一种基于多源数据融合的三维重建方法技术

本发明专利技术提出了一种基于多源数据融合的三维重建方法。所述方法包括如下步骤：首先，倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据；其次，统一了两种数据的空间坐标系进行数据粗配准；此外，设计一种改进式ICP算法，在传统ICP算法的基础上利用体素网格方法对点云进行重新采样，以此加快算法的收敛速度，提高了配准精度。实验结果表明，多源数据融合的方法保证了三维模型的完整性，弥补了单一技术建模的局限性，具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源数据融合的三维重建方法
本专利技术涉及三维可视化领域，具体地说是采用一种多源数据融合的方法，弥补了单一数据源建模出现的地物扭曲和空洞问题，提高了建模的精度和完整性。
技术介绍
近年来，三维重建技术在城市规划，土地资源调查，文化遗产保护与修复等方面得到了广泛的应用。此外将三维重建技术应用于电网设备也受到的广泛的关注。例如对对输电杆塔的三维重建，有利于电网的安全运行，同时也提高了输电线路运维检修的效率。如何高精度，高效率地获取三维数据，逐渐成为目前实景三维建模的研究热点。获取三维重建数据源的方式主要3种，即人工建模，无人机倾斜摄影技术和激光雷达建模。人工建模技术制作周期长、测量工作量大，适合于尺寸和范围较小的物体进行三维建模，否则大范围的输电杆塔建模既不经济，建模效果也不好。基于倾斜摄影技术的三维重建以其效率高、成本低等优点，广泛应用于三维建模的多个邻域中。但是，倾斜摄影技术也有一定的局限性，比如受外部因素影响大，对细节部分的建模效果不好。激光雷达具有高精度、低空探测性能好、易于传输和处理信息的优点，目前已有许多研究人员使用激光雷达技术进行三维重建。实践表明传统的基于单一数据源的三维建模具有很大的局限性，例如使用无人机倾斜摄影技术进行三维重建时，由于飞机作业模式的限制，输电杆塔内部和下部的模型信息不能进行完整获取，而采用激光雷达技术恰好可以弥补这一缺陷。因此，设计多数据融合建模的方案对于提高模型精确性显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有问题，本专利技术提出一种基于多源数据融合的三维重建方法，以解决单一数据源建模出现的地物扭曲和空洞问题，提高了建模的精度和完整性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：首先，利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据；其次，统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准；使用一种改进式ICP算法进行点云精配准；最后将配准后的点云数据输入三维建模软件中，对目标输电杆塔进行三维重建。进一步的，所述利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据包括：采用大疆悟四旋翼无人机对目标输电杆塔进行拍摄获取倾斜影像数据，先进行实地勘探收集资料，再进行航线设计，对于质量不好的数据，再进行补飞操作。进一步的，所述利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据包括：使用FAROFocus3DX330三维激光扫描仪获取目标输电杆塔内部点云信息，弥补单一数据源建模的局限性。根据事先对目标输电杆塔周围环境的勘探，选取7个扫描站点。每个扫描点扫描距离应该保证在20～30m之输电杆塔间。由于激光点云密度会影响模型细节部分的刻画，因此，对于输电杆塔结构复杂部分要采用高分辨率进行扫描。进一步的，所述统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准包括：数据融合的前提要满足激光点云数据和倾斜摄影测量数据空间坐标系的一致性。由式(1)、(2)可以求解出两个数据坐标变换所需的旋转参数和平移参数。其中(x,y,z)是原始点云数据坐标，(X,Y,Z)是坐标变换后点云数据坐标。α、β、γ为旋转参数，Δx、Δy、Δz为平移参数。通过手动选取同名特征点的三维空间坐标值可以计算旋转矩阵和平移矩阵，即可得到α、β、γ和Δx、Δy、Δz等6个参数。进一步的，所述一种改进式ICP算法进行点云精配准包括：假设源点云为P，目标点云为Q，首先对源云集合P中的每个点，以点云集合Q上欧氏距离的最近点为对应关系，搜索所有成对点，然后根据对应关系，得到了式(3)所示目标函数的最小刚性变换，该变换包含旋转矩阵R和移动向量T，并将该变换应用于源点云P，迭代执行上述过程，直到满足设定的收敛准则。进一步的，所述一种改进式ICP算法进行点云精配准包括：为了提高ICP算法的配准速度和精度，对传统的ICP算法进行了改进。使用体素网格方法对点云进行重新采样。主要思想是基于点云数据创建最小三维体素网格，然后计算出需要分割的小立方网格的长度L，并根据L的大小将3D体素网格分解为m×n×l小网格。分割网格后，将点云数据放入对应的小网格，删除没有数据点的小网格。然后，在每个体素中，所有存在的点都将以其质心进行近似。该方法快速且易于实现，并且不需要建立复杂的拓扑。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：该方法融合无人机倾斜摄影的高效性和激光雷达技术的精确性，较好地解决了单一数据源建模出现的地物扭曲和空洞问题，提高了建模的精度和完整性。附图说明图1多源数据融合建模技术流程图；图2无人机倾斜摄影航测流程；图3基于无人机倾斜摄影技术的三维重建模型；图4基于多数据融合技术的三维重建模型；图5基于多数据融合技术的三维模型细节图；具体实施方式为了进一步描述本专利技术的技术特点和效果，以下结合附图对本专利技术做进一步描述。如图1所示，基于多源数据融合的三维建模技术的主要原理是将无人机倾斜摄影获得的影像点云与激光雷达点云融合，构建TIN三角网，再进行纹理映射，最后形成高精度的三维模型。具体的实现步骤S1.图2所示为使用大疆悟四旋翼无人机进行倾斜摄影的航测流程，选定目标输电杆塔后应首先选定视野开阔且无遮挡的地方进行起飞和降落，同时影像拍摄时的光照条件要好。若测量区域过大时，应进行区域划分，保证影像重叠度要符合三维建模的要求。航线的高度要比目标杆塔最高点高出约50m，以保证飞行安全。S2.激光数据采集使用FAROFocus3DX330扫描仪，根据事先对目标杆塔周围环境的勘探。S3.统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准，由式(1)、(2)可以求解出两个数据坐标变换所需的旋转参数和平移参数。其中(x,y,z)是原始点云数据坐标，(X,Y,Z)是坐标变换后点云数据坐标。α、β、γ为旋转参数，Δx、Δy、Δz为平移参数。通过手动选取同名特征点的三维空间坐标值可以计算旋转矩阵和平移矩阵，即可得到α、β、γ和Δx、Δy、Δz等6个参数。S4.点云精配准，在传统ICP算法的基础上进行改进，传统ICP算法步骤如下：(1)设置k＝0，并给出一个阈值ξ；(2)根据欧式距离，找到源点云P中每个点pi对应的目标点云最近点qi；(3)根据P和Q的对应点集，用四元法或SVD算法得到刚性变换矩阵R和T；(4)根据变换矩阵找到源点云对应的新的点集；(5)如果两次迭代的迭代误差满足fk-fk+1＜ξ，则迭代终止。否则k＝k+1，返回到第2步。S5.为了提高ICP算法的配准速度和精度，对传统的ICP算法进行了改进。使用体素网格方法对点云进行重新采样。主要思想是基于点云数据创建最小三维体素网格，然后计算出需要分割的小立方网格的长度L，并根据L的大小将3D体素网格分解为m×n×l小网格。分割网格后，将点云数据放入对应的小网格，删除没有数据点的小网格。然后，在每个体素中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：/n首先，利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据；/n其次，统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准；/n使用一种改进式ICP算法进行点云精配准；/n最后将配准后的点云数据输入三维建模软件中，对目标输电杆塔进行三维重建。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
首先，利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据；
其次，统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准；
使用一种改进式ICP算法进行点云精配准；
最后将配准后的点云数据输入三维建模软件中，对目标输电杆塔进行三维重建。


2.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据包括：
采用大疆悟四旋翼无人机对目标输电杆塔进行拍摄获取倾斜影像数据，先进行实地勘探收集资料，再进行航线设计，利用无人机采集完影像后再进行整理，对于质量不好的数据，再进行补飞操作。


3.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：利用倾斜摄影技术和激光雷达技术获取影像和激光点云数据包括：
为提高三维实景模型的完整性，采用三维激光扫描技术获取目标输电杆塔内部点云信息，弥补单一数据源建模的局限性。使用FAROFocus3DX330扫描仪，由于激光点云密度会影响模型细节部分的刻画，因此，对于输电杆塔结构复杂部分要采用高分辨率进行扫描。


4.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：统一两种数据的空间坐标系进行数据粗配准包括：
数据融合的前提要满足激光点云数据和倾斜摄影测量数据空间坐标系的一致性。由式(1)、(2)可以求解出两个数据坐标变换所需的旋转参数和平移参数。






其中(x,y,z)是原始点云数据坐标，(X,Y,Z)是坐标变换后点云数据坐标。α、β、γ为旋转参数，Δx、Δy、Δz为平移参数。通过手动选取同名特征点的三维空间坐标值可以计算旋转矩阵和平移矩阵，即可得到α、β、γ和Δx、Δy、Δz等6个参数。


5.根据权利要求1所述的一种基于多源数据融合的三维重建方法，其特征在于：使用一种改进式ICP算法进行点云精配准包括：
传统的方法是迭代最近点法(IterativeClosestPoint，ICP)。假设源点云为P，目标点云为Q，首先对源云集合P中的每个点，以点云集合Q上欧氏距离的最近点为对应关系，搜索所有成对点，然后根据对应关系，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚坚刚，丁祥，刘燕平，丁小蔚，章李刚，周文俊，杨继平，麻潇波，
申请(专利权)人：浙江华云电力工程设计咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33