(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111590117.6 (22)申请日 2021.12.23 (71)申请人 南通大学 地址 226000 江苏省南 通市啬园路9号 (72)发明人 杨帆　王泉凯　刘羽　王英利　 张驰　钱鹏　 (74)专利代理 机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 代理人 许洁 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种基于轴网的实测三 维点云与BIM模 型坐 标对齐方法 (57)摘要 本发明公开一种基于轴网的实测三维点云 与BIM模型坐标对齐方法， 包括以下步骤： 步骤 一： BIM轴 网提取与轴网中心计算； 步骤二： 点云 切片与线特征提取； 步骤三： 非轴网对应线段剔 除， 剔除偏离被选轴线的线段， 保留能够与被选 轴线对应的线段， 得到轴网对应线段集合； 步骤 四： 轴网对应线段规则化， 对保留的轴网对应线 段集进行规则化， 延长规则化之后的直线段， 形 成封闭的矩形框， 计算中心坐标和象限角； 步骤 五： 中心齐次坐标变换， 根据轴网中心的位姿与 点云提取的轴网对应线 段提取的矩形中心， 通过 刚体变换改变原始点云的位置和方向， 实现两种 模型的坐标对齐。 本发明可解决利用点云进行施 工过程监测和变化检测所需要的点云与BIM模型 坐标对齐问题。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114329705 A 2022.04.12 CN 114329705 A 1.一种基于轴网的实测三维点云与BIM模型坐标对齐方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 步骤一： BIM轴网提取与轴网中心计算， 从BIM模型中导出坐标轴网， 提取典型的东西南 北四条轴线， 通常选择标定内墙的四条轴线， 根据提取四条轴线的坐标值计算轴网中心和 象限角； 步骤二： 点云切片与线特征提取将垂直定向的激光扫描点云按照Z轴方向进行多层切 片， 选择其中的若干层切片投影到XOY平面， 并进行线特 征提取， 得到平面线特 征集合； 步骤三： 非轴网对应线段剔除， 剔除偏离被选轴 线的线段， 保留能够与被选轴线对应的 线段， 得到轴网对应线段集 合； 步骤四： 轴网对应线段规则化， 对保留的轴网对应线段集进行规则化， 延长规则化之后 的直线段， 形成封闭的矩形框， 计算中心坐标和象限角； 步骤五： 中心齐次坐标变换， 根据轴 网中心的位姿与点云提取的轴 网对应线段提取的 矩形中心， 通过刚体变换改变原始点云的位置和方向， 实现两种模型的坐标对齐， 算法结 束。 2.根据权利要求1所述的一种基于轴网的实测三维点云与BIM模型坐标对齐方法， 其特 征在于， 所述 步骤二中点云切片与线特 征提取的具体实现步骤为： 2.1、 首先对定向点云进行切片， 即沿着Z轴方向， 根据给定的切片厚度， 采用一组平行 平面对实测激光点云进行分割， 将分层后的点云投影到相应的参考平面上形成轮廓式的点 云切片； 设实测激光点云P＝{p1， p2，…， pn}， pi＝{x， y， z}∈R3， 点云的坐标范 围可以记为(xmin， ymin， zmin)～(xmax， ymax， zmax)； 假设沿着Z轴方向进行分层分割， 设置切片厚度zthickness； 采用投影平面法将分层后的点云生成切片， 对每一个分层， 定义其中间位置为该层的 投影参考面， 将该层内所有的数据点投影至该参考面形成点云切片。 每层的参考面的计算 公式如下 式中， zi表示第i层的投影参考面， 平面的法向量指向Z轴正方向， zmin表示最低层切片投 影参考面的z值； 2.2、 在Z方 向大致均匀的选择多个切片 投影到XOY平面形成融合的点云切片Ps， 采用双 半径阈值线追踪方法提取线特征； 算法采用了两个距离阈值， 距离阈值d1的作用是加快搜 索速度； 算法步骤如下： 2.2.1、 构建点云切片的KD树； 2.2.2、 随机选择一个点(非分支点， 未访问)， 对点搜索其 d2半径范围内的近邻 点， 根据 近邻点集合Q计算点云的PCA主方向； 沿着主方向进行搜索， 接着沿着主方向的逆方向进行 搜索； 2.2.3、 遍历半径d2内的近邻点， 获取所有到当前点的距离大于d1的点， 判断点集中与主 方向夹角小于Δθ(如 采用角度阈值为 10°)， 并将夹角最小的点作为新的当前点加入线段分权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114329705 A 2支， 加入分支的点标记为节点， 小于d1的点全部标记为已访问； 2.2.4、 直到没有满足条件的近邻点， 将两条沿相反方向搜索的线段合并， 返回该线段； 2.2.5、 重复步骤(2.2.2) ‑(2.2.4)， 直到所有的切片点都被标记为已访问和分支点。 3.根据权利要求1所述的一种基于轴网的实测三维点云与BIM模型坐标对齐方法， 其特 征在于， 所述 步骤四轴线对应线段规则化的具体实现步骤为： 3.1、 由于从轴网中选择了东西南北四条轴线， 形成了矩形的包围框； 实测三维点云中 的对应线段也应该满足平行和正交的要求， 才能最佳的确定点云中心； 假设每条直线采用 “点+方向向量 ”的方式表示直线参数， 记为 并将 最长的直线段， 或包含最大数量点云的直线作为第一条线， 即参考直线Lref， 则其他正交和 平行线Li， i＝1， 2， 3， …的条件规则定义 为： 将其它直线与参考直线的夹角记为θ； Δθ是根据经验设置的角度阈值(一般采用10 °)； 如果满足条件1， 认为 直线平行与参 考直线； 如果满足条件2， 认为该直线垂直于参 考直线； 在规则化的过程中， 为了对每条直线获取最优的直线参数， 采用约束最小二乘方法来 解决这一问题； 本发明采用的线特 征规则化的公式如下： Ms＝Muor Mv， MuMv＝1               (5)； 式中， L为直线方程， Ai和Bi为直线方程参数， O表示直线与参考直线之间的关系(垂直 Mv， 平行Mu)； 令x＝(c0， c1，…， ci， a0， b0)T， 得到线性 方程组Ax＝b； 其中A代表 线性方程组的系 数矩阵， x代表未知参数向量， 右边 对系数矩阵A进行QR分解， 以减少求解问题的复杂 度； 对分解结果上三角阵R进行奇异值SVD分解， 得到最终x的解， 相应的为每条直线赋予新 的参数值； 对线段进 行垂直和平行规则化之后， 进一步运用共线规则， 将平行且相互距离小 于给定阈值的直线段进行合并， 采用均值法将共线 线段合并； 3.2、 延长规则化之后的直线段， 形成封闭的矩形框， 计算中心坐标和象限角。 4.根据权利要求1所述的一种基于轴网的实测三维点云与BIM模型坐标对齐方法， 其特 征在于， 所述 步骤五中心齐次坐标变换的具体实现步骤为： 4.1、 记轴网中心点坐标和象限角为p0( αx， αy， 0， 0)， 点云中点坐标p1和象限角为( βx， βy， 0， θ2)； 首先将将点p1移动到坐标原点： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114329705 A 3