点云数据配准的精度。针对这个问题，本文的优化思路是从控制点选择、特征量度选择和搜索方法三个方面进行优化。（1）控制点的选择在经典 ICP 算法配准时候控制点的边界范围内选取部分目标点集和参考点集中的点云数据，缩小了搜索范围，有利于加快点云配准的速度，提高工作效率；并且对选取的控制点进一步进行重采样，使得点云的间隔保持一致。（2）特征量度的选择在特征量度的选择时采用 Rusinkiewicz 提出的计算公式进行点对权重的计算，点对的距离越近，赋予它的权值越大，点对的距离越远，赋予它的权值越小。（3）搜索方法的选择在优化的 ICP 算法中采用多维二元搜索树（K-D tree）的方法进行搜索，提高对应点的搜索速度。2 数据获取研究2.1 实验设备本次实验选用的仪器是奥地利 RIEGL VZ-1000 三维激光扫描系统，由三维激光扫描仪、外置数码相机和 GNSS接收机组、及配套软件 RISAN Pro 等部件构成，仪器如图1 所示。图 1 RIEGL VZ-1000 三维激光扫描仪RIEGL VZ-1000 三维激光扫描仪具有体积小、质量轻，可以担任作业；测程远、速度快，相比同类型的三维激光扫2023 年第 7 期72计算机应用信息技术与信息化描仪速度快 6 倍左右，可以实现超高速数据采集；仪器内置了 GNSS 卫星同步接收模块，拥有独特的全波形回波技术和实时全波形回波数字化处理和分析技术；整合了人机交互界面，可以在设备上进行单机操作，便于控制。其主要参数如表 1 所示。表 1 RIEGL VZ-1000 三维激光扫描仪技术参数项目特征扫描方式脉冲式作业距离标称 1400 m扫描精度5 mm/100 M激光安全等级一级安全激光扫描速度300 000 点/s扫描视场范围100 360（垂直*水平）角度分辨率0.000 5相机外置专业单反相机（1300 万像素）倾斜传感器双轴倾斜传感器防尘防水等级IP642.2 点云数据采集本次实验以教学楼为扫描目标，该教学楼建筑高度共 7层，由南北塔楼和中间主楼组成，整体造型比较整齐。综合考虑目标教学楼区域周围树木和毗邻建筑物等其他环境因素影响，依据地面三维激光扫描技术规程等现行的测绘规范编制外业作业指导方案，通过三维激光扫描仪获得整栋建筑物的三维点云数据，为后期模型建立提供数据基础。测站布设应尽量避开建筑、树木等遮挡物；相邻测站间的扫描范围重叠面积大于 30%；选取三维激光扫描仪架设的测站位置，确定外业扫描总共 14 个测站点，对每个测站点进行明显的标记，基于 GNSS-RTK 测量技术获取每个测站点的三维坐标，平面坐标系选择 CGCS2000，高程坐标系采用 1985 国家高程基准。在每个测站依次架设三维激光扫描仪进行数据采集，外业采集测站如图 2 所示，测站点的初始三维点云数据如图3 所示。图 2 点云数据外业采集 图 3 初始点云数据3 点云数据配准与成果分析3.1 点云数据配准三维激光扫描仪采集目标教学楼的三维点云数据完成后检查每个测站数据的完整性，通过 RiSCAN PRO 专业数据处理软件对点云数据进行预处理，将每个测站点的三维点云数据结合 GNSS-RTK 测量技术获得的三维坐标转换为 CGCS2000平面坐标系。基于优化 ICP 算法解算出相邻测站点内所有同名点的旋转矩阵和三维平移参数，将 14 个测站点的点云数据配准拼接成完整的目标教学楼点云数据集，为了建模精度控制点云数据的拼接精度优于 2mm，配准结果如图 4 所示。图 4 三维点云数据配准结果3.2 点云空洞修补为了更加精确地分析优化 ICP 算法在三维点云数据配准实验中的精度，在软件中对配准后的三维点云数据进行了封装处理。本文依据配准后的数据结果对存在的完整空洞和部分空洞进行了修补工作。完整空洞是由很多边界线形成的一个封闭空洞，在修补过程中使用填充命令进行的内部空洞修补处理，在填充之前要观察空洞的区域大致形状，分别采用基于曲率、切线和平面的填充方法对不同区域进行填充，尽可能使得填充后的图形基本与真实接近，完整空洞修补如图 5 所示。（a）修补前 （b）修补后图 5 完整空洞修复前后对比当三维点云数据局部失真面积过大时导致空洞的形状变化比较明显，不能构成一个封闭的形状，比如呈现“U”型等。在空洞修补过程中采用边界命令对其进行修补，首先将“U”型空洞区域分割成若干个规则的小区域，然后分别选用基于曲率、切线和平面的方法进行修补，最大程度保证三维模型的精度。部分空洞修补结果如图 6 所示。2023 年第 7 期73计算机应用信息技术与信息化 （a）修补前 （b）修补后图 6 部分空洞修复前后对比3.3 点云数据配准精度分析点云数据的配准精度是评价配准算法性能的最主要的指标之一。为了验证基于优化 ICP 算法进行点云数据配准精度，本文采用了传统ICP算法对14个测站点的数据进行了配准计算，随机选取 2 个测站点中的 6 对同名点云数据，分别计算了采用两种 ICP 配准算法解算得到的转换矩阵和三维平移参数，如表2 所示；依据两种不同算法针对试验点云数据处理的最终结果，进一步统计了两种 ICP 配准算法的性能参数，如表 3 所示。表 2 两种 ICP 配准算法的转换参数表参数优化 ICP 算法传统 ICP 算法a110.864 10.864 2a120.419 20.419 0a1300a21-0.548 6-0.548 8a220.531 90.531 7a2300a3100a3200a3311x11.20711.203y5.1565.154z0.3130.307表 3 两种 ICP 配准算法性能参数表距离平方和/cm迭代次数时间/s中误差/mm平均误差/mm最小误差/mm最大误差/mm经典 ICP 算法0.844513721.99.7073.7优化 ICP 算法0.725282218.79.4070.4综合分析表 2 可得，两种 ICP 算法求取的旋转矩阵转换参数相差不大，但三个平移参数变化明显，其中 x 相差 4 mm、y相差 2 mm，z 相差 6 mm。从表 3 可知，优化的 ICP 算法迭代运算时间缩短了 15 s，迭代次数减少了 23 次，中误差减少了3.2 mm，实验结果表明优化 ICP 算法性能优于传统 ICP 算法。4 结论本文以学校教学楼为研究区，基于三维激光扫描技术获取点云数据，利用优化 ICP 算法对原始点云数据进行了配准研究，并结合传统 ICP 算法配准结果对比分析优化后的算法性能和配准精度。结果表明，通过优化的 ICP 算法解算的旋转矩阵转换参数相差不大，但三个平移参数变化明显。综上所述，针对传统 ICP 算法在点云数据配准中存在的局限性，从控制点选择、特征量度选择和搜索方法三个方面进行优化处理后，该算法的性能能够得到显著的提升，能够快速有效地实现三维点云数据的高精度配准处理，为三维实景建模、应用分析等后期工作提供精确地基础测绘数据。参考文献：1 魏亮,薛牧遥,霍炬,等.基于 ICP 算法的非合作目标特征点云配准优化 J.系统仿真学报,2020,32(12):2383-2387.2 冯耀,戴中东,刘伟劲,等.通信铁塔垂直度三维激光扫描分析 J.测绘通报,2022(S2):140-142+178.3 党杰,董吉,何松标,等.机载 LiDAR 与地面三维激光扫描在贵州水城独家寨崩塌地质灾害风险调查中的应用 J.中国地质灾害与防治学报,2022,33(04):106-113.4 DIEGO GONZLEZ-AGUILERA,JAVIER GMEZ-LAHOZ,JOS SNCHEZ.A new approach for structural monitoring of large dams with a three-dimensional laser scannerJ.Sensors,2008,8(9):5866-5883.5 NOH A,YOU B,SONG S,et al.A study on assessment of advance and overbreak in underground excavation utilizing 3D scannerJ.Explosives and blasting,2015,33(4):1-6.6 JOON K P,KAP YONG J.3D laser scanner for tunnel surveying 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