多片点云数据拼接处理技术的研究

刘尚蔚，朱小超，张永光，魏 群

（1.华北水利水电大学，河南郑州450045；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003）

多片点云数据拼接处理技术的研究

刘尚蔚1，朱小超1，张永光2，魏 群1

（1.华北水利水电大学，河南郑州450045；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450003）

在利用三维激光扫描技术进行逆向建模过程中，点云数据的质量直接决定着模型的质量，而多片点云数据拼接处理的优劣又影响着点云数据的质量。通过对多片点云拼接原理的研究，提出了不贴反光片的“三点法”拼接处理方法，该方法只需找出多测站扫描的点云数据中的三个公共点可进行点云数据处理，解决了以往的“三点法”处理手段下建筑物必须贴反光片的难题。利用该方法首次对大型钢桁架桥梁的点云数据拼接处理，拼接完成了该大桥的完整点云数据模型，其精度满足逆向建模的精度要求。

三维激光扫描；多片点云数据；“三点法”拼接

0 引 言

三维激光扫描技术以其独特优势正迅速广泛地应用于逆向建模、虚拟仿真、文物保护、城市建设、变形监测、地形测量等各个领域，与传统的获取三维信息手段相比，它具有快速准确、无接触、信息量大、信息内容丰富的特点［1－3］。三维激光扫描技术主要是通过三维激光扫描仪对被测物进行非接触式的激光扫描，得到被测物表面海量点云数据。因此被测物的海量点云数据的处理显得尤为重要。但在扫描被测物时，由于被测物周边环境以及扫描仪本身的技术限制等问题，导致扫描仪难以通过一次设站扫描就取得被测物的全部点云数据信息［4］，所以对于复杂被测物来说必须环绕被测物一周进行设站扫描，获得各测站扫描的点云数据，然后通过对各站分块点云数据拼接处理才能获得被测物的完整表面点云［5］。

1 点云拼接

1.1 拼接原理

一般而言，三维激光扫描系统需要用到的坐标系统主要有［6－8］（如图1）。

图1 GLCS，PRCS和SOCS三种坐标系

（1）扫描仪自身坐标系（Scanner’s Own Coordinate System，SOCS）：以扫描仪的几何中心为原点，由扫描仪的旋转轴和参考方向定义X、Y、Z坐标轴方向；

（2）项目坐标系（Project Coordinate System，PRCS）：为某一工程项目应用定义的坐标系；

（3）全球坐标系（Global Coordinate System，GLCS）：可以看作是大地坐标系统的一种；

（4）相机坐标系（Camera Coordinate System，CMCS）：固定在扫描仪上的数码相机定义的坐标系统。

点云拼接可以分为两种，一种是同一测站下的点云拼接，一种是不同测站下的点云拼接。通常我们所说的点云拼接就是将多个测站扫描的点云数据拼接到同一坐标系下，以显示被测物的完整点云信息。一般提供四种类型的坐标转换（包括平移、旋转、缩放和镜面对称）就可以完成点云拼接。下面主要讨论不同测站下的点云拼接。

对于不同测站所得到的点云数据的拼接就是将SOCS坐标系转换到同一个坐标系中如PRCS坐标系或GLCS坐标系。为了实现对扫描对象多站扫描点云的拼接，首先需要将各站在扫描坐标系下的点云坐标转换到项目坐标系下（PRCS）。这种变换关系可以用一个3×3的旋转矩阵 R和一个三维平移向量T来描述［9］，坐标变换的任务就是求出（R，T）。设有两个相邻扫描站的扫描点云集合P和Q，P已变换到项目坐标系（O－XYZ），Q仍为扫描坐标系（o－xyz），则对Q进行坐标系变换的方法是将坐标系（o－xyz）通过分别绕自身的3个坐标轴旋转后，再将旋转坐标系的原点平移到坐标系（O－XYZ）的原点上，这时可将坐标变换模型［9－10］描述为：

式中

T＝［x0＋y0＋z0］T分别为三维坐标轴上的平移量。

在式（2）中，包含3个平移参数x0、y0、z0，3个旋转参数α、β、γ和1个尺度参数λ。因此，要想实现点云的拼接，关键在于求解出7个转换参数［11］（x0，y0，z0，α，β，γ，λ）。而要解算出这7个参数，必须有不少于三对的同名点。根据不在同一条直线上的三个点确定一个平面的原理，可以唯一确定模型的空间位置。即一个平面上的三个点与另一个平面上的三个点重合则说明两个平面在同一个平面上［12］。

1.2 “三点法”拼接

目前多测站点云的拼接方法主要包括粗拼接、公共反射拼接、极坐标拼接等，其各有优劣。下面着重介绍一种快速、高效［13］的拼接方法—“三点法”。“三点法”拼接多片点云数据，前提是扫描的点云数据必须有公共重叠区域，可以在公共区域建立相应的映射关系，然后再通过刚体变换的平移和旋转等来完成被测物的点云拼接。

由于传统的“三点法”需要在建筑物的表面贴反光片，然后利用反光片作为标志点进行点云拼接。而本文提出的“三点法”是基于空间非共线三点确定一个平面的原理［14］，在建筑物相邻扫描区域的重合区的点云数据中人为引入三个标志点，然后通过坐标变换实现多片点云数据的拼接。该方法避免了某些无法贴反光片的建筑物的点云拼接。

“三点法”的坐标变换方法为：设两个测站分别是S1和S2其对应的扫描点云片是P和Q，其中 P和Q的公共重叠区域为Ω，在Ω（x，y，z）区域中选取三个标志点A，B，C，这三个标志点在 P和Q中的空间坐标分别是A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3）和 A′（x′1，y′1，z′1），B′（x′2，y′2，z′2），C′（x′3，y′3，z′3），然后将 P和Q的局部坐标依据1.1中的坐标变换统一到项目坐标系下，即分别求出 A到A′、B到B′、C到C′的变换矩阵从而实现点云数据的拼接（如图2）。

图2 “三点法”拼接转换示意图

“三点法”点云拼接中的关键是三个标志点的选取。对于具有规则表面的建筑物，多结合其自身特征选择其特征区域，如顶点处、轮廓线处或者可体现其明显特征区域。也可以根据拼接的精度要求设定一个允许误差范围，选择一个区域作为基准区域进行拼接。

2 工程应用

三维激光扫描技术虽然能够广泛应用于各个领域，但由于桥梁工程尤其是大跨度桥梁工程的复杂性，导致三维激光扫描技术在该领域中的应用并不多。本文以北盘江特大钢桁架桥的三维激光扫描数据为基础研究多片点云拼接技术在大型桥梁工程中的应用。

本次扫描采用Optech ILRIS－3D激光扫描仪对某特大钢桁架桥梁工程点云数据采集工作。共设6个测站进行9次扫描。其测点布置情况示意图（图3）。

图3 测站布置情况示意图

各测站扫描大桥的点云数据分别见各测站点云图（图4）。

图4 各测站点云图

根据文中上述的“三点法”点云拼接方法现对上面6个测站的点云数据进行拼接，从而得到该大桥的完整点云信息模型。由于在每个测站都对桥梁主塔进行了精细扫描，所以拼接时标志点的选取尽量在主塔扫描面上。现已测站S1和测站S2拼接出其中一个主塔的点云模型。首先选取测站S1点云图，再根据标志点的选取原则，分别选取主塔轮廓线顶点处和转折点处 A、B、C三点（图5）。然后再次选取测站S2点云图，找出与测站S1点云图中三个标志点相对应的标志点A′、B′、C′三点（图6）。通过“三点法”的坐标转换完成该主塔点云数据的拼接（图7）。

图5 测站S1的主塔标志点

图6 测站S2的主塔标志点

图7 “三点法”拼接后的主塔

重复上述步骤，将6个测站9次扫描的图像根据“三点法”拼接方法进行拼接处理，最后得到的完整点云图像如图8所示。

图8 某大桥完整点云信息模型

3 结 语

本文对点云数据的拼接原理和三点法拼接方法的理论进行了描述，用三维激光扫描仪对某大桥进行多站扫描，利用“三点法”拼接出该大桥的完整点云模型，该点云数据精度高，为后期精确建模以及建筑工程全生命周期管理［15］提供了技术手段。

［1］ 刘尚蔚，魏鲁双.数字地质多源数据库及三维建模方法研究［J］.人民黄河，2012，34（2）：123-125.

［2］ 华北水利水电大学钢结构与工程研究院.海量点云数据采集、处理可视化仿真成套技术研究［R］.郑州：华北水利水电大学，2010.

［3］ 魏 群，谢晓尧，张国新，等.结构工程虚拟现实可视化仿真方法及其应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］ 张永光，刘豪杰，尹小磊，等.点云数据多站拼接在水利工程测绘中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2013，34（3）：74-77.

［5］ 周华伟.地面三维激光扫描点云数据处理与模型构建［D］.昆明：昆明理工大学，2011.

［6］ 朱 凌.地面三维激光扫描标靶研究［J］.激光杂志，2008，29（1）：33-35.

［7］ 官云兰.地面激光扫描数据处理中若干问题研究［D］.上海：同济大学，2008.

［8］ 袁 夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术［D］.南京，南京理工大学，2006.

［9］ 盛业华，张 卡，张 凯，等.地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接［J］.中国矿业大学学报，2010，39（2）：233-237.

［10］ 蔡润彬.地面激光扫描数据后处理若干关键技术研究［D］.上海：同济大学，2008.

［11］ 张 凯.三维激光扫描数据的空间配准研究［D］.南京：南京师范大学，2008.

［12］ WeiQun，Zhao Helai.Research on the generating technology of the discrete element method of 3D Tyre Modeling［C］／／The 2010 International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering（Cise 2010），2010.

［13］ 王 强，成 虹，王 静.基于图形的点云数据拼接方式研究与应用［J］.机械设计与制造，2012，（2）：96-98.

［14］ 张舜德，卢秉恒，丁玉成.光学三维形面分区域测量数据的拼接研究［J］.中国激光，2001，28（6）：533-536.

［15］ 魏 群，魏鲁双，孙 凯.BIM技术在平板钢闸门三维设计软件研发中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2013，34（3）：5-8.

Research on Processing Technique of Multiple Point Cloud Data Registration

LIU Shang-wei1，ZHU Xiao-chao1，ZHANG Yong-guang2，WEIQun1
（1.North China University ofWater Conservancy and Hydropower，Zhengzhou，He’nan 450045，China；2.Yellow River Survey-plan and Design Co.，Ltd.，Zhengzhou，He’nan 450003，China）

In the process of reversemodeling by using 3D laser scanning technology，the quality of themodels is directly determined by that of point cloud data.However，the quality of point cloud data is affected by the splicing quality of multiple point cloud data.Through the study of the theory ofmultiple point cloud registration，the“three-point”splicing method without patches is proposed here.Thismethod only needs to find out the three common points of point cloud data scanning bymulti-stations to go on the point cloud data processing，which could solve the previous processing problem thatwith theway of“three pointmethod”，the buildingsmust be stuck with reflectors.For the first time，through using themethod to process the point cloud data registration of a large steel truss bridge，a full point cloud datamodel of the bridge is completed with splicing，and its precision could satisfy the accuracy requirement of reversemodeling.

3D laser scanning；multiple point cloud data registration；“three-pointmethod”splicing

P23

A

1672—1144（2014）01—0121—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.025

2013-11-08

2013-12-30

国家科技重大专项项目（2011ZX05056）；河南省省院科技项目（112106000035）；河南省科技攻关项目（122102310396）；郑州市科技攻关项目（006635，006636）水利部公益项目（201301056）；郑州市现代数值分析与可视化仿真院士工作站基金（122PYSGZ825）

刘尚蔚（1967—），女，河南南阳人，教授，博士，主要从事水利工程仿真方面的研究工作。