基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其步驟為：1)每個(gè)掃描站布設(shè)標(biāo)靶，測(cè)定每個(gè)標(biāo)靶中心的工程測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)；2)在每個(gè)掃描站上對(duì)地物進(jìn)行粗掃描，對(duì)球形定向標(biāo)靶進(jìn)行精掃描，形成各掃描站原始點(diǎn)云，并建立原始點(diǎn)云的空間索引；3)用球面擬合法計(jì)算出標(biāo)靶在各掃描站掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；4)整理區(qū)域網(wǎng)平差信息；5)每個(gè)標(biāo)靶先列立一組激光束的誤差方程，如果該標(biāo)靶是N個(gè)掃描站的公共標(biāo)靶，則要再列立N-1組約束方程，上述方程構(gòu)成全區(qū)域法方程，用測(cè)量平差概括模型統(tǒng)一解算所有掃描站的定向參數(shù)；6)點(diǎn)云定向的精度評(píng)定；7)各站點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程測(cè)量坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云整體定向。
【專利說(shuō)明】基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，屬于工程測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]三維激光掃描技術(shù)的迅速發(fā)展，使地面激光掃描能夠快速、準(zhǔn)確的獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在地形測(cè)量、礦山測(cè)量及3D建模等方面日趨成熟，并在變形觀測(cè)、目標(biāo)的實(shí)際三維成像及測(cè)距等測(cè)量工程中得到廣泛應(yīng)用。地面激光掃描無(wú)論用于閉合的單個(gè)物體，還是用于開(kāi)放的大范圍地形測(cè)繪，都要通過(guò)有限視場(chǎng)、不同視角、不同空間分辨率的多站掃描，才能完成物體形態(tài)或地表形態(tài)測(cè)量。同一掃描目標(biāo)的多站點(diǎn)云坐標(biāo)的統(tǒng)一，通常稱為點(diǎn)云配準(zhǔn)，或點(diǎn)云拼接。點(diǎn)云拼接目的是多塊點(diǎn)云坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)于大型物體、地形掃描要建立工程測(cè)量坐標(biāo)系，因此掃描測(cè)程范圍邊緣布設(shè)3個(gè)以上定向標(biāo)靶，目前應(yīng)用廣泛的定向標(biāo)靶形是球型標(biāo)靶和平面標(biāo)靶，并測(cè)量定向標(biāo)靶中心的工程測(cè)量坐標(biāo)，來(lái)確定每個(gè)掃描站的位置和掃描時(shí)儀器的姿態(tài)，這個(gè)過(guò)程叫點(diǎn)云絕對(duì)定位與定向，簡(jiǎn)稱點(diǎn)云定向。拼接可以叫點(diǎn)云相對(duì)定向，如第一塊點(diǎn)云固定，將第二站點(diǎn)云拼接到第一站，拼接與定向區(qū)別在于:拼接是多塊點(diǎn)云坐標(biāo)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系，而點(diǎn)云定向是多站點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)一到工程測(cè)量指定的坐標(biāo)系。
[0003]現(xiàn)有的點(diǎn)云拼接方法最早由P.J.Besl和N.D.McKay于1992年提出，即經(jīng)典迭代鄰近點(diǎn)(Iterative Closest Point Algorithm, I CP)算法的點(diǎn)云拼接，以及基于ICP的多種改進(jìn)算法，歷經(jīng)20年的發(fā)展，其理論與方法已比較完善，但當(dāng)測(cè)站增多時(shí)，采用相鄰掃描站點(diǎn)云配準(zhǔn)的累積誤差會(huì)不斷增大，使模型偏移非常嚴(yán)重，經(jīng)對(duì)大型文物掃描試驗(yàn)，定向誤差最大0.103m，而采用每站定向過(guò)程都是相對(duì)獨(dú)立的，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，定向誤差在
0.003m以內(nèi)。對(duì)每站單獨(dú)定向的方法叫獨(dú)立模型法，目前國(guó)內(nèi)外大部分用獨(dú)立模型法以外，還采用一些約束條件，如對(duì)大物體掃描一周，產(chǎn)生閉合條件(張劍清等)、相鄰站布設(shè)連接標(biāo)靶提高拼接精度。獨(dú)立模型法定向精度較高、標(biāo)靶分布合理、容易操作，其不足之處有以下幾點(diǎn):①外業(yè)工作量大。②相鄰站點(diǎn)云重疊區(qū)的同一標(biāo)靶，稱為公共標(biāo)靶，N站公用的標(biāo)靶稱為N重標(biāo)靶，用N站定向參數(shù)計(jì)算的公共標(biāo)靶中心的N個(gè)3維坐標(biāo)，各不相等，是有矛盾的，這種現(xiàn)象稱為坐標(biāo)多性，而測(cè)量中要求實(shí)地的一個(gè)點(diǎn)位置只能用唯一的3維坐標(biāo)表達(dá)的。③各站精度不均勻，精度評(píng)價(jià)時(shí)缺乏整體說(shuō)服力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能減少工作量、能對(duì)多站激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體自動(dòng)定向處理、實(shí)現(xiàn)快速、效率高的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法。其技術(shù)方案為:
[0005]一種基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其特征在于采用以下步驟:[0006]I)每個(gè)掃描站布設(shè)3個(gè)以上標(biāo)靶，相鄰掃描站最少有兩個(gè)公共標(biāo)靶，用GNSS或全站儀測(cè)定每個(gè)標(biāo)靶中心的工程測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，將各掃描站和在掃描站上能觀測(cè)到的球形定向標(biāo)靶連線，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)；
[0007]2)在每個(gè)掃描站上對(duì)地物進(jìn)行普通空間分辨率的粗掃描，對(duì)球形定向標(biāo)靶進(jìn)行高空間分辨率的精掃描，并將每個(gè)掃描站上粗掃描和精掃描的點(diǎn)云合并，形成各掃描站原始點(diǎn)云，并建立原始點(diǎn)云的空間索引；
[0008]3)獲取球形定向標(biāo)靶表面上的點(diǎn)云，用球面擬合法計(jì)算出標(biāo)靶在各掃描站掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；
[0009]4)整理區(qū)域網(wǎng)平差信息，這些平差信息包括球形標(biāo)靶中心工程測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)、掃描儀坐標(biāo)系坐標(biāo)、掃描站個(gè)數(shù)、激光束個(gè)數(shù)和公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)，其中激光束是指掃描儀射向球形定向標(biāo)靶的激光束，公共標(biāo)靶上的激光束稱為同名激光束；
[0010]5)每個(gè)標(biāo)靶先列立一組激光束的誤差方程，如果該標(biāo)靶是N個(gè)掃描站的公共標(biāo)靶，則要再列立N-1組約束方程，上述方程構(gòu)成全區(qū)域法方程，用測(cè)量平差概括模型統(tǒng)一解算所有掃描站的定向參數(shù)；
[0011]6)點(diǎn)云定向的精度用內(nèi)符合精度和外符合精度來(lái)評(píng)定；
[0012]7)將各站點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程測(cè)量坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云整體定向。
[0013]所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，步驟2)中原始點(diǎn)云的空間索引建立為:給點(diǎn)進(jìn)行編碼，編碼由8位數(shù)字構(gòu)成，前4位為點(diǎn)云環(huán)號(hào)，點(diǎn)云環(huán)就是由到掃描站距離在一定范圍內(nèi)的點(diǎn)所構(gòu)成的點(diǎn)云，點(diǎn)云環(huán)寬度為lm，大于球形標(biāo)靶的直徑；編碼后4位表示扇形區(qū)號(hào)，扇形區(qū)號(hào)是將點(diǎn)云環(huán)按等距離分區(qū)，等距離指的是扇形的內(nèi)弧的長(zhǎng)度與點(diǎn)云環(huán)的寬度相等，這樣就使離掃描站不同距離的扇形區(qū)的大小基本一致。
[0014]所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，步驟5)中對(duì)于單標(biāo)靶只列I組誤差方程，公共標(biāo)靶先列I組誤差方程，再列N-1組約束方程；設(shè)S為掃描儀中心，S在工程測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)t = (Xs, Ys, Zs)τ，設(shè)T為標(biāo)靶中心，T在工程測(cè)量坐標(biāo)系和掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為M = (X，Y, Z)和m = (X，y, z),設(shè)姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣為R，則單標(biāo)靶可列的誤差方程為M = t+Rm ;若上述單標(biāo)靶是N個(gè)掃描站的公共標(biāo)靶，其約束方程為ti+RA = t2+R2m2 =…=tN+RNmN = Μ,式中Hii (i = I, 2，...，N)為該公共標(biāo)革巴在N個(gè)掃描站掃描坐標(biāo)系的坐標(biāo)，tji = 1,2，...，N)和民(1 = I, 2,..., N)為各掃描站的定位參數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0015]所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，步驟6)中的內(nèi)部符合精度是用掃描站內(nèi)能觀測(cè)到標(biāo)靶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差計(jì)算的精度，分為高程內(nèi)部符合精度和平面內(nèi)部符合精度，外部符合精度是用各掃描站之間的標(biāo)靶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差計(jì)算的精度，分為高程外部符合精度和平面外部符合精度，其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差指的是用點(diǎn)云定向參數(shù)和標(biāo)靶掃描坐標(biāo)計(jì)算的標(biāo)靶工程測(cè)量坐標(biāo)與標(biāo)靶測(cè)量的工程測(cè)量坐標(biāo)之差；高程內(nèi)部符合精
度計(jì)算公式為
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其特征在于采用以下步驟: 1)每個(gè)掃描站布設(shè)3個(gè)以上標(biāo)靶，相鄰掃描站最少有兩個(gè)公共標(biāo)靶，用GNSS或全站儀測(cè)定每個(gè)標(biāo)靶中心的工程測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，將各掃描站和在掃描站上能觀測(cè)到的球形定向標(biāo)靶連線，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)； 2)在每個(gè)掃描站上對(duì)地物進(jìn)行普通空間分辨率的粗掃描，對(duì)球形定向標(biāo)靶進(jìn)行高空間分辨率的精掃描，并將每個(gè)掃描站上粗掃描和精掃描的點(diǎn)云合并，形成各掃描站原始點(diǎn)云，并建立原始點(diǎn)云的空間索引； 3)獲取球形定向標(biāo)靶表面上的點(diǎn)云，用球面擬合法計(jì)算出標(biāo)靶在各掃描站掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； 4)整理區(qū)域網(wǎng)平差信息，這些平差信息包括球形標(biāo)靶中心工程測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)、掃描儀坐標(biāo)系坐標(biāo)、掃描站個(gè)數(shù)、激光束個(gè)數(shù)和公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)，其中激光束是指掃描儀射向球形定向標(biāo)祀的激光束，公共標(biāo)祀上的激光束稱為同名激光束； 5)每個(gè)標(biāo)靶先列立一組激光束的誤差方程，如果該標(biāo)靶是N個(gè)掃描站的公共標(biāo)靶，則要再列立N-1組約束方程，上述方程構(gòu)成全區(qū)域法方程，用測(cè)量平差概括模型統(tǒng)一解算所有掃描站的定向參數(shù)； 6)點(diǎn)云定向的精度用內(nèi)符合精度和外符合精度來(lái)評(píng)定； 7)將各站點(diǎn)云坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換到工程測(cè)量坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云整體定向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其特征在于:步驟2)中原始點(diǎn)云的空間索引建立為:給點(diǎn)進(jìn)行編碼，編碼由8位數(shù)字構(gòu)成，前4位為點(diǎn)云環(huán)號(hào)，點(diǎn)云環(huán)就是由到掃描站距離在一定范圍內(nèi)的點(diǎn)所構(gòu)成的點(diǎn)云，點(diǎn)云環(huán)寬度為Im,大于球形標(biāo)靶的直徑；編碼后4位表示扇形區(qū)號(hào)，扇形區(qū)號(hào)是將點(diǎn)云環(huán)按等距離分區(qū)，等距離指的是扇形的內(nèi)弧的長(zhǎng)度與點(diǎn)云環(huán)的寬度相等，這樣就使離掃描站不同距離的扇形區(qū)的大小基本一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其特征在于:步驟5)中對(duì)于單標(biāo)靶只列I組誤差方程，公共標(biāo)靶先列I組誤差方程，再列N-1組約束方程；設(shè)S為掃描儀中心，S在工程測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)t= (XS，YS，ZS)T，設(shè)T為標(biāo)靶中心,T在工程測(cè)量坐標(biāo)系和掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為M= (X, Y, Z)和m= (X，y, z),設(shè)姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣為R，則單標(biāo)靶可列的誤差方程為M = t+Rm ;若上述單標(biāo)靶是N個(gè)掃描站的公共標(biāo)革巴,其約束方程為ti+R1Iii1 = t2+R2m2 =…=tN+RNmN = Μ,式中Hii (i = I, 2，...,N)為該公共標(biāo)革巴在N個(gè)掃描站掃描坐標(biāo)系的坐標(biāo),tji = I, 2，...,N)和Ri (i = I, 2，...,N)為各掃描站的定位參數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光束法區(qū)域網(wǎng)平差的多站點(diǎn)云整體定向方法，其特征在于:步驟6)中的內(nèi)部符合精度是用掃描站內(nèi)能觀測(cè)到標(biāo)靶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差計(jì)算的精度，分為高程內(nèi)部符合精度和平面內(nèi)部符合精度，外部符合精度是用各掃描站之間的標(biāo)靶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差計(jì)算的精度，分為高程外部符合精度和平面外部符合精度，其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差指的是用點(diǎn)云定向參數(shù)和標(biāo)靶掃描坐標(biāo)計(jì)算的標(biāo)靶工程測(cè)量坐標(biāo)與標(biāo)靶測(cè)量的工程測(cè)量坐標(biāo)之差；高程內(nèi)部符合精度計(jì)算公式力
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104019765SQ201410289139
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】姚吉利, 張大富, 劉科利, 馬寧, 賈象陽(yáng), 徐廣鵬, 李彩林, 郭寶云 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)