一种建筑室内外多源点云统一配准与重建方法与流程

本发明涉及三维重建，尤其涉及一种建筑室内外多源点云统一配准与重建方法。

背景技术：

1、建筑的室内外一体化三维模型需要同时反映建筑外部形态与内部空间结构。受单一传感器视场与作业方式的限制，此类模型通常需要由机载激光扫描、倾斜摄影、地面激光扫描以及室内移动激光扫描等多种来源的点云共同构建，各源点云分别处于各自的采集坐标系下，须经配准归算至同一坐标系后方可合并建模。

2、现有的多源点云配准多依赖人工选取同名控制点或预先布设标靶以获取粗配准初值，在建筑基座被遮挡或立面几何特征稀少时，可用的对应特征不足，求解易陷入欠约束状态。

3、室内点云由移动扫描设备逐帧累积获得，位姿误差随行进距离累积而产生漂移，致使室内点云在竖直方向及整体朝向上偏离真实状态，与室外点云合并后在拼接处出现错位。

4、门窗洞口是室内外点云中同时可见的物理对象，已有研究据此建立室内外点云的对应关系，但多在最终拼接阶段依据洞口解算一次坐标变换；当洞口因遮挡或点云空洞无法在某一侧完整提取时，该处洞口只能弃用。

5、综上，现有技术中室内外点云配准依赖人工控制点、洞口线索仅用于一次性拼接、室内轨迹漂移无法有效消除，导致室内外模型拼接错位且存在竖向漂移，拼接处往往需人工逐处核对与修补。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中室内外点云配准依赖人工控制点、洞口线索未持续参与解算、室内轨迹漂移缺乏室外绝对基准约束，导致室内外模型拼接错位且存在竖向漂移的技术问题，提供一种建筑室内外多源点云统一配准与重建方法来解决，技术方案如下：

2、本发明提供了一种建筑室内外多源点云统一配准与重建方法，包括：获取建筑物的室外点云、室内点云及所述室内点云的采集轨迹，归算至统一坐标系并附加置信度；提取各源点云中的建筑平面基元并建立跨源对应点对，以所述置信度及法向量一致性构造配准权重，以加权残差最小为目标迭代求解，得到各源点云的第一变换参数；在经所述第一变换参数变换后的室外点云与室内点云中，分别提取外部洞口与内部洞口，建立洞口对应关系；将所述洞口对应关系的边界点作为约束点对并入所述加权残差，自所述第一变换参数继续迭代求解，得到各源点云的第二变换参数；根据所述采集轨迹构建位姿图，基于洞口对应关系构建所述位姿图的绝对锚点约束，结合所述位姿图的帧间约束及闭环约束优化所述位姿图，得到校正后的采集轨迹；基于所述校正后的采集轨迹重新解算所述室内点云，得到校正后的室内点云，基于所述第二变换参数变换所述室外点云，得到配准后的室外点云，合并后执行曲面重建，输出室内外一体化三维模型。

3、可选地，得到各源点云的第一变换参数，包括：对各源点云执行平面分割，提取建筑的主导平面作为所述建筑平面基元，并由相邻建筑平面基元的正交关系提取建筑的棱线与角点；以所述角点为节点、以所述棱线为边分别构建各源点云的建筑拓扑图，在各源点云的建筑拓扑图之间搜索对应节点，根据所述对应节点得到初始变换参数；以所述初始变换参数为初值，按所述配准权重执行迭代最近点求解，迭代至所述加权残差在相邻两轮迭代之间的下降幅度小于第一设定比例时收敛，得到所述第一变换参数。

4、可选地，在经所述第一变换参数变换后的室外点云与室内点云中，分别提取外部洞口与内部洞口，建立洞口对应关系，包括：对经所述第一变换参数变换后的室外点云，以外立面主平面为参考，提取沿所述外立面主平面法向内凹、内凹深度大于设定深度且连通区域面积处于设定面积区间内的区域作为所述外部洞口；对经所述第一变换参数变换后的室内点云，沿墙体走向检测墙体点云在水平投影上的连续空缺，提取空缺宽度处于设定宽度区间内的区域作为所述内部洞口；根据所述外部洞口和所述内部洞口，建立洞口对应关系。

5、可选地，根据所述外部洞口和所述内部洞口，建立洞口对应关系，包括：计算所述外部洞口与所述内部洞口在所述统一坐标系下投影中心的水平距离，以及所述外部洞口与所述内部洞口的走向角度差；当所述水平距离小于预设距离且所述走向角度差小于预设角度差时，判定所述外部洞口与所述内部洞口为同一物理洞口，并将判定为同一物理洞口的外部洞口与内部洞口记入所述洞口对应关系。

6、可选地，当仅提取到所述外部洞口而所述室内点云中未提取到与其对应的内部洞口时，所述方法还包括：以所述外部洞口的洞口中心、所述外立面主平面的法向及所述外部洞口的宽高，构造穿越墙体的容差棱柱；检索所述室内点云中与所述容差棱柱相交的室内墙段，将所述外部洞口与所述室内墙段记为单端洞口对应，并计入所述洞口对应关系；对所述单端洞口对应，以沿所述外立面主平面的切向及竖向的位置一致性约束替代所述约束点对并入所述加权残差；其中，所述位置一致性约束在墙体法向上的协方差大于在所述切向及竖向上的协方差。

7、可选地，将所述洞口对应关系的边界点作为约束点对并入所述加权残差，自所述第一变换参数继续迭代求解，得到各源点云的第二变换参数，包括：分别提取所述洞口对应关系中外部洞口与内部洞口的边界点，按边界走向将外部洞口与内部洞口的边界点两两配对，得到所述约束点对；为所述约束点对赋予固定权重，所述固定权重在继续迭代求解的各轮次中保持不变，将所述约束点对及所述固定权重并入所述加权残差；在自所述第一变换参数继续迭代求解的每一轮次中保留所述约束点对及所述固定权重，迭代至所述加权残差在相邻两轮迭代之间的下降幅度小于第二设定比例时收敛，得到所述第二变换参数。

8、可选地，当同一楼层的所述洞口对应关系不少于预设对数时，在所述继续迭代求解之前还包括：以所述洞口对应关系中各外部洞口与各内部洞口的投影中心及走向，求解所述室内点云相对所述室外点云的整体朝向修正量；以所述整体朝向修正量修正所述室内点云的朝向，将修正后的所述室内点云作为继续迭代求解的输入。

9、可选地，基于洞口对应关系构建所述位姿图的绝对锚点约束，包括：对所述洞口对应关系中的每一物理洞口，以所述外部洞口在所述统一坐标系下的洞口中心作为绝对位置基准；在所述位姿图的各关键帧中，检索与所述内部洞口的洞口中心空间距离最近的关键帧，作为目标关键帧；将所述目标关键帧与所述绝对位置基准之间的位置关系构建为所述绝对锚点约束；其中，所述绝对锚点约束的协方差按所述内部洞口的边界点数量确定，所述边界点数量越多则所述绝对锚点约束的协方差越小。

10、可选地，所述位姿图的闭环约束由候选闭环帧对经双重校验后采纳，所述候选闭环帧对为所述位姿图中经回环检测判定为对应同一地点的两个非相邻关键帧，所述双重校验包括：对候选闭环帧对各自对应的局部点云执行配准，统计配准后两个所述局部点云之间的重叠率，所述局部点云为所述室内点云中由所述候选闭环帧对各自采集的部分；分别统计两个所述局部点云的强度反射率直方图，计算两个所述强度反射率直方图的相关系数；当所述重叠率不低于预设重叠率且所述相关系数不低于预设相关系数时，将所述候选闭环帧对采纳为所述闭环约束，否则不予采纳。

11、可选地，当所述建筑物包括多个楼层且所述绝对锚点约束仅分布于部分楼层时，所述方法还包括：自各楼层的所述室内点云中提取竖向贯通结构片段，所述竖向贯通结构片段为在相邻楼层之间连续延伸且能够跨楼层识别的同一结构的片段；从所述竖向贯通结构片段中选取目标竖向贯通结构片段，以所述目标竖向贯通结构片段在相邻楼层的片段之间的几何一致性构建跨层约束；将所述跨层约束加入所述位姿图，以在所述位姿图的优化中约束相邻楼层的位姿之间的相对关系，使不含所述绝对锚点约束的楼层的位姿经所述跨层约束受到所述绝对锚点约束的作用；当所述目标竖向贯通结构片段的可见点数量不足或所述跨层约束的几何一致性未通过校验时，将其余竖向贯通结构片段作为所述目标竖向贯通结构片段，重新构建所述跨层约束；其中，所述跨层约束的协方差随所述目标竖向贯通结构片段的平面拟合残差增大而增大，且随所述跨层约束所传递的间隔楼层数增加而增大。

12、本发明的有益效果是：

13、获取建筑物的室外点云、室内点云及室内点云的采集轨迹，将各源点云归算至统一坐标系并附加置信度，使来自不同设备、不同精度的点云具备可比的坐标基准与可量化的可信程度，为后续按数据质量区别对待各源点云提供依据。

14、提取各源点云中的建筑平面基元并建立跨源对应点对，以建筑自身的屋面、立面、地坪等稳定几何结构替代人工布设的控制点与标靶建立同名关系，无需人工干预即可获得跨源之间的对应基础；以置信度及法向量一致性构造配准权重，使精度高的点云在解算中占据更大分量，并抑制表面朝向不一致的错误对应，再以加权残差最小为目标迭代求解，得到各源点云的第一变换参数，从而将各源点云初步归算至同一坐标系，为洞口的检测与比对提供共同的位置基准。

15、在经第一变换参数变换后的室外点云与室内点云中，分别提取外部洞口与内部洞口并建立洞口对应关系，由于此时室内外点云已处于同一坐标系且偏差收敛至可比范围，同一门窗在两侧的位置与走向具备直接比对的条件，据此可自动判定两侧洞口的对应关系，无需人工指认同名点。

16、将洞口对应关系的边界点作为约束点对并入加权残差，自第一变换参数继续迭代求解，得到各源点云的第二变换参数，使洞口作为室内外之间唯一的物理共同要素在后续每一轮迭代中持续发挥约束作用，而非仅参与一次坐标变换，室内外点云在洞口处的贴合程度随迭代不断收紧。

17、根据采集轨迹构建位姿图，基于洞口对应关系构建位姿图的绝对锚点约束，由于外部洞口位于具有绝对坐标的室外点云之中，其位置可作为室内轨迹的绝对参照，使原本仅在室内数据内部闭合的轨迹获得来自室外坐标系的外部基准；结合位姿图的帧间约束及闭环约束优化位姿图，得到校正后的采集轨迹，使沿途累积的位姿误差在整条轨迹上被重新分配并消除，室内点云内部因逐帧递推而产生的形变随之得到改正，这一改正是刚性变换无法实现的。

18、基于校正后的采集轨迹重新解算室内点云，得到校正后的室内点云，此时室内点云的坐标由已被绝对锚点约束的轨迹直接给出，无需再作整体变换；基于第二变换参数变换室外点云，得到配准后的室外点云，使室外各源点云归位至统一坐标系；将两者合并后执行曲面重建，输出室内外一体化三维模型。

19、由此，本发明无需人工控制点即可自动完成室内外多源点云的统一配准，并同步消除室内轨迹的累积漂移，使室内外模型在拼接处几何连续，达到了提高建筑室内外一体化建模自动化程度与几何一致性的技术效果。