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原文传递基于点云虚拟基准的基元信息提取及整体形变分析方法

论文题名：	基于点云虚拟基准的基元信息提取及整体形变分析方法
关键词：	三维激光扫描;点云虚拟基准;自动配准;基元信息;地铁隧道;整体形变
摘要：	三维激光扫描技术已成为空间信息实时获取的重要手段之一，海量点云克服了传统测绘方法采样点少且难以反映变形体整体变化特征的局限性，能够准确再现监测对象整体及局部细节特征，但变形信息精确提取复杂度高、数据处理过程繁琐，阻碍着对大规模复杂场景变形规律的全面认识。为此，本文针对基于点云的形变分析中面临的点云监测基准难以确定、多时相点云空间坐标统一难以实现以及复杂多样扫描场景的变形信息难以提取且缺乏适用的整体形变分析方法等科学问题，从理论方法、关键技术等方面开展了深入系统的研究。论文的主要工作如下: 　　(1)形变分析中点云虚拟基准的确定　　针对传统基准网构建方法难以适用于离散点云整体监测基准确定的问题，提出了基于格网质心稳定性和分布相似度的点云虚拟基准确定方法。首先依据变形监测网中基准点变化模式分析稳定区域和变形区域的点云分布特性，探讨点云虚拟基准的概念及探测原则;然后根据测距测角和光斑面积等引起的点位误差进行定权，并采用平方型Msplit相似变换检验格网质心稳定性，且以对应格网最小转动惯量对应轴线向量夹角和概率分布函数间的巴氏系数为准则分析点云分布相似度，从而确定点云虚拟基准;最后结合大型储罐、山体滑坡和规则几何体等不同场景的点云数据分析基准探测精度及适用性。结果表明，概率分布函数间的巴氏系数受噪声影响较小，能够准确确定复杂扫描场景的点云虚拟基准，而转动惯量对应转轴向量夹角更适用于分布均匀的点云数据，其基准召回率均在90％以上。　　(2)多时相激光点云空间坐标的自动配准　　针对多时相点云的空间基准、观测视角等差异以及计算复杂度高、普适性差且难以解决存在变形区域的扫描场景精配准的问题，提出了基于点云虚拟基准的空间坐标自动配准方法。首先构建了全等四点仿射不变量，并以角度和距离为约束准则搜索对应点集，实现多时相点云的粗配准;然后依据不同扫描场景选取适用的点云虚拟基准确定方法，并基于局部点密度确定初始格网分辨率、计算概率统计模型，以使用距离优化算法实现点云虚拟基准的最优匹配;最后将通过稳定性检验的基准坐标转换参数应用到整体扫描场景，实现多时相激光点云的坐标统一。结果表明，该方法能够排除变形区域对点云对应特征搜索的影响，减少参与配准的点云数量，其配准精度可达到mm级，适用于场景特征不足且存在变形区域的多时相点云坐标统一。　　(3)基于场景点云基元信息的整体形变分析　　针对有限监测点的点位变化难以准确反映监测对象的整体变形信息，大体量、非结构化点云的精细信息提取困难且缺乏适用的形变分析模型等问题，提出了基于场景点云基元信息的整体形变分析方法，并按照基元类型划分为点基元、线基元和面基元等。首先，依据激光入射角、光束发散度和扫描距离等参数建立点位不确定度模型，定量评价不同误差源对点位精度的影响，然后构建自适应投影半径和深度的对应点基元提取方法，实现基于点基元的整体形变分析。其次，基于双扫描线和邻域特征探测投影点云的边界点，并将边界中线映射到三维空间确定目标物体的中轴线信息，然后结合局部点密度、法向量等特征，以中轴线为基准自适应提取、拟合截面点，实现基于线基元的整体形变分析。最后，研究顾及点云边界特征的多分辨率超体素分割策略将离散点云转化为超体素，并通过分析超体素间的空间连通性、区域平面度和平行度等参数进行聚类，得到表征上下文信息的结构面点集，实现基于面基元的整体形变分析。将上述方法分别应用于山体滑坡、地铁隧道和岩体边坡等不同扫描场景，结果表明，该方法能够实现复杂变形体表面的非连续点云三维变形信息的精确提取，全面反映监测对象的整体变形信息。
作者：	孙文潇
专业：	测绘科学与技术
导师：	靳奉祥;王健
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东科技大学
学位年度：	2021