一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，包括如下步骤：步骤一、采用地面激光雷达获取被测对象的激光点云；步骤二、将地面激光雷达的激光源作为投影中心，利用投影中心和激光点云的中心点确定出一条中心点投影射线，以垂直于该中心点投影射线且经过中心点的平面作为投影平面，激光点云在投影平面内投影得到相应投影点；步骤三、建立所有投影点的最小外包矩形和一矩形图形，利用间距相同的格网划分最小外包矩形和矩形图形，且矩形图形的任一网格单元在最小外包矩形中具有对应的网格单元；对于矩形图形中的任一网格单元，利用最小外包矩形中距离最近的投影点的反射强度值转换为灰度值并将该灰度值赋予该网格单元。
【专利说明】一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方
法
【技术领域】
[0001]本发明涉及摄影测量和激光雷达【技术领域】，特别涉及一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法。
【背景技术】
[0002]地面激光雷达点云数据与光学中心投影近景影像(以下简称近景影像)的自动配准是近些年的研究热点与难点。地面激光雷达点云数据属于三维的信息，而近景影像属于二维信息。三维和二维之间的配准问题在一些情况下可以转化为二维与二维的匹配，一般采用激光雷达点云反射强度图像与近景影像直接进行匹配。激光点云的反射强度与被测物的材质、颜色、扫描角度、距离、反射特性、反射系数等相关，大部分车载、机载等激光扫描仪以线性扫描方式获取点云数据，在排除仪器、环境等系统误差和偶然误差的影响外，根据其存储数据的方式，以激光反射强度生成的强度图像相对于近景影像(即在影像上看到的信息)变形较小。而地面激光雷达一般采用的是以激光雷达中心点为中心的球面投影方式获取数据，若直接以存储数据的方式依据激光反射强度生成图像，将会使得生成的图像较之于真实的近景影像有较大的变形。球面投影影像和平面投影影像之间的差异较大，特别对于近距离、高角度的对象，这一差异增大了地面激光雷达反射强度图像与近景影像的自动匹配的难度，故需要寻找一种方法降低这种差异性，以增加两种异源图像之间匹配的准确性和可靠性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的之一是提供一种地面激光雷达反射强度图像的生成方法；
[0004]本发明的另一目的是提供一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，降低地面激光雷达反射强度图像与近景影像差异性，使这两种非同源图像数据自动匹配准确度和可靠性更佳。
[0005]本发明提供的技术方案为:
[0006]一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一、数据采集:使用地面激光雷达获取待扫描物的激光点云；
[0008]步骤二、中心投影:将地面激光雷达的激光源作为投影中心，利用所述投影中心和所述激光点云的中心点确定出一条中心点投影射线，以垂直于所述中心投影射线且经过所述中心点的平面作为投影平面，由所述投影中心和所述激光点云中的点形成的投影射线与所述投影平面相交生成相应投影点；依照本发明的方法选择的投影平面是与激光点云最佳符合的平面，这样可以使点云投到投影平面上的相对位置准确，不会发生偏移；如果使用激光点云中的除中心点以外的点与投影中心确定出的另外的投影平面，将会造成投影不准确，导致投影点的错位。
[0009]步骤三、反射强度图像生成:步骤(I)、建立所有投影点的最小外包矩形，利用格网划分所述最小外包矩形；步骤(2)、建立一矩形图形，利用格网划分所述矩形图形，所述矩形图形与最小外包矩形具有相同的格网间距，且所述矩形图形的任一网格单元在所述最小外包矩形中具有对应的网格单元；步骤(3)、计算所述矩形图形中所有网格单元的灰度值，其中，对于所述矩形图形中的任一网格单元，利用所述最小外包矩形中距离对应网格单元最近的投影点的反射强度值计算灰度值，将该灰度值赋予矩形图形中的网格单元。
[0010]优选的是，所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法中，
[0011]所述步骤一中，所述激光点云位于地面激光雷达仪器坐标系内，该坐标系是以地面激光雷达的激光源中心为坐标原点，Y轴为仪器在初始化时的固定方向，Z轴竖直向上并垂直于Y轴，X轴垂直于YOZ平面，其正方向由右手螺旋法则确定；
[0012]所述步骤(I)中，以所述最小外包矩形的一个顶点为原点、以该顶点对应的两个边分别为横轴OX和纵轴0Y、以垂直于XOY平面为Z轴方向建立一投影平面空间直角坐标系0-ΧΥΖ，并使所有投影点均位于第一卦限内，将所有投影点由所述地面激光雷达仪器坐标系变换至所述投影平面空间直角坐标系下，在所有的投影点中，计算最大和最小的横坐标值的差值，计算最大和最小的纵坐标值的差值；
[0013]所述步骤(2)中，建立一个与投影平面空间直角坐标系完全重合的像平面坐标系，在所述像平面坐标系内建立矩形图形时，以横坐标的差值的整数值为所述矩形图形的宽，以纵坐标的差值的整数值为所述矩形图形的高，其中，所述矩形图形的一个顶点与所述像平面坐标系的原点重合，该顶点对应的两个边分别为像平面坐标系的横轴和纵轴重合，以使所述矩形图形位于第一象限内。这里所说的横坐标的差值的整数值实际上为[横坐标的差值/采样间隔]+1，[]括号中的数值取整，同理，纵坐标的差值的整数值为[纵坐标的差值/采样间隔]+1，[]括号中的数值也取整，以此两个数值分别作为矩形图形的宽和高，然后将矩形图形利用点云采样间隔为间距的格网划分，而同时被划分的最小外包矩形由于其宽和高的距离不一定是采样间隔的整数倍，所以最小外包矩形在沿横轴和纵轴方向远离原点的两侧可能会出现不是完整的一个格网的情况，但是，此时，仍使用这些可能不是完整的格网中的投影点，当使用邻域搜索算法进行灰度值的计算时，仍将投影点的反射强度转化为灰度值后赋予矩形图形相应的格网单元中，最终生成反射强度图像。
[0014]优选的是，所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法中，所述格网间距为所述地面激光雷达的采样间距。
[0015]优选的是，所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法中，所述步骤(3)中，对于所述最小外包矩形中任一网格单元，距离最近的投影点通过邻域搜索方法计算得到。
[0016]优选的是，所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法中，所述步骤(I)中，在进行任一投影点的坐标变换时，先计算横轴OX和纵轴OY轴在所述地面激光雷达仪器坐标系下的空间直线方程，再计算投影点到横轴和纵轴的距离X和Y，则该投影点在投影平面空间直角坐标系O-XYZ内的坐标为(X，Y, O)。
[0017]优选的是，所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法中，所述步骤二中，在所述地面激光雷达仪器坐标系内，所述投影平面的具体计算过程为:
[0018]利用由所述投影中心(X。，yQ, zQ)向所述中心点(xd, yd, zd)形成中心点投影射线，并计算出该投影射线所在的空间直线方程:
【权利要求】
1.一种基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、数据采集:采用地面激光雷达获取被测对象的激光点云； 步骤二、中心投影:将地面激光雷达的激光源作为投影中心，利用所述投影中心和所述激光点云的中心点确定出一条中心点投影射线，以垂直于所述中心点投影射线且经过所述中心点的平面作为投影平面，由所述投影中心和所述激光点云中的点形成的投影射线与所述投影平面相交得到相应投影点； 步骤三、反射图像生成:步骤(1)、建立所有投影点的最小外包矩形，利用格网划分所述最小外包矩形；步骤(2) 、建立一矩形图形，利用格网划分所述矩形图形，所述矩形图形与最小外包矩形具有相同的格网间距，且所述矩形图形的任一网格单元在所述最小外包矩形中具有对应的网格单元；步骤(3)、计算所述矩形图形中所有网格单元的灰度值，其中，对于所述矩形图形中的任一网格单元，利用所述最小外包矩形中距离对应网格单元最近的投影点的反射强度值计算灰度值，将该灰度值赋予矩形图形中的网格单元。
2.如权利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于， 所述步骤一中，所述激光点云位于地面激光雷达仪器坐标系内； 所述步骤(1)中，以所述最小外包矩形的一个顶点为原点、以该顶点对应的两个边分别为横轴OX和纵轴0Y、以垂直于XOY平面为Z轴方向建立一投影平面空间直角坐标系0-ΧΥΖ，并使所有投影点均位于第一卦限内，将所有投影点由所述地面激光雷达仪器坐标转换至所述投影平面空间直角坐标系下，在所有的投影点中，计算最大和最小的横坐标值的差值，计算最大和最小的纵坐标值的差值； 所述步骤(2)中，建立一个与投影平面空间直角坐标系的XOY平面完全重合的像平面坐标系，在所述像平面坐标系内建立所述矩形图形时，以横坐标的差值的整数值为所述矩形图形的宽，以纵坐标的差值的整数值为所述矩形图形的高，其中，所述矩形图形的一个顶点与所述像平面坐标系的原点重合，该顶点对应的两个边分别与像平面坐标系的横轴和纵轴重合，以使所述矩形图形位于第一卦限内。
3.如权利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，所述格网间距为所述地面激光雷达的采样间距。
4.如权利要求1所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对于所述最小外包矩形中任一网格单元，距离最近的投影点通过邻域搜索方法计算得到。
5.如权利要求2所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在进行任一投影点的坐标变换时，先计算横轴OX和纵轴OY轴在所述地面激光雷达仪器坐标系下的空间直线方程，再计算投影点到横轴和纵轴的距离X和Y，则该投影点在投影平面空间直角坐标系O-XYZ内的坐标为(X，Y, O)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，所述步骤二中，在所述地面激光雷达仪器坐标系内，所述投影平面的具体计算过程为: 利用所述中心点(xd，yd，zd)和所述投影中心(Χο,Υο,Ζο)计算出中心点投影射线所在的空间直线方程:
7.如权利要求6所述的基于中心投影的地面激光雷达反射强度图像的生成方法，其特征在于，所述步骤二中，任一投影点的具体计算过程为: 首先利用所述投影中心(Xc^yci7Ztl)和所述激光点云中的任一点(xA,yA,zA)计算出经过该点的投影射线所在的空间直线方程:
【文档编号】G06F19/00GK104007444SQ201410253045
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】胡春梅, 王晏民, 李天烁 申请人:北京建筑大学