[发明专利]一种球面全景影像与三维激光扫描点云的配准及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种将球面全景影像与三位激光扫描点云进行配准以及配准后根据图像进行快速测量的方法，属于光电测绘领域。

背景技术

三维激光点云是物体表面的高精度三维坐标，通过点云直接可以获取地物坐标及特征信息，但没有纹理和颜色信息，表现不直观。球面全景影像数据具有形象的纹理和颜色信息，可以作为三维激光点云数据的纹理补充。三维激光点云数据和球面全景影像数据各有优势和特长，倘若将三维激光点云和全景影像数据结合使用，那么既可以通过三维激光点云可以找到对应影像像素，进行点云着色，反之以球面全景影像作为展现载体，通过影像素坐标可以找到对应三维激光点云，进行地物量测。但是要实现上述目的必须解决两者之间的配准问题，该问题目前是研究的热点。同时，如何在在配准后的球面全景视图中根据任意像素快速获取的点云坐标也是亟待解决的问题，由于海量的点云数据不适合于互联网的应用，想要解决球面全景影像快速测量问题必须解决点云数据的存储难题。

发明内容

本发明提供了一种球面全景影像与三维激光扫描点云的配准及测量方法，解决了上述背景技术中的难题，该方法不仅能够将球面全景影像与三维激光扫描点云进行高度配准，同时还能够对目标点实现快速测量。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种球面全景影像与三维激光扫描点云的配准及测量方法，包括以下步骤：

（1）、用单位球体的三维结构模拟球面全景影像，将球面全景影像的像素坐标（u，v）首先转换为球面极坐标，然后将球面全景影像的球面极坐标转换为三维直角坐标(x₀，y₀，z₀)；

（2）、在球面全景影像中选取三个以上的分别位于不同平面上的点作为控制点，同时与之对应的在点云数据中选取上述控制点，根据控制点在球面全景影像中的坐标以及在点云数据中的坐标，即可计算得出球面全景影像在点云数据中的姿态参数(φ，ω，κ)，以及球面全景影像的光心在点云数据中的位置坐标(Xc，Yc，Zc)，从而将球面全景影像在点云数据中进行配准；

（3）、以球面全景影像的光心位置坐标(Xc，Yc，Zc)为原点，搜索空间范围内的点云，将搜索到的每一个点至光心的距离值d均转化为RGB值，将转化后的RGB值以图片格式存储，得到球面全景影像的深度图；

（4）、当需要在球面全景影像上测量时，将鼠标移动到需要测量的目标点位置，此时读取目标点的像素坐标（u，v）以及球面极坐标，根据姿态参数(φ，ω，κ)以及像素坐标（u，v）计算目标点在球面全景影像的深度图中的像素坐标（u′，v′），读取此像素中的RGB值，并将其转化为距离值d，最后根据距离值d和角度坐标，即可计算得出目标点的三维坐标(x,，y，z)。

步骤（1）中像素坐标（u，v）转换为球面极坐标的公式为：

，

式中，dx为球面全景影像的纵向像素大小，dy为球面全景影像的横向像素大小；球面极坐标转换为三维直角坐标(x₀，y₀，z₀)的计算公式为：

。

步骤（2）中姿态参数(φ，ω，κ)以及球面全景影像的光心位置坐标(Xc，Yc，Zc)的计算方法为：根据点云数据中的点、球面全景影像中的点以及球面全景影像球心三点共线，得到以下关系式：

其中R为旋转矩阵，

转换后得：

其中：

，

，

其中a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为旋转矩阵的元素；

将转换后的公式展开，得：

设：,

则：,

,

又设：，

其中?、?为观测值，其相应的改正数为?_?、?_?；将上式用泰勒公式展开成线性形式，即可得到线性化的误差方程如下：

，

其中，（α）、（β）为使用待定参数的近似值带入公式中求出的α、β的计算值，ΔXc、ΔYc、ΔZc、Δφ、Δω、Δκ为未知数Xc、Yc、Zc、φ，ω，κ的改正数；