本發明涉及三維對象匹配，具體涉及一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配方法及裝置。

背景技術：

1、隨著數字經濟進入全面擴展期，傳統變電站逐步向數字化、智能化的方向發展，在這種背景趨勢下，建設變電站數字孿生系統，能夠以三維數字模型展示復雜變電站的電力設備，實時反映電力設備的運行狀態，形成與真實變電站場景虛實相生的虛擬場景，實現對變電站全方位、全過程的智能化感知、分析、預測和控制，進而賦能數字變電站建設。然而，變電站建設運行階段實景點云模型與設計階段bim設備三維模型之間存在著差異，導致數字孿生場景與真實場景下的電力設備在數量、位置、分布等方面具有不一致性，無法直接將bim模型映射到相應的實際場景電力設備上，阻礙了bim模型在變電站數字孿生中的實際應用。目前數字孿生系統中的bim模型主要靠人工方式進行匹配和糾正，不僅耗時費力，而且容易引入人為誤差。因此，亟需開展不同場景三維對象之間的自動匹配方法研究，實現bim設備三維模型到實景點云對象的一一映射與匹配，為bim設備三維模型的自動校正提供基礎，具有重要的研究意義與應用價值。

2、目前，現有技術中針對不同場景三維對象之間的自動匹配大多聚焦于基于幾何一致性的匹配研究，以待匹配場景之間幾何一致的重疊區域為參考并捕獲同名點，實現高效準確的三維場景對齊。例如，有方法假設bim場景與現實場景之間具有幾何一致性，從而解決了實景點云到bim空間的匹配與移動測量目標的重定位問題。然而，基于旋轉、縮放、平移等幾何一致性變換假設在大多數情況下并不適用于兩類不同來源數據的目標匹配與空間對齊問題。近期的一些研究試圖將待匹配三維對象的動態變化引入到對象之間的匹配任務之中，主要關注三維場景中物體的移動、匹配與重定位問題。此外，也有一些公開數據集使用rgbd相機或者激光點云，生成具有動態變化挑戰的三維匹配任務。這些數據與方法雖然考慮了不同場景數據之間的幾何不一致性，但是主要采用了基于三維對象幾何形狀相似性的匹配準則；而在實際變電站復雜場景中，存在大量形狀相似但是類型不同的電力設備，需要充分利用設備類型及其空間鄰居信息來提高匹配精度，難以直接應用這些技術完成高精度的匹配任務。

3、傳統圖匹配的目標是建立兩個圖中節點之間的一一對應關系，通過構建三維對象之間的圖網絡，可以利用基于圖匹配的技術實現三維對象的匹配。然而，在復雜變電站場景中，bim設備模型與實景點云對象之間的匹配屬于部分圖匹配問題，傳統圖匹配方法難以取得較高的匹配精度。一些最近的研究嘗試將深度學習方法引入到部分圖匹配任務中，并提出了深度圖匹配技術，用于變化場景中的三維對象匹配任務。例如，一些經典的圖網絡節點編碼方法通過圖節點隨機游走等方式，能夠實現圖節點的拓撲特征編；而基于深度學習的superglue和lightglue通過內部自注意力與交叉注意力，能夠顯著增強圖節點的拓撲定位特征，高精度完成bim設備模型與實景點云對象的匹配任務。盡管如此，基于深度圖的匹配技術仍然面臨一個主要問題，即深度圖網絡的訓練需要大量的樣本匹配對，這在一定程度上需要復雜場景下的人工標注，帶來訓練成本的顯著增加。因此，為減少不同類別設備對象之間的誤匹配，降低三維對象匹配任務的成本，需要利用帶有語義標簽的設備對象，拓展設備圖網絡匹配的空間兼容性指標，進一步提高三維對象的匹配精度。

技術實現思路

1、針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于一階距離-拓撲相似性與空間位置自適應糾正的三維對象匹配方法，實現了復雜場景下實景點云對象與bim三維模型的高精度匹配，輔助變電站數字孿生bim設備三維模型的自動校正。主要貢獻與創新點包括：(1)設計了一種用于三維對象定位特征定量表達的一階距離-拓撲兼容性指標，能夠有效緩解傳統一階或者二階空間兼容性指標難以處理隨機位置變化帶來的幾何匹配問題；(2)提出了一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的三維對象相似度計算技術，旨在識別和提取精準匹配對與潛在匹配對，為三維對象空間位置糾正提供基礎；(3)創新性的利用攝影測量前方交回的思路來實現潛在匹配對中三維對象空間位置的自動更新。本發明所提方法是一種迭代式的實景點云對象與bim三維模型的自動匹配與位置更新算法，即通過迭代匹配不斷更新bim模型的空間位置，直到精準匹配對的數量保持相對穩定。本發明的方法在一處復雜變電站三維數據集上進行了實驗，通過與現有的基準方法進行比較，實驗結果顯示了本發明方法的有效性與可靠性。

2、為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

3、第一方面提供了一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配方法，包括：

4、根據三維對象之間的相對距離和空間拓撲定位特征，構建三維對象一階距離-拓撲兼容性指標；

5、根據復雜三維對象空間布局，分別計算實景點云對象與bim對象的一階距離-拓撲兼容性指標；

6、基于實景點云對象與bim對象的一階距離-拓撲兼容性指標的一階距離-拓撲兼容性指標，計算bim對象與實景點云對象的一階距離相似度及空間拓撲相似度；

7、采用一階距離相似度最大化的方式生成初始匹配對；

8、采用一階拓撲鄰居相似度最大化的方式建立精準匹配對；

9、基于精準匹配對的一階鄰居對象搜索潛在匹配對，并自適應更新bim對象的空間位置。

10、在一種實施方式中，根據三維對象之間的相對距離和空間拓撲定位特征，構建三維對象一階距離-拓撲兼容性指標，包括：

11、計算任意兩個三維對象之間的幾何距離，得到距離矩陣；

12、遍歷距離矩陣的每一行，將所對應三維對象依次到場景內其余三維對象的關系用“類型-距離”的鍵值對進行表達，完成三維對象在全局空間中一階幾何距離定位特征向量的生成；

13、基于三維對象voronoi圖建立場景中三維對象的拓撲關系，并對三維對象的鄰居對象類型標簽進行統計，生成類型標簽直方圖，得到一階拓撲特征向量，作為一階拓撲定位特征表達；

14、將一階幾何距離定位特征向量與一階拓撲特征向量作為三維對象一階距離-拓撲兼容性指標。

15、在一種實施方式中，一階幾何距離定位特征向量的計算方式為：

16、

17、其中，i與j分別表示兩個三維對象，di→j表示場景內三維對象i到j的幾何距離，cm-1表示第m-1個三維對象的設備類型，m表示場景內三維對象的數量，表示三維對象i的一階距離特征向量；

18、一階拓撲特征向量的計算方式為：

19、

20、其中，ui表示三維對象i的一階拓撲鄰居集合，q表示三維對象i的一階拓撲鄰居，cq表示三維對象i的一階拓撲鄰居的類型，表示三維對象i中鄰居類型為cj的數量，表示三維對象i的一階拓撲特征向量，k表示三維對象。

21、在一種實施方式中，基于實景點云對象與bim對象的一階距離-拓撲兼容性指標的一階距離-拓撲兼容性指標，計算bim對象與實景點云對象的一階距離相似度，包括：

22、針對實景點云對象s，以其設備類型為過濾標簽，獲取具有相同設備類型的bim對象，加入到可匹配的對象集合內；

23、針對當前實景點云對象s與bim對象t，逐個維度計算最小距離差，具體為：依次選取實景點云對象s一階距離特征向量中的每個鍵值對，以該鍵值對的設備類型篩選bim對象t一階距離特征向量中具有相同設備類型的鍵值對集合，分別計算當前鍵值對中的距離與所篩選鍵值對集合中每個距離的差值，并將距離差的最小值作為實景點云對象s與bim對象t在當前維度上的距離；

24、將實景點云對象s與bim對象t在所有維度上的最小距離差求和，得到它們之間在一階距離特征上的相似度，作為bim對象與實景點云對象的一階距離相似度；

25、針對實景點云對象s與bim對象t，通過計算兩個對象在一階拓撲特征向量中對應維度上的數量差異，并對所有維度上的差異進行求和，得到bim對象與實景點云對象的空間拓撲相似度。

26、在一種實施方式中，bim對象與實景點云對象的一階距離相似度的計算公式為：

27、

28、其中，表示經過鍵值對的同類型過濾后實景點云對象s中第m維度與bim對象t中第n維度上的距離差，ds→m表示實景點云對象s中第m維度上的距離值，dt→n表示bim對象t中第n維度上的距離值，表示實景點云對象s在第m維度上與bim對象t的最小距離差，δds→t表示實景點云對象s與bim對象t的一階距離相似度，表示兩個對象在一階幾何距離特征上的相似度；

29、bim對象與實景點云對象的空間拓撲相似度的計算公式為：

30、

31、和別表示實景點云對象s與bim對象t的拓撲鄰居中屬于類型cq的鄰居數量，表示在類型cq上兩對象之間的拓撲鄰居數量差異，δns→t表示實景點云對象s與bim對象t之間的空間拓撲相似度。

32、在一種實施方式中，采用一階拓撲鄰居相似度最大化的方式建立精準匹配對，包括：

33、采用一階拓撲鄰居相似度最大化的方式，依次從初始匹配對中選擇一階拓撲鄰居相似度最大且一階幾何距離最小的作為精準匹配對。

34、在一種實施方式中，基于精準匹配對的一階鄰居對象搜索潛在匹配對，并自適應更新bim對象的空間位置，包括：

35、從精準匹配對的一階鄰居中選擇潛在匹配對，要求潛在匹配對的各自鄰居中含有精準匹配對象且互為精準匹配對；

36、以所有的精準匹配對與潛在匹配對的距離關系為約束條件，建立多視線約束方程組，實現潛在匹配對中bim對象空間位置的自適應糾正。

37、基于同樣的發明構思，本發明第二方面提供了一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配裝置，包括：

38、指標構建模塊，用于根據三維對象之間的相對距離和空間拓撲定位特征，構建三維對象一階距離-拓撲兼容性指標；

39、指標計算模塊，用于根據復雜三維對象空間布局，分別計算實景點云對象與bim對象的一階距離-拓撲兼容性指標；

40、相似度計算模塊，用于基于實景點云對象與bim對象的一階距離-拓撲兼容性指標的一階距離-拓撲兼容性指標，計算bim對象與實景點云對象的一階距離相似度及空間拓撲相似度；

41、初始匹配對生成模塊，用于采用一階距離相似度最大化的方式生成初始匹配對；

42、精準匹配對建立模塊，用于采用一階拓撲鄰居相似度最大化的方式建立精準匹配對；

43、自適應糾正模塊，用于基于精準匹配對的一階鄰居對象搜索潛在匹配對，并自適應更新bim對象的空間位置

44、基于同樣的發明構思，本發明第三方面提供了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執行時實現第一方面所述的基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配方法。

45、基于同樣的發明構思，本發明第四方面提供了一種計算機設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述程序時實現第一方面所述的基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配方法。

46、相對于現有技術，本發明的優點和有益的技術效果如下：

47、本發明提出了一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的復雜場景三維對象匹配方法，首先，構建了三維對象的一階距離-拓撲兼容性指標，旨在實現三維對象定位特征的表達，進而緩解傳統一階或者二階空間兼容性指標難以處理隨機位置變化帶來的幾何匹配問題；并提出了一種基于一階距離-拓撲兼容性指標的三維對象相似度的計算技術，用于提取精準匹配對與潛在匹配對；最后，利用精準匹配對與潛在匹配對的相對位置關系，構建多視線約束方程組，實現潛在匹配對中bim模型空間位置的迭代式自糾正，從而實現三維對象的精準匹配。本發明方法在一處復雜場景三維數據集上進行了實驗，匹配總體精度達到了97.92％。實驗結果表明，與當前基準方法相比，本發明方法在復雜場景三維對象匹配任務上具有更高的精度與可靠性。