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NRLI-UAV:基于低成本无人机激光雷达点云质量提升的序列原始激光扫描与图像非刚性配准

DOI:10.1016/j.isprsjprs.2019.10.009 期刊:ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 出版年份:2019 更新时间:2025-09-11 14:15:04
摘要: 光探测与测距(LiDAR)点云与图像的精确配准是整合低成本无人机(UAV)系统采集光谱与几何信息的前提。多数配准方法将直接地理参考的LiDAR点云视为刚体,其假设基于LiDAR系统高精度定位定向系统(POS)能提供足够精度且误差可忽略。然而,由于低成本无人机LiDAR系统(ULS)常用低精度POS存在较大误差,直接地理参考的ULS点云可能产生显著形变,导致图像与形变后的ULS点云间呈现非刚性变换关系。此时采用图像与直接地理参考LiDAR点云间的刚性变换会导致配准失败。 针对该问题,我们提出NRLI-UAV——一种适用于低成本无人机系统采集序列原始激光扫描与图像的非刚性配准方法。该方法通过轨迹校正及运动恢复结构(SfM)深度与原始激光扫描间的差异最小化实现两步配准,从而提升LiDAR点云质量。首先,粗配准阶段利用全球导航卫星系统(GNSS)和惯性测量单元(IMU)辅助的SfM获取精确图像定向并修正低精度POS误差;其次,精配准阶段将原始二维-三维配准转化为三维-三维配准:以定向图像为基准,通过迭代最小化SfM深度图与原始激光扫描间的差异,实现图像与LiDAR点云的精确配准。同时生成映射坐标系下的优化LiDAR点云。 我们在三个挑战性场景中采用低成本无人机系统数据评估NRLI-UAV。最终图像与LiDAR点云配准误差在图像空间小于1像素、物方空间小于0.13米。通过平面拟合评估LiDAR点云质量显示:使用NRLI-UAV后点云质量提升8.8倍(平面拟合均方根误差从0.45米降至0.05米),证明该方法具有高度自动化、鲁棒性和精确性。
作者: Chi Chen,Jianping Li,Bisheng Yang,Ayman Habib
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研究概述 实验方案 设备清单

为解决低成本无人机系统采集的激光雷达点云与图像因低精度POS误差导致非刚性形变而产生的精确配准问题。

NRLI-UAV实现了高精度配准(图像空间内达到单像素级精度,物空间内误差小于0.13米),并将激光雷达点云质量提升8.8倍,展现出高度自动化、强鲁棒性与优异精度。

该方法要求传感器严格时间同步,且无法处理不同平台采集数据的配准问题。由于GNSS/IMU辅助的SfM处理过程,粗配准步骤耗时较长。

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