CN103217688B - 一种基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，采用机载激光雷达航飞获取布设控制点的研究区域的点云数据，利用其它测量方法测量控制点在工程坐标系中的真实三维坐标，得到了控制点在机载激光雷达点云坐标系和工程坐标系中的两套坐标，然后基于控制点构建不规则三角网并建立通用转换模型，分别对不规则三角网内部和外部的激光雷达点云进行平差计算或坐标转换，最终得到准确的激光点云数据。具体技术步骤包括：布设控制点，获取机载激光雷达数据，提取控制点的三维坐标，测量控制点的真实三维坐标，剔除粗差控制点，构建不规则三角网，计算通用转换模型，利用不规则三角网进行平差计算，利用通用转换模型进行坐标转换，获取准确的点云数据。
Description
技术领域
本发明涉及机载激光雷达测量技术，特别是涉及通过构建不规则三角网对机载激光雷达点云进行平差计算和坐标转换方法。
背景技术
机载激光雷达技术是近几年来快速发展起来的一门新的数据获取技术，机载激光雷达通过集成激光测距技术、全球定位技术和惯性导航技术为一体，能够以固定翼飞机、直升机等作为空中安置平台，快速获取高精度、高密度的地表三维点坐标，并通过后续数据处理技术快速获取高精度的数字高程模型。因为机载激光雷达属于主动式遥感技术，受天气影响较小，理论上能够全天时获取数据，因此机载激光雷达成为目前快速获取高精度数字高程模型最有效的方法之一。
机载激光雷达点云的精度会受到多方面的影响，比如：数据获取时航飞高度、点云密度、系统误差、检校误差、机载POS设备精度以及数据后处理方法等。虽然利用检校场后处理的方法能够消除大部分系统误差，但最终点云数据依然会在平面和高程上存在一定的误差，这些误差一般在10～20cm左右，而且这些误差很难通过检校场的方法进一步减小。一般来说，系统误差由设备制造商在设备出厂之前进行过精确校正，航飞高度、点云密度、检校误差等可以按照最优的方法进行设计(如降低航飞高度，增加点云密度，设置合适的检校场等)，在以上条件都确定的情况下，数据后处理的方法将会导致不同的误差。在目前的设备制造、数据处理等技术条件下，机载激光雷达在工程中应用的精度根据地形条件的不同，大概在10～30cm左右，而对于一些需求更高精度的工程项目来说，目前的精度还无法满足生产要求。
发明内容
针对现有机载激光雷达点云精度提高方面存在的问题，本发明推出一种基于不规则三角网对机载激光雷达点云进行平差计算的方法，其目的在于，利用野外布设的具有特种标识的控制点，由机载激光雷达点云和其它精确测量方法分别获取控制点的两套坐标，通过构建不规则三角网，对点云进行平差计算，获取更加准确的点云数据，提高点云精度。
本发明涉及的一种基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，采用机载激光雷达航飞获取布设控制点的研究区域的点云数据，利用其它测量方法测量控制点在工程坐标系中的真实三维坐标，得到了控制点在机载激光雷达点云坐标系和工程坐标系中的两套坐标，然后基于控制点构建不规则三角网并建立通用转换模型，分别对不规则三角网内部和外部的激光雷达点云进行平差计算，最终得到准确的激光点云数据。具体技术步骤包括：布设控制点，获取机载激光雷达数据，提取控制点的三维坐标，测量控制点的真实三维坐标，剔除粗差控制点，构建不规则三角网，计算通用转换模型，利用不规则三角网进行平差计算，利用通用转换模型进行坐标转换，获取准确的点云数据。
S1、布设控制点
在研究区域内选取和布设多个地面控制点，控制点数量不少于4个。
S2、获取机载激光雷达点云数据
获取研究区域内的机载激光雷达数据，包括：机载激光雷达点云数据、机载POS数据和地面GPS基站静态同步观测数据。
S3、提取控制点在点云坐标系中的三维坐标
对POS数据和地面GPS基站静态同步观测数据进行联合解算，并利用大地水准面数据，计算机载激光雷达点云的三维坐标；利用控制点在激光点云上的几何特征信息和控制点的位置信息，提取控制点在激光点云坐标系中的三维坐标。
S4、测量控制点的真实三维坐标
采用GPS、全站仪以及水准仪等测量设备，精确测量现场布设的地面控制点在工程坐标系中的真实三维坐标。
S5、剔除粗差控制点
利用机载激光雷达点云提取的控制点三维坐标和其它测量设备测量的控制点三维坐标的差值，计算控制点中误差和误差均值，再根据设定的粗差阈值，剔除包含粗差的控制点，剔除粗差之后的控制点数量不少于4个。
S6、构建不规则三角网
利用剔除粗差之后的控制点，按照构建Delaunay不规则三角网的算法建立不规则三角网。
S7、计算通用转换模型
利用剔除粗差之后的控制点在机载激光雷达点云坐标系中的三维坐标和测量的真实坐标，采用三次多项式模型计算通用转换模型。
S8、利用不规则三角网进行平差计算
根据构建的不规则三角网，逐个判断点云与不规则三角网中三角形的位置关系，利用构成三角形的三个控制点对位于该三角形内部的点云进行平差计算，得到平差计算后的点云数据。
S9、利用通用转换模型进行坐标转换
对于不包含在任何一个三角形之内的激光点云，利用计算的通用转换模型进行坐标转换。
S10、获取准确的点云数据
将经过平差计算的不规则三角网内部的点云与利用通用转换模型计算的三角形之外的点云合并，得到最终经过平差计算后的点云数据。
本发明的有益效果是：
可对机载激光雷达点云数据进行三维平差计算，减少系统误差，消除因平面误差导致的高程二类误差的影响，提高了机载激光雷达点云平面和高程的测量精度，能够使机载激光雷达的应用范围扩展到对精度要求更高的工程应用中，降低人力成本并提高工作效率。
附图说明
图1为本发明所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法的流程图。
图中标记说明：
S1、布设控制点，
S2、获取机载激光雷达点云数据，
S3、提取控制点在点云坐标系中的三维坐标，
S4、测量控制点的真实三维坐标，
S5、剔除粗差控制点，
S6、构建不规则三角网，
S7、计算通用转换模型，
S8、利用不规则三角网进行平差计算，
S9、利用通用转换模型进行坐标转换，
S10、获取准确的点云数据。
具体实施方式
结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步说明。如图1所示，本发明所涉及的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法包括以下技术步骤：
S1、布设控制点
航飞之前，在研究区域内布设和选择稳定的控制点，控制点的布设要根据对精度的需要进行，精度要求越高，需要布设的控制点越多。
控制点的布设要方便采用常规方法进行现场测量，易于利用机载激光雷达的强度、点位、高程等信息判断控制点的位置。布设的控制点数量不少于4个。
S2、获取机载激光雷达点云数据
选择适宜的航飞天气，根据预先设计好的航线设计文件，获取研究区域的机载激光雷达数据。
获取机载激光雷达数据过程中，需要布设地面GPS基站，并与机载激光雷达设备上携带的动态GPS进行同步观测，地面GPS基站的间距不大于50公里。
获取研究区域内的机载激光雷达数据包括：激光点云数据、机载POS数据、地面GPS基站静态同步观测数据。研究区域内至少包括一个适合的检校场并获取正确的检校数据。
S3、提取控制点在点云坐标系中的三维坐标
利用机载激光雷达系统获取的POS数据与地面GPS基站静态同步观测数据进行联合解算，获取准确的航迹线坐标；
利用检校场对激光雷达系统进行系统误差检校，主要改正激光雷达系统坐标系的坐标轴与惯性导航单元系统的坐标轴之间的系统误差，即测滚角误差、俯仰角误差和航偏角误差；
然后利用机载激光雷达系统获取的POS数据与地面GPS基站静态同步观测数据联合解算结果和检校后的激光雷达参数，计算得到每一个激光点的三维坐标。
利用控制点在激光点云上表现出来的各种形状、大小等几何特征、回波强度信息以及控制点的位置信息，提取出与控制点相关的点云，采用线性回归的方法拟合控制点的坐标，再根据激光点内插获得控制点在激光点云坐标系中的三维坐标。
S4、测量控制点的真实三维坐标
利用GPS、全站仪、水准仪实地测量现场布设的地面控制点在工程坐标系中的真实三维坐标。
S5、剔除粗差控制点
利用机载激光雷达点云提取的控制点的三维坐标和其它测量设备测量的控制点的真实三维坐标差值计算控制点中误差和误差均值，再根据设定的粗差阈值，剔除粗差控制点；剔除粗差之后的控制点数量不少于4个。
S6、构建不规则三角网
利用剔除粗差之后的控制点，采用Delaunay三角网构建法则建立不规则三角网，并对构建不规则三角网的控制点建立索引信息。
S7、计算通用转换模型
利用剔除粗差之后剩余的控制点在机载激光雷达点云坐标系中的三维坐标和测量的真实坐标，采用三次多项式模型计算通用转换模型。
采用的计算通用转换模型三次多项式模型如下：
F(x)＝a0+a1x+a2x2+a3x3
F(y)＝b0+b1y+b2y2+b3y3
F(z)＝c0+c1z+c2z2+c3z3
上述三次方多项式中：a0、a1、a2、b0、b1、b2、b3、c0、c1、c2、c3分别表示三次多项式中需要确定的系数，x、y、z分别表示控制点的坐标分量。
S8、利用不规则三角网进行平差计算
利用S6建立的控制点的索引信息，并利用根据点云提取的控制点的坐标信息，对激光点进行逐点判断，确定每一个激光点与构成不规则三角网的三角形之间的位置对应关系。判断激光点是否位于三角形内部的条件为：任何一个激光点与构成不规则三角网中的三角形的三条边构成三个新的三角形，如果三个新的三角形的面积之和等于该三角形的面积，则判定该点位于该三角形内，否则判定其位于该三角形之外。对于位于相邻三角形边上的点，遵循“第一次优先选择”的原则，即如果一个激光点已经被一个三角形所选中，则在进行该点与相邻三角形的位置关系判断时，即使符合上述判断条件，也不会再次选中该激光点。
对落在不规则三角网内部的激光点，利用构成不规则三角网的控制点，对三角网内部的激光点进行局部平差计算，得到经过不规则三角网平差计算后的激光点云数据；将不规则三角网内部经过平差计算的激光点云单独输出保存。
S9、利用通用转换模型进行坐标转换
对不规则三角网之外的激光点云，利用S6计算的通用转换模型进行坐标转换；将不规则三角网之外经过通用转换模型计算的激光点云单独输出保存。
S10、获取准确的点云数据
将经过平差计算的不规则三角网内部的激光点云与利用通用转换模型计算的三角形之外的激光点云合并，得到最终经过平差计算的点云数据。
Claims (6)
1.一种基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：采用机载激光雷达航飞获取布设控制点的研究区域的点云数据，利用其它测量方法测量控制点在工程坐标系中的真实三维坐标，得到了控制点在机载激光雷达点云坐标系和工程坐标系中的两套坐标，然后基于控制点构建不规则三角网并建立通用转换模型，分别对不规则三角网内部和外部的激光雷达点云进行平差计算，最终得到准确的激光点云数据；具体技术步骤包括：布设控制点，获取机载激光雷达点云数据，提取控制点在点云坐标系中的三维坐标，测量控制点的真实三维坐标，剔除粗差控制点，构建不规则三角网，计算通用转换模型，利用不规则三角网对三角网内部点云进行平差计算，利用通用转换模型对三角网之外的点云进行坐标转换，获取准确的点云数据；
所述利用不规则三角网对点云进行平差计算，是根据构建的不规则三角网，逐个判断点云与不规则三角网中三角形的位置关系，利用构成三角形的三个控制点对位于该三角形内部的点云进行平差计算，得到平差计算后的点云数据；
所述利用通用转换模型进行坐标转换，是对于不包含在任何一个三角形之内的激光点云，利用计算的通用转换模型进行坐标转换；
所述获取准确的点云数据，是将经过平差计算的不规则三角网内部的点云与利用通用转换模型计算的三角形之外的点云合并，得到最终平差计算后的点云数据。
2.根据权利要求1所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：所述布设控制点，是在研究区域内选取和布设多个地面控制点，控制点数量不少于4个。
3.根据权利要求1所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：所述测量控制点真实三维坐标，是采用GPS、全站仪以及水准仪测量现场布设的地面控制点在工程坐标系中的真实三维坐标。
4.根据权利要求1所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：所述剔除粗差控制点，是根据设定的粗差阈值，剔除包含粗差的控制点，剔除粗差之后的控制点数量不少于4个。
5.根据权利要求1所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：所述构建不规则三角网，是依据Delaunay三角网法则构建不规则三角网。
6.根据权利要求1所述的基于不规则三角网机载激光雷达点云平差计算方法，其特征在于：所述计算通用转换模型，是利用剔除粗差后的控制点在点云坐标系中的三维坐标和对应点位测量的真实三维坐标，利用三次多项式模型计算通用转换模型。
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