UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法技术

本发明专利技术公开了一种UAV点云与TLS点云融合的复杂表面物体彩色模型重建方法，本发明专利技术所述方法具体为：使用三维激光扫描仪采集地面TLS数据，使用无人机倾斜摄影测量采集被测地物的整体数据。使用像控点和标靶球校正和配准点云数据。使用RANSAC拟合最佳平面，将TLS点云投影至拟合平面，形成平面点云，根据凸包算法提取二维点云的凸多边形边界，并根据该边界切割无人机点云，以实现对点云数据冗余点的剔除。使用邻域搜索策略保留TLS点云空缺位置的UAV点云数据，实现对三维激光无法采集区域的修补。使用以距离为权重参考依据的加权平均值算法，将UAV点云颜色信息赋予TLS点云，最终实现复杂表明物体彩色模型的建立。表明物体彩色模型的建立。表明物体彩色模型的建立。

【技术实现步骤摘要】
UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法


[0001]本专利技术属于电子信息科学
，具体涉及一种UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法。

技术介绍

[0002]地面式三维激光扫描仪通过发射激光束测量与被测物体之间的距离，能够精确的测量目标物体的相对关系。将三维激光扫描技术与传统测量方法有机结合，可以更加高效、精确的进行坐标点位测量工作。但是地面式的三维激光扫描仪采用三脚架逐站式的扫描作业，所以搬站工作过于繁琐，且很多位置无法架设仪器，导致点云数据缺失，而且TLS点云数据不携带RGB值，导致三维模型失去了原始色彩信息。无人机倾斜摄影测量技术可以快速的采集大范围、多角度的地物影像数据，真实反映地物的实际情况。
[0003]目前很多研究人员开展了关于多源数据融合建模的研究，但是往往采用数据覆盖等方式造成了数据处理工作缓慢，对实验硬件配置要求高等弊端。对于采集复杂场景时造成的点云空洞，暂时还无法实现多源数据自动融合修补，且根据TLS点云建立的模型色调单一，丢失地物原始色彩信息。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法。解决了地面式三维激光扫描仪无法采集到山顶、建筑物顶部、狭小角落等位置的点云数据，并且采集到的TLS点云没有颜色信息，能够重建附加物体表明RGB值的模型。
[0005]为了达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法，包括以下步骤：
[0007]S1：选择三维激光扫描站点，布设标靶球，保证每相邻两站数据之间同时扫描到3个以上的标靶球；使用全站仪精确测量标靶球在CGCS2000坐标系下的三维坐标(X,Y,Z)；
[0008]S2：布设无人机像控点，使用RTK测量像控点在CGCS2000坐标系下的三维坐标(X,Y,Z)；
[0009]S3：安置地面式三维激光扫描仪，逐站扫描，保证前后两站扫描范围的重叠度不低于30％，使其完成物体立面点云数据的采集；
[0010]S4：操控无人机对物体表面进行倾斜摄影测量，航向覆盖超出摄区边界线至少3条基线；分区边界覆盖应满足分区模型生产的要求；像片航向重叠度一般设计为70％～80％，旁向重叠度一般设计为50％～80％；航摄中出现的相对漏洞和绝对漏洞均应及时补摄，应采用前一次航摄飞行的数码相机补摄，补摄航线的两端应超出漏洞之外的两条基线；按照设计航高飞行，实际航高与设计航高之差不应大于50米；同一航线上相邻像片的航高差不得大于30米，最大航高与最小航高之差不应大于50米；完成整体数据采集；
[0011]S5：利用专业软件Maptek I
‑
Site Studio 6对三维激光扫描仪采集的TLS点云进行配准；以第一站扫描的独立坐标系下的三维点云数据为基准，将第二站数据配准到第一
站上，第三站数据配准到第一、第二站配准好的整体数据上，以此类推，直至全部数据配准成为一个整体；在整体点云数据上找到布设的标靶球中心，根据点云拟合出标靶球的中心坐标(X
′
,Y
′
,Z
′
)；
[0012]S6：在平面精度、高程精度满足相应规范要求的前提下，将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到CGCS2000坐标系下；
[0013]S7：使用ContextCapture Center软件对无人机数据进行内业处理，利用前期布设的像控点坐标将无人机数据转换到CGCS2000坐标系下，并导出.las格式的点云数据文件；
[0014]S8：使用RANSAC拟合最佳平面，将TLS点云投影至拟合平面，形成平面点云，根据凸包算法提取二维点云的凸多边形边界，并根据该边界切割无人机点云，以实现对点云数据冗余点的剔除，加快数据处理工作效率；
[0015]S9：对每个UAV点云中的点搜索其邻域r范围内的TLS点云，若数量小于1，则保留该UAV点，否则剔除；实现了利用UAV点云修补TLS点云中的空洞；
[0016]S10：对每个TLS点搜索其邻域R范围内的UAV点云，并根据邻域内所有UAV点到该TLS点的距离L做颜色信息(0～255，0～255，0～255)的加权平均值；实现对TLS点云的色彩赋予；
[0017]S11：利用专业软件Maptek I
‑
Site Studio 6复杂表面建模功能进行三维建模；
[0018]优选的，所述S3中摄影进点与摄区边界距离应大于H
×
(2tgθ前视+tgθ后视)，摄影出点与摄区边界距离应大于H
×
(2tgθ后视+tgθ前视；
[0019]优选的，所述S6、S7中将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下，具体过程如下：利用两套坐标系下标靶点的三维坐标(X,Y,Z)与(X
′
,Y
′
,Z
′
)，也就是同时具有CGCS2000坐标系坐标和独立坐标系坐标的点位，需要3个以上重合点，通过布尔莎模型或其他模型进行计算，得到从一个系统转换到另一个系统中的平移参数、旋转参数和比例因子；
[0020]优选的，所述S8基于C++编程语言，利用PCL平面点云的凸多边形边界提取算法实现，根据凸包算法提取二维点云的凸多边形边界，做为点云数据在地面投影的范围。
[0021]优选的，所述S10通过以下方式实现：
[0022]TLS点云内任意一点P(X,Y,Z)，其邻域R内有3个UAV点A,B,C如下表所示：
[0023]点坐标RGB值到P点的距离A(X1,Y1,Z1)(A1,A2,A3)L1B(X2,Y2,Z2)(B1,B2,B3)L2C(X3,Y3,Z3)(C1,C2,C3)L3[0024]其中距离L1的计算公式为：
[0025][0026]同理可得L2,L3的值；
[0027]则根据各点到P点距离的加权平均值计算出P点应被赋予的RGB值为：
[0028]P点的
[0029]本专利技术的有益效果是：
[0030]1)本专利技术解决了地面式三维激光扫描仪在采集山顶、建筑物顶部、狭小空间等区域的点云数据时，造成的点云数据缺失、空洞等问题。有效避免了大范围的UAV点替代TLS点所带来的畸变效应。该修补方法所得到的点云数据在与实际点云数据做对比后，数据精度能够满足工程设计施工要求。
[0031]2)本专利技术通过凸多边形边界提取算法，高效的解决了UAV点云密度大，大量冗余点造成数据处理缓慢、对实验硬件设备配置要求高的问题。
[0032]3)本专利技术通过邻域搜索策略，设计了以距离为权重参考依据的加权平均值算法，在避免使用容易发生畸变的UAV点云数据的同时，赋予了TLS点云RGB值，保证了后期彩色模型的建立。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的流程图；
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.UAV与TLS点云融合的复杂表面彩色模型重建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：选择三维激光扫描站点，布设标靶球，保证每相邻两站数据之间同时扫描到3个以上的标靶球；使用全站仪精确测量标靶球在CGCS2000坐标系下的三维坐标X,Y,Z；S2：布设无人机像控点，使用RTK测量像控点在CGCS2000坐标系下的三维坐标X,Y,Z；S3：安置地面式三维激光扫描仪，逐站扫描，保证前后两站扫描范围的重叠度不低于30％，使其完成物体立面点云数据的采集；S4：操控无人机对物体表面进行倾斜摄影测量，航向覆盖超出摄区边界线至少3条基线；分区边界覆盖应满足分区模型生产的要求；像片航向重叠度一般设计为70％～80％，旁向重叠度一般设计为50％～80％；航摄中出现的相对漏洞和绝对漏洞均应及时补摄，应采用前一次航摄飞行的数码相机补摄，补摄航线的两端应超出漏洞之外的两条基线；按照设计航高飞行，实际航高与设计航高之差不应大于50米；同一航线上相邻像片的航高差不得大于30米，最大航高与最小航高之差不应大于50米；完成整体数据采集；S5：利用专业软件Maptek I
‑
Site Studio 6对三维激光扫描仪采集的TLS点云进行配准；以第一站扫描的独立坐标系下的三维点云数据为基准，将第二站数据配准到第一站上，第三站数据配准到第一、第二站配准好的整体数据上，以此类推，直至全部数据配准成为一个整体；在整体点云数据上找到布设的标靶球中心，根据点云拟合出标靶球的中心坐X
′
,Y
′
,Z
′
；S6：在平面精度、高程精度满足相应规范要求的前提下，将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到CGCS2000坐标系下；S7：使用ContextCapture Center软件对无人机数据进行内业处理，利用前期布设的像控点坐标将无人机数据转换到CGCS2000坐标系下，并导出.las格式的点云数据文件；S8：使用RANSAC拟合最佳平面，将TLS点云投影至拟合平面，形成平面点云，根据凸包算法提取二维点云的凸多边...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏永华，李晨，吴学群，杨明龙，侯云花，李雪，张坤祥，沈长表，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：