本文面向闽南古建筑空地协同数字化中的异构点云配准难题，提出一种融合多尺度预处理、FPFH 鲁棒粗配准和分层式优化 GICP 精配准的稳健策略。研究针对 TLS 难以获取屋顶信息、UAV 难以覆盖室内精细结构，以及两类点云在采样密度、噪声特性和尺度分布上差异显著的问题，通过双尺度体素化与 SOR 去噪降低数据异质性，再利用 FPFH + SAC-IA 建立无先验粗配准，最后以“由宽至窄”的动态阈值 GICP 先对齐建筑主体、再精修高曲率燕尾脊与屋脊细节。实验表明，该方法能够有效消除结构重影和局部滑动残差，为古建筑高保真数字孪生与科学修复提供可靠点云底座。
闽南古建筑具有燕尾脊、剪瓷雕、屋脊曲线和复杂装饰构件等鲜明特征，是重要历史档案与文化纽带。完整数字化通常需要地面激光扫描和无人机摄影测量协同完成，但两类点云在覆盖范围、密度分布、噪声模式和几何细节表达上存在显著差异，直接配准容易产生错位、重影或局部最优。
TLS 适合室内、立面和精细局部，UAV 适合屋顶和高处结构；只有融合两者，才能形成完整古建筑三维点云。
UAV 点云受影像匹配影响噪声更强，TLS 点云密度高且局部精度好，两者采样机制和尺度分布不同。
古建筑中轴对称、墙面大面积平坦、燕尾脊高曲率并存，传统 ICP 容易产生“双眼皮”重影或陷入局部最优。
研究提出的策略包括三个阶段：第一，多尺度体素化与 SOR 去噪，分别服务于粗配准和精配准；第二，基于 FPFH 特征与 SAC-IA 的鲁棒粗配准，解决无先验位姿问题；第三，分层式优化 GICP 精配准，先对齐主体再细化局部高曲率构件。
基础尺度用于特征提取与粗配准，可平滑 UAV 高频噪声并拉平异源点云密度差异；精细尺度用于后续 GICP 精配准，以保留屋脊、檐口、燕尾脊等关键几何细节。统计离群点剔除用于减少漂浮噪声和异常点干扰。
FPFH 通过编码查询点与邻域点之间的局部拓扑几何关系，提取具有旋转、平移不变性的特征直方图。结合 SAC-IA 在特征空间中搜索对应关系，可在无先验位姿条件下建立初始对齐，并降低对称结构导致的错误匹配风险。
在粗配准变换质量评估中引入 Huber 损失函数，使小残差保持二次惩罚、大残差转为线性惩罚，从而降低边缘噪声、遮挡伪影和局部错配对全局位姿估计的影响。
GICP 将每个点的邻域视为局部高斯分布，以协方差描述局部曲面几何，并通过最小化马氏距离求解最优刚体变换。相比传统 ICP，GICP 更能表达平面、边缘和曲面之间的局部结构差异。
第一阶段采用宽阈值，使大面积墙面、立面等高可靠宏观结构主导误差下降，实现建筑主体快速对齐；第二阶段收紧距离截断阈值，剔除远距离误匹配点，使优化重点转向燕尾脊、屋脊和檐口等高曲率局部细节，消除滑动残差和“双眼皮”重影。
研究以厦门南岳祖庙和南靖惟德堂为案例进行验证。定性结果显示，本文方法下 UAV 与 TLS 点云能够无缝交织，燕尾脊、屋脊等局部切片未出现明显结构分层；定量结果表明，相较标准 GICP 和其他粗精配准组合，分层式优化策略显著降低残差并提升效率。
| 案例 | 本文算法表现 | 与对照方法比较 | 解释 |
|---|---|---|---|
| 厦门南岳祖庙 | RMSE 为 6.3 mm；8 对同名特征点平均点位误差 7.5 mm。 | 相比标准 GICP 的 13.5 mm，残差降低约 53.3%；相比对照组 D，耗时缩短约 95%。 | 多尺度预处理降低数据量并保留细节，分层 GICP 消除局部滑动残差。 |
| 南靖惟德堂 | RMSE 达到 0.9 mm；耗时 127.144 s。 | 对照组 B 为 4.4 mm，对照组 C 为 3.1 mm，对照组 D 耗时达 3826.810 s。 | 在长进深、高垂直落差和遮挡环境中仍保持高精度与较高效率。 |
本研究提出的分层式优化 GICP 策略有效解决了闽南古建筑空地协同测绘中的异构点云配准瓶颈，尤其适用于同时包含大面积平面、复杂屋脊、装饰构件和中轴对称结构的文化遗产对象。
FPFH 特征与 SAC-IA 粗配准帮助算法跳出对称结构造成的局部极值陷阱，提高无先验位姿下的稳定性。
分层式 GICP 针对宏观主体和微观高曲率构件分阶段优化，减少边缘滑动残差并消除结构重影。
多尺度体素预处理在保留关键几何细节的同时显著降低计算负担，适合海量异构点云处理。