地面激光扫描点云和光学图像的球面二次成像模型及多球面组合自动配准研究

For integrating spatial information of terrestrial laser scanning point cloud and optical image, this project is aimed at two categories of data in imaging modalities, reflection characteristics, spatial reference and other aspects of the differences, using the spherical geometry system to solve the problem of automatic registration. Based on the point cloud and the imaging model and spherical imaging principle, we research on spherical imaging model and establish the spherical model parameter calibration method. In order to solve the heterogeneity problems produced by homogeneous target due to the spatial morphology and surface state of the image, we research on radiation correction method of laser reflection intensity, and achieve the spherical image gray correction and feature restoration. Then we research on feature extraction, pseudo feature elimination and feature matching method on spherical image. For multiple combination modes of point clouds and images, we research on registration model and solution in single combination pattern and complex combination pattern in depth. A set of imaging model based on spherical system and multiple spherical combined registration method can be formed, so as to achieve fast automatic registration of terrestrial laser scanning point cloud and optical image in large scale, multiple stations and much perspective.

为融合地面激光扫描点云和光学图像的空间信息，针对两类数据在成像方式、反射特征、空间基准等方面的差异性，根据点云和图像的成像模式和球面成像原理，研究球面二次成像模型,建立点云和图像的球面模型参数联合标定方法。研究点云激光反射强度信息的辐射校正方法，解决同质目标由于空间形态和表面状态所产生的图像异质问题，实现球面图像的灰度改正和特征恢复。研究球面图像上的特征提取、伪特征消除和特征匹配方法。针对点云和图像的多种组合模式，深入研究单一组合模式和复杂组合模式下的配准模型建立和解算，形成一套基于球面系统的二次成像模型及多球面组合配准方法，实现大范围、多测站、多视角地面激光扫描点云和光学图像的快速自动配准。

为融合地面激光扫描点云和光学图像的空间信息，针对两类数据在成像方式、反射特征、空间基准等方面的差异性，项目围绕激光点云球面二次成像模型、激光雷达成像标定模型、强度图像的辐射校正、强度图像和光学图像的粗匹配、基于球面核线约束的强度图像和光学图像的精匹配、图像非线性配准和全景配准等内容开展深入研究。研究了点云分辨率、光学图像分辨率与球面图像分辨率的关系，建立起了球面半径与分辨率之间的数学模型，从而保证球面图像上不产生无效像元。考虑到点云中点的分布不规则性，难以统一描述点云分辨率的问题，从成像几何关系出发，推导出球面半径与点云点数的函数关系。以三维激光扫描的观测方程为基础，推导了测距误差和测角误差公式，建立了由地面激光扫描的系统误差模型，利用空间坐标转换的方法实现系统误差和转换参数的整体解算。根据激光雷达方程，分析强度值与激光测距值及入射角的关系，建立了激光定位方程和激光雷达方程的关联模型和强度改正方法。在加伯变换图像的基础上，研究了基于RANSAC评估仿射变换模型的图像点特征匹配方法，采取了局部优化的RANSAC算法仿射变换空间检验，提高匹配的正确率。进一步研究了基于线特征的ψ-s曲线匹配法和伪三角形匹配法。按照经典平面图像核线匹配的思想，建立了球面图像核线模型。利用粗匹配的结果首先进行相对定向，然后提取密集特征点，结合球面后方交会约束，建立了由粗匹配、相对定向、核线精匹配为主要步骤的匹配算法流程。在二次多项式配准模型的基础上，重点研究了二次自由度的解算，分析了二次自由度的震动区间和规律，以及相互之间的非线性关系。分析比较了基于方向余弦的共线条件全景配准和基于四元数无初值依赖空间后方交会全景配准，并通过实验后的具体分析验证了解算结果的正确性。在理论研究的基础上，开发了球面点云图像匹配软件，实现了点云和图像的球面生成、球面点云和图像的特征提取、球面点云和图像的相对定向、球面点云和图像的核线生成和球面点云和图像的匹配功能。