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基于人工标志的激光扫描数据自动拼接技术研究

作 者: 王力
导 师: 李广云
学 校: 解放军信息工程大学
专 业: 大地测量学与测量工程
关键词: 激光扫描技术 多站拼接 回光强度 阈值分割 扫描线聚类 形状检测 标志匹配 稳健公共点坐标转换
分类号: P225.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 128次
引 用: 5次
阅 读: 论文下载
 

内容摘要


拼接是地面三维激光扫描仪数据采集和处理中的关键环节。它决定数据获取时所采取的操作流程,而且影响数据预处理和建模的精度。现有的拼接方法是手动的或是半自动的,拼接效率低下。论文从理论上和实践上进行了深入细致地研究与探讨,提出了一些创造性的理论和方法,并完成了相应的实验论证和实际应用工作。论文的主要工作为:1、介绍激光扫描技术。根据不同的依据对激光扫描仪进行分类,得到六种不同的分类方法;重点介绍了激光扫描仪的工作原理,包括所采用的测距技术、测角技术、扫描技术以及观测值的获取原理;介绍了激光扫描数据处理技术,包括海量数据读取及管理技术、多站拼接技术、滤波与光顺技术、点云简化技术、纹理映射技术以及三维建模技术。2、总结多站点云拼接的发展。根据各种方法的特点将其分为三类,分别阐述了各种方法的基本原理,并总结了各类方法的特点。针对地面三维激光扫描仪的特点,将使用人工标志的辅助法确定为研究的重点。3、研究了回光强度的定义,并采用阈值分割技术实现标志数据的提取;构建一种基于扫描线的聚类方法完成单个标志点云的分割;根据标志的平面性、形状及尺寸等特征进行检测,剔除非标志对象;研究了高精度的标志中心计算方法。和经纬仪交会测量系统的结果进行比较,标志识别算法的精度为1.4mm,优于扫描仪软件的识别精度。4、构建自动的稳健拼接模型。提出基于欧氏变换不变量的自动匹配算法,建立不同测站中同名标志的对应关系;总结了旋转矩阵的不同表示方法,并根据不同的表示方法推导相应的坐标转换模型;通过分析得出用四元数表示旋转矩阵不存在奇异点,且坐标转换时无需线性化和迭代,简便精确;将RANSAC算法的思想引入到坐标转换中,结合四元数提出稳健公共点法。通过处理实测数据得到的转换精度为1.2mm,满足拼接的精度要求。5、编制多站扫描数据的自动拼接软件。设计了拼接软件的功能模块和数据流程,介绍了软件编制与实现中的数据读取、结构设计以及可视化技术;最后,给出了软件处理实测数据的结果及实现拼接后的效果。

全文目录


摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 引言  10-11
  1.2 地面三维激光扫描仪发展现状  11-15
    1.2.1 Riegl 激光扫描仪  11-12
    1.2.2 Leica 激光扫描仪  12-13
    1.2.3 Trimble 激光扫描仪  13
    1.2.4 Optech 激光扫描仪  13-14
    1.2.5 Topcon 激光扫描仪  14
    1.2.6 Faro 激光扫描仪  14
    1.2.7 Metris 三维激光扫描仪  14-15
  1.3 研究背景、目的及意义  15-17
    1.3.1 研究背景  15-16
    1.3.2 目的及意义  16-17
  1.4 论文的内容与安排  17-18
第二章 激光扫描原理  18-28
  2.1 激光扫描系统的分类  18-19
    2.1.1 按维数分类  18
    2.1.2 按平台分类  18
    2.1.3 按测距原理分类  18-19
    2.1.4 按应用范围分类  19
    2.1.5 按测程分类  19
    2.1.6 按光源分类  19
  2.2 激光扫描仪的工作原理  19-25
    2.2.1 测距原理  19-22
    2.2.2 测角原理  22
    2.2.3 扫描原理  22-23
    2.2.4 测量值获取原理  23-25
  2.3 扫描数据的处理技术  25-27
    2.3.1 海量数据读取  25
    2.3.2 数据结构  25-26
    2.3.3 多站拼接  26
    2.3.4 滤波与光顺  26
    2.3.5 点云简化  26
    2.3.6 纹理映射  26-27
    2.3.7 三维建模  27
  2.4 小结  27-28
第三章 点云拼接方法  28-34
  3.1 拼接的定义  28-29
  3.2 多站拼接分类  29-33
    3.2.1 直接法  29-30
    3.2.2 特征法  30-31
    3.2.3 辅助法  31-33
  3.3 TLS 对多站拼接的要求  33
  3.4 小结  33-34
第四章 人工标志的识别与中心计算  34-51
  4.1 人工标志的设计  34-35
  4.2 回光强度的定义与改正  35-37
    4.2.1 回光强度的定义  35-36
    4.2.2 回光强度的改正  36-37
  4.3 标志点云的自动提取  37-40
    4.3.1 阈值分割  37
    4.3.2 SACA 聚类算法  37-40
  4.4 形状检测  40-45
    4.4.1 平面检测  41-43
    4.4.2 圆度检测  43
    4.4.3 面积检测  43-45
  4.5 中心计算  45-50
    4.5.1 回光强度加权平均法  45
    4.5.2 边缘最小二乘圆拟合法  45-46
    4.5.3 实验及分析  46-50
  4.6 小结  50-51
第五章 基于人工标志的自动拼接模型  51-66
  5.1 标志自动匹配  52-56
    5.1.1 变换及其性质  52-53
    5.1.2 夹角法  53-54
    5.1.3 距离法  54-55
    5.1.4 实验及分析  55-56
  5.2 旋转矩阵的表示  56-58
  5.3 坐标转换模型  58-61
    5.3.1 Bursa-Wlof 模型  58
    5.3.2 罗德里格矩阵模型  58-59
    5.3.3 SVD 分解模型  59-60
    5.3.4 单位四元数模型  60
    5.3.5 四种方法的比较  60-61
  5.4 稳健公共点法  61-63
    5.4.1 RANSAC 算法原理  61
    5.4.2 RANSAC 算法中参数的确定  61-62
    5.4.3 稳健公共点法的步骤  62-63
  5.5 实验及分析  63-65
  5.6 小结  65-66
第六章 扫描仪拼接软件设计与开发  66-70
  6.1 软件的设计  66
  6.2 数据流程  66-68
  6.3 软件实现  68-69
    6.3.1 数据读取  68
    6.3.2 数据结构  68
    6.3.3 可视化技术  68-69
  6.4 软件处理实验及效果  69
  6.5 小结  69-70
第七章 总结与展望  70-72
  7.1 论文的主要工作总结  70-71
  7.2 论文的创新点总结  71
  7.3 下一步工作展望  71-72
参考文献  72-75
作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作  75-76
致谢  76

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 电磁波测距和基线测量 > 光电测距
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