線性擬合地面掃描點云整體定向方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種線性擬合地面掃描點云整體定向方法，其特征在于采用以下步驟：1)在測量區(qū)域網(wǎng)內(nèi)，布設(shè)球形定向標靶，進行多站掃描，獲取掃描點云數(shù)據(jù)；2)將各掃描站和在掃描站上能觀測到的球形定向標靶連線，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)；3)擬合球形標靶球心在掃描儀坐標系中的坐標；4)整理平差信息；5)列立單激光束的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)同名激光束的線性擬合數(shù)學(xué)模型，評估點云定向的點位誤差，將點云坐標轉(zhuǎn)換到工程測量指定的坐標系，實現(xiàn)點云整體定向。本發(fā)明不需要計算參數(shù)近似值，直接進行擬合求解參數(shù)、公式簡單，掃描站越多其解算精度高的優(yōu)勢越明顯。
【專利說明】線性擬合地面掃描點云整體定向方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種線性擬合地面掃描點云整體定向方法，屬于工程測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 地面三維激光掃描儀掃描速度越來越快，由早期的0. 5萬點/秒提高到100萬點/ 秒，每天在野外掃描的站數(shù)可達50站甚至上百站，如何快速將掃描設(shè)備坐標系中的點云轉(zhuǎn) 換到工程指定的測量坐標系則成為一個關(guān)鍵技術(shù)。確定掃描時設(shè)備在工程測量坐標系的位 置點和姿態(tài)的過程稱為點云定向，也就是確定掃描設(shè)備坐標系與工程測量坐標系的坐標轉(zhuǎn) 換參數(shù)的過程。點云定向是三維建模、地形測量等后續(xù)工作的基礎(chǔ)，沒有快速準確的點云定 向，掃描數(shù)據(jù)處理將滯后于野外測量，點云定向依然是三維激光掃描技術(shù)亟待解決的瓶頸。 對于小范圍地形掃描，用點云拼接方法將多站點云先統(tǒng)一到一個坐標系中（目前多數(shù)軟件 都能實現(xiàn)自動拼接，但精度不高），然后用3個以上的控制點，將拼接后點云坐標轉(zhuǎn)換到工 程測量坐標系中，然而對于每站掃描的2000萬以上的點（2分鐘點云采集數(shù)量），內(nèi)存為 2G的普通計算機只能拼接2站數(shù)據(jù)，在實際的測繪中不能用先拼接后轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)點云定 向。目前對于大型建筑物、地形測量的掃描點云定向方法，國內(nèi)外大部分用獨立模型法進行 點云定向，還有少數(shù)采用約束條件，如對大物體掃描一周，產(chǎn)生閉合條件（張劍清等）、在相 鄰站布設(shè)連接標靶提高拼接精度。獨立模型法定向相對于連續(xù)拼接（ICP法）精度較高、標 靶分布合理、容易操作，但有以下幾點不足：①外業(yè)工作量大。②用相鄰各站參數(shù)計算的其 公共標靶中心的坐標相互有差異，是相互矛盾的，理論上是不嚴密的。③各站精度不均勻， 差異較大，精度評價時缺乏整體說服力?，F(xiàn)有獨立模型數(shù)學(xué)模型為
[0003]

【權(quán)利要求】
1. 一種線性擬合地面掃描點云整體定向方法，其特征在于采用以下步驟： 1) 在測量區(qū)域網(wǎng)內(nèi)，布設(shè)球形定向標靶，進行多站掃描，獲取掃描點云數(shù)據(jù)； 2) 將各掃描站和在掃描站上能觀測到的球形定向標靶連線，構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)； 3) 擬合球形標靶球心在掃描儀坐標系中的坐標； 4) 整理平差信息； 5) 列立單激光束的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)同名激光束的線性擬合數(shù)學(xué)模型，評估點云定向的 點位誤差，將點云坐標轉(zhuǎn)換到工程測量指定的坐標系，實現(xiàn)點云整體定向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性擬合地面掃描點云整體定向方法，其特征在于：步驟4) 中涉及的整理平差的信息包括定向標靶個數(shù)和重復(fù)標靶個數(shù)；若全區(qū)域定向標靶有h個單 站標靶和n 2個公共標靶，所有單光束的擬合方程有ηι+η2組，每組3個方程，共3 (ηι+η2)個 擬合方程；全區(qū)域有η個激光束，約束方程組數(shù)為n3 = η-ηι-η2，約束條件方程數(shù)為3n3 ;方 程列立時，每一個標靶上先列組擬合方程，如果k標靶還有N-1個同名激光束，再列N-1組 約束方程。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性擬合地面掃描點云整體定向方法，其特征在于步驟5)實 現(xiàn)過程如下：
(1) R矩陣反映了掃描時的點云在指定坐標系的姿態(tài)，可由反對稱矩陣 構(gòu)成，R與S及單位矩陣I的關(guān)系為
(1) sT = -s，f = (ι+s) (i-sr1 (2) (I-S)T = I+S, (I+S)T = I-S (3) RT = R_1 = (I+S)_1(I-S) (2)
只有一個掃描站的激光束射向的標祀稱為單標祀，多站掃描激光束射向同一標祀，此 時，各站的激光束稱為同名光束，該標祀稱為站公共標革巴； 單標靶方程式推導(dǎo)：依公式（1)，i掃描站指向單標靶h的6參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換方程為 (3) (0 公式⑶兩邊同乘以f =(1 + 5)1+/-左） 公式⑷兩邊同乘以(/ +左)，
(5) i移項后單標靶附有未知數(shù)的條件平差值方程式為
(6) 公式（6)展開后，引入擬合參數(shù) A = a、B = b、C = c、D = Xs+cYs+bZs、E = _cXs+Ys+aZs、 F = -bXs-aYs+Zs，變?yōu)?br> (7) 顧及標靶h的指定坐標系坐標的隨機誤差ea、eYh、ezh，公式（7)變?yōu)?br> (8) 用擬合參數(shù)計算掃描站位置參數(shù)
(9) 用擬合參數(shù)A、B、C計算旋轉(zhuǎn)矩陣
(10) 公共標靶約束方程推導(dǎo)：根據(jù)公式（8)，i站和j站（j尹i)指向公共標靶k，約束條件 是兩站坐標轉(zhuǎn)換后公共標靶k的坐標相等，有約束方程
(11) 式中為ε &.、ε yU、ε zU為掃描坐標的隨機誤差；如果一個標靶上有N個掃描站能觀測 至IJ，可列N-1個約束方程，式中j = 2, 3,…，N，1 = 2, 3, "·，Ν ;在最小二乘擬合準則 (12) 下整體解算各站擬合參數(shù)，然后用公式（9)和公式（10)計算各站位置參數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩 陣，評估點云定向的點位誤差，將點云坐標轉(zhuǎn)換到工程測量指定的坐標系，實現(xiàn)點云整體定 向。
【文檔編號】G01C7/02GK104048645SQ201410290611
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】張大富, 姚吉利, 劉科利, 馬寧, 賈象陽, 徐廣鵬, 李彩林, 郭寶云 申請人:山東理工大學(xué)