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一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法

李绕波,  袁希平,  甘淑,  毕瑞,  高莎,  胡琳

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李绕波, 袁希平, 甘淑, 毕瑞, 高莎, 胡琳. 一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版. doi: 10.13203/j.whugis20210184
引用本文: 李绕波, 袁希平, 甘淑, 毕瑞, 高莎, 胡琳. 一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版. doi: 10.13203/j.whugis20210184
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LI Raobo, YUAN Xiping, GAN Shu, BI Rui, GAO Sha, HU Lin. A Point Cloud Registration Method Based on Dual Quaternion Description Under the Constraint of Point and Surface Features[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. doi: 10.13203/j.whugis20210184
Citation: LI Raobo, YUAN Xiping, GAN Shu, BI Rui, GAO Sha, HU Lin. A Point Cloud Registration Method Based on Dual Quaternion Description Under the Constraint of Point and Surface Features[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. doi: 10.13203/j.whugis20210184
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一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法

doi: 10.13203/j.whugis20210184

  • 1 昆明理工大学国土资源工程学院, 昆明 650093;

  • 2 云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心, 昆明 650093;

  • 3 滇西应用技术大学工程学院, 大理 671009

基金项目: 

国家自然科学基金（41861054）。

详细信息
    作者简介:

    李绕波,男,博士研究生,主要从事地面三维激光扫描数据处理。923965722@qq.com

  • 中图分类号: P237

A Point Cloud Registration Method Based on Dual Quaternion Description Under the Constraint of Point and Surface Features

  • 1 Faculty of Land Resources and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;

  • 2 Yunnan Provincial Plateau Mountain Survey Technique Application Engineering Research Center, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;

  • 3 College of Engineering, West Yunnan University of Applied Sciences, Dali 671009, China

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China (41861054).

  • 摘要: 点云数据的高精度配准是保证空间物体表面三维数据完整性的关键，针对相邻测站点云数据存在位置、姿态和尺度差异的问题，提出一种在点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法。首先利用对偶四元素表示空间相似变换的旋转矩阵和平移向量，在此基础上顾及尺度因子，依据点在平面内和点在平面外分别所构建的向量与平面的法向量之间存在垂直和平行的空间拓扑关系，并以此作为空间相似变换的约束条件，基于最小二乘准则构建平差模型。然后引入Levenberg-Marquardt法解算平差模型，以避免平差处理中可能因初始值的不恰当性，或因雅克比矩阵所构建的实对称矩阵接近奇异时而导致迭代不收敛。最后，通过两组实验与现有方法进行对比分析，实验结果表明：在点面特征约束下顾及尺度因子且利用对偶四元素实现空间相似变换的方法具有较强的实用价值。
    Abstract: The high precision registration of point cloud data is the key to ensure the integrity of the three-dimensional data on the surface of space objects. Aiming at the problem of the position, posture and scale difference of the cloud data of adjacent stations, a new registration method using dual quaternion description under the constraint of point and surface features is proposed. First, the dual quaternion are used to represent the rotation matrix and the translation vector of the space similarity transformation, on this basis, the scale factor is taken into account. There is a vertical and parallel spatial topological relationship between the vector constructed according to the point in the plane and the point out the plane and the normal vector of the plane, and use this as the constraint condition of the spatial similarity transformation. The adjustment model is constructed based on the least square rule. Then, the Levenberg-Marquardt method is introduced to solve the adjustment model to avoid the iterative non-convergence caused by the improper initial value or the symmetric matrices constructed by the Jacobian matrix is close to singularity. Finally, through a comparative analysis of two sets of experiments and existing methods. The experimental results show that the method that takes into account the scale factor and uses the dual quaternion to achieve spatial similarity transformation under the constraints of point and surface features has strong practical value.
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    [8] 梁栋, 王红平, 刘修国, 沈永林.  基于平面基元组的建筑物场景点云自动配准方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, doi: 10.13203/j.whugis20140682
    [9] 贾毅, 李振.  利用空间小面元模型重构序列影像密集点云 . 武汉大学学报 ● 信息科学版,
    [10] 杨荣华, 吕美英, 花向红.  一种多站标靶点云整体配准算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版,
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    [15] 马洪超, 姚春静, 邬建伟.  利用线特征进行高分辨率影像与LiDAR点云的配准 . 武汉大学学报 ● 信息科学版,
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-14

一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法

doi: 10.13203/j.whugis20210184
  • 1 昆明理工大学国土资源工程学院, 昆明 650093;
  • 2 云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心, 昆明 650093;
  • 3 滇西应用技术大学工程学院, 大理 671009
    • 基金项目:

    国家自然科学基金（41861054）。

    作者简介:

    李绕波,男,博士研究生,主要从事地面三维激光扫描数据处理。923965722@qq.com

  • 收稿日期: 2021-04-14

  • 中图分类号: P237

摘要: 点云数据的高精度配准是保证空间物体表面三维数据完整性的关键，针对相邻测站点云数据存在位置、姿态和尺度差异的问题，提出一种在点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法。首先利用对偶四元素表示空间相似变换的旋转矩阵和平移向量，在此基础上顾及尺度因子，依据点在平面内和点在平面外分别所构建的向量与平面的法向量之间存在垂直和平行的空间拓扑关系，并以此作为空间相似变换的约束条件，基于最小二乘准则构建平差模型。然后引入Levenberg-Marquardt法解算平差模型，以避免平差处理中可能因初始值的不恰当性，或因雅克比矩阵所构建的实对称矩阵接近奇异时而导致迭代不收敛。最后，通过两组实验与现有方法进行对比分析，实验结果表明：在点面特征约束下顾及尺度因子且利用对偶四元素实现空间相似变换的方法具有较强的实用价值。

English Abstract

李绕波, 袁希平, 甘淑, 毕瑞, 高莎, 胡琳. 一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版. doi: 10.13203/j.whugis20210184
引用本文: 李绕波, 袁希平, 甘淑, 毕瑞, 高莎, 胡琳. 一种点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版. doi: 10.13203/j.whugis20210184
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LI Raobo, YUAN Xiping, GAN Shu, BI Rui, GAO Sha, HU Lin. A Point Cloud Registration Method Based on Dual Quaternion Description Under the Constraint of Point and Surface Features[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. doi: 10.13203/j.whugis20210184
Citation: LI Raobo, YUAN Xiping, GAN Shu, BI Rui, GAO Sha, HU Lin. A Point Cloud Registration Method Based on Dual Quaternion Description Under the Constraint of Point and Surface Features[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. doi: 10.13203/j.whugis20210184
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