CN104019765B

CN104019765B - 基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法

Info

Publication number: CN104019765B
Application number: CN201410289139.2A
Authority: CN
Inventors: 姚吉利; 张大富; 刘科利; 马宁; 贾象阳; 徐广鹏; 李彩林; 郭宝云
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: CN104019765A

Abstract

本发明涉及一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其步骤为：1)每个扫描站布设标靶，测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标,构成区域网；2)在每个扫描站上对地物进行粗扫描，对球形定向标靶进行精扫描，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；3)用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；4)整理区域网平差信息；5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N‑1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；6)点云定向的精度评定；7)各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。

Description

基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，属于工程测量技术领域。

背景技术

三维激光扫描技术的迅速发展，使地面激光扫描能够快速、准确的获取三维点云数据，在地形测量、矿山测量及3D建模等方面日趋成熟，并在变形观测、目标的实际三维成像及测距等测量工程中得到广泛应用。地面激光扫描无论用于闭合的单个物体，还是用于开放的大范围地形测绘，都要通过有限视场、不同视角、不同空间分辨率的多站扫描，才能完成物体形态或地表形态测量。同一扫描目标的多站点云坐标的统一，通常称为点云配准，或点云拼接。点云拼接目的是多块点云坐标系进行统一，对于大型物体、地形扫描要建立工程测量坐标系，因此扫描测程范围边缘布设3个以上定向标靶，目前应用广泛的定向标靶形是球型标靶和平面标靶，并测量定向标靶中心的工程测量坐标，来确定每个扫描站的位置和扫描时仪器的姿态，这个过程叫点云绝对定位与定向，简称点云定向。拼接可以叫点云相对定向，如第一块点云固定，将第二站点云拼接到第一站，拼接与定向区别在于：拼接是多块点云坐标统一到一个坐标系，而点云定向是多站点云坐标系统一到工程测量指定的坐标系。现有的点云拼接方法最早由P.J.Besl和N.D.McKay于1992年提出，即经典迭代邻近点(Iterative Closest Point Algorithm,ICP)算法的点云拼接，以及基于ICP的多种改进算法，历经20年的发展，其理论与方法已比较完善，但当测站增多时，采用相邻扫描站点云配准的累积误差会不断增大，使模型偏移非常严重，经对大型文物扫描试验，定向误差最大0.103m，而采用每站定向过程都是相对独立的，不会产生累积误差，定向误差在0.003m以内。对每站单独定向的方法叫独立模型法，目前国内外大部分用独立模型法以外，还采用一些约束条件，如对大物体扫描一周，产生闭合条件(张剑清等)、相邻站布设连接标靶提高拼接精度。独立模型法定向精度较高、标靶分布合理、容易操作，其不足之处有以下几点：①外业工作量大。②相邻站点云重叠区的同一标靶，称为公共标靶，N站公用的标靶称为N重标靶，用N站定向参数计算的公共标靶中心的N个3维坐标，各不相等，是有矛盾的，这种现象称为坐标多性，而测量中要求实地的一个点位置只能用唯一的3维坐标表达的。③各站精度不均匀，精度评价时缺乏整体说服力。

发明内容

本发明的目的是提供一种能减少工作量、能对多站激光扫描点云数据进行整体自动定向处理、实现快速、效率高的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法。其技术方案为：

一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于采用以下步骤：

1)每个扫描站布设3个以上标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标,将各扫描站和在扫描站上能观测到的球形定向标靶连线，构成区域网；

2)在每个扫描站上对地物进行普通空间分辨率的粗扫描，对球形定向标靶进行高空间分辨率的精扫描，并将每个扫描站上粗扫描和精扫描的点云合并，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；

3)获取球形定向标靶表面上的点云，用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；

4)整理区域网平差信息，这些平差信息包括球形标靶中心工程测量坐标系坐标、扫描仪坐标系坐标、扫描站个数、激光束个数和公共标靶个数，其中激光束是指扫描仪射向球形定向标靶的激光束，公共标靶上的激光束称为同名激光束；

5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N-1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；

6)点云定向的精度用内符合精度和外符合精度来评定；

7)将各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。

所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，步骤2)中原始点云的空间索引建立为：给点进行编码，编码由8位数字构成，前4位为点云环号，点云环就是由到扫描站距离在一定范围内的点所构成的点云，点云环宽度为1m，大于球形标靶的直径；编码后4位表示扇形区号，扇形区号是将点云环按等距离分区，等距离指的是扇形的内弧的长度与点云环的宽度相等，这样就使离扫描站不同距离的扇形区的大小基本一致。

所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，步骤5)中对于单标靶只列1组误差方程，公共标靶先列1组误差方程，再列N-1组约束方程；设S为扫描仪中心，S在工程测量坐标系中的坐标t＝(X_S,Y_S,Z_S)^T，设T为标靶中心，T在工程测量坐标系和扫描坐标系中的坐标分别为M＝(X,Y,Z)^T和m＝(x,y,z)^T，设姿态参数构成的旋转矩阵为R，则单标靶可列的误差方程为M＝t+Rm；若上述单标靶是N个扫描站的公共标靶，其约束方程为t₁+R₁m₁＝t₂+R₂m₂＝…＝t_N+R_Nm_N＝M，式中m_i(i＝1,2,…,N)为该公共标靶在N个扫描站扫描坐标系的坐标，t_i(i＝1,2,…,N)和R_i(i＝1,2,…,N)为各扫描站的定位参数和旋转矩阵。

所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，步骤6)中的内部符合精度是用扫描站内能观测到标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程内部符合精度和平面内部符合精度，外部符合精度是用各扫描站之间的标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程外部符合精度和平面外部符合精度，其中坐标转换误差指的是用点云定向参数和标靶扫描坐标计算的标靶工程测量坐标与标靶测量的工程测量坐标之差；高程内部符合精度计算公式为式中Δ_Zij为扫描站内的任意两个标靶高程转换误差之差，n是Δ_Zij的个数；平面内部符合精度计算公式为式中Δ_Xij、Δ_Yij分别表示扫描站内的任意两个标靶X方向和Y方向的坐标转换误差之差，n是Δ_Xij的个数；高程外部符合精度计算公式为式中Δ'_Zij为一个站标靶高程转换误差之差，n是Δ'_Zij的个数；平面外部符合精度计算公式为式中Δ'_Xij、Δ'_Yij分别表示某站标靶与其它扫描站标靶在X方向和Y方向的坐标转换误差之差，n是Δ'_Xij的个数。

本发明与现有技术相比，其优点在于：相对于现有独立模型法定向法，能使一个区域扫描点坐标转换后精度均匀，能较好地抑制大误差扫描站的影响，能对多站激光扫描点云数据进行整体快速自动定向处理和整体精度评价，使三维激光扫描这门新技术得到广泛应用，特别是能够在山区野外测量中发挥其优势。

附图说明

图1是本发明实施例中区域网的示意图；

图2是本发明和独立模型法得到的各扫描站点云定向平面内部符合精度的比较图。

图中：△表示扫描站、●表示单站标靶、为两站或多站重合标靶。

具体实施方式

下面结合附图1～2对本发明实施例作进一步说明。实施例中实验区面积为0.92km*0.87km，实验区内有房屋、水池、小山、树木、道路等地物。实验所用扫描仪为Riegl VZ-1000。标靶到扫描站平均距离为188m，扫描站之间平均距离为310m。工程坐标系为80西安坐标系，以高斯东坐标为X，高斯北坐标为Y，85高程为Z，构成右手三维坐标系。具体操作步骤为：

步骤1)选择土质坚硬6个扫描站，全区域共布设标靶17个，每个扫描站能观测到5-7个球形定向标靶，相邻扫描站一般有2个公共标靶，最多有3个公共标靶；标靶放置在可以对中和整平的三角架上，在地面控制点架设标靶上，量取标靶中心到地面控制点的距离，即量取标靶高，地面控制点用GNSS RTK测量技术，平面点位误差达到11.4mm，高程误差为11.0mm，标靶对中误差2mm，标靶高度测量误差2mm；将各扫描站和在扫描站上能观测到的球形定向标靶连线，构成区域网。

步骤2)在每个扫描站上用10m处的空间分辨率为5mm对地物进行粗扫描，用10m处的空间分辨率为1mm对标靶进行精扫描。将每个扫描站上精扫描和粗扫描点云合并后，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引，具体为：给点进行编码，编码由8位数字构成，前4位为点云环号，点云环就是由到扫描站距离在一定范围内的点所构成的点云，点云环宽度为1m，大于球形标靶的直径；编码后4位表示扇形区号，扇形区号是将点云环按等距离分区，等距离指的是扇形的内弧的长度与点云环的宽度相等，这样就使离扫描站不同距离的扇形区的大小基本一致。由于地形的差异，各站点云数量不尽相同，各站点云数量在0.9～1.5亿之间，占用存贮空间1.9～2.85GB。

步骤3)获取球形定向标靶表面上的点云，用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标：对每个扇形区域进行操作，提取标靶表面点云，并删除标靶表面的噪声点，得到了28个标靶的没有噪声的表面点云，再通过球面上4个以上的点利用最小二乘拟合得到上述28个标靶中心在扫描坐标系下的坐标。

步骤4)区域网平差信息整理：单标靶个数为5个，公共标靶12个，其中2重标靶8个，3重标靶5个，4重标靶1个，激光束总共28个。

步骤5)

选工程测量坐标系坐标为有误差的观测值，扫描坐标为无误差的常量，则第i扫描站射向第k个标靶的激光束的误差方程式为

[\begin{matrix} X_{k} + v_{X k} \\ Y_{k} + v_{Y k} \\ Z_{k} + v_{Z k} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\hat{X}}_{S i} \\ {\hat{Y}}_{S i} \\ {\hat{Z}}_{S i} \end{matrix}] + {\hat{R}}_{i} [\begin{matrix} x_{i k} \\ y_{i k} \\ z_{i k} \end{matrix}]

其中(X_k,Y_k,Z_k)为k标靶中心的工程测量坐标，(x_ik,y_ik,z_ik)为第i站扫描k标靶中心的扫描坐标，(v_Xk,v_Yk,v_Zk)为k标靶中心工程测量坐标的改正值，为第i站位置参数的平差值，为第i站旋转矩阵平差值。i站和j站(j≠i)指向公共标靶k，限制条件是两站坐标转换后公共标靶k的坐标相等，于是有约束方程

[\begin{matrix} {\hat{X}}_{k} \\ {\hat{Y}}_{k} \\ {\hat{Z}}_{k} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\hat{X}}_{S i} \\ {\hat{Y}}_{S i} \\ {\hat{Z}}_{S i} \end{matrix}] + {\hat{R}}_{i} [\begin{matrix} x_{i k} \\ y_{i k} \\ z_{i k} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\hat{X}}_{S j} \\ {\hat{Y}}_{S j} \\ {\hat{Z}}_{S j} \end{matrix}] + {\hat{R}}_{j} [\begin{matrix} x_{j k} \\ y_{j k} \\ z_{j k} \end{matrix}]

全区域的误差方程式有17组，共17×3＝51个误差方程式，约束方程11组，共有约束方程11×3＝33个，总共84个方程，统一解算全区域6站36个点云定向参数。

步骤6)点云定向的内符合精度和外符合精度的评定：

点云定向内符合精度指扫描站内的标靶坐标转换后在统一坐标下的位置中误差；外符合精度指各扫描之间的标靶在坐标转换后在指定坐标中位置中误差，区域网平差法内部精度统计列于表1第2行，用独立模型法计算的各站内部精度统计列于表1第三行。

表1区域网平差法和独立模型法各站定向平面内部符合精度统计

扫描站序号	1	2	3	4	5	6
							区域网平差法M_R2(mm)	10.8	23.0	28.5	16.9	13.8	17.7
独立模型法M_R2(mm)	15.3	26.4	29.3	78.8	72.3	27.5

根据表中数据，52条边之差计算的全区域内部精度为27.3mm。

外部符合精度是表达不同站点云转换后标靶中心的相对位置误差，用计算坐标反算不同扫描站与标靶之间的326条边计算的区域网平差法定向的外部平面符合精度、高程符合精度与独立模型法定向精度列于表2。

表2区域网平差法与独立模型定向精度比较(mm)

点云定向方法	平面外部符合精度	高程外部符合精度
			独立模型法	54.7	13.3
区域网平差法	22.3	13.0

步骤7)利用平差解算的点云定向参数，根据三维坐标转换公式将各站点云扫描坐标转换到工程测量坐标系中，实现多站点云整体定向。

实验数据证明：1)用坐标差计算的全区域平面点位误差(19.3mm)与外部符合精度相当，因而可以用定向后的点位精度来衡量外部符合精度，激光束法区域网平差精度高于独立模型法。2)本发明方法相对于现有独立模型法定向时，能使一个区域扫描点坐标转换后精度均匀，能较好地抑制大误差扫描站的影响，能对区域内多站(100站以上)进行整体评价，使三维激光扫描这门新技术像GPS一样得到广泛应用，特别是能够在山区野外测量中发挥其优势。

Claims

1.一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于采用以下步骤：

6)点云定向的精度用内符合精度和外符合精度来评定；

2.根据权利要求1所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于：步骤2)中原始点云的空间索引建立为：给点进行编码，编码由8位数字构成，前4位为点云环号，点云环就是由到扫描站距离在一定范围内的点所构成的点云，点云环宽度为1m，大于球形标靶的直径；编码后4位表示扇形区号，扇形区号是将点云环按等距离分区，等距离指的是扇形的内弧的长度与点云环的宽度相等，这样就使离扫描站不同距离的扇形区的大小基本一致。

3.根据权利要求1所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于：步骤5)中对于单标靶只列1组误差方程，公共标靶先列1组误差方程，再列N-1组约束方程；设S为扫描仪中心，S在工程测量坐标系中的坐标t＝(X_S,Y_S,Z_S)^T，设T为标靶中心，T在工程测量坐标系和扫描坐标系中的坐标分别为M＝(X,Y,Z)^T和m＝(x,y,z)^T，设姿态参数构成的旋转矩阵为R，则单标靶可列的误差方程为M＝t+Rm；若上述单标靶是N个扫描站的公共标靶，其约束方程为t₁+R₁m₁＝t₂+R₂m₂＝…＝t_N+R_Nm_N＝M，式中m_i(i＝1,2,…,N)为该公共标靶在N个扫描站扫描坐标系的坐标，t_i(i＝1,2,…,N)和R_i(i＝1,2,…,N)为各扫描站的定位参数和旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于：步骤6)中的内部符合精度是用扫描站内能观测到标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程内部符合精度和平面内部符合精度，外部符合精度是用各扫描站之间的标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程外部符合精度和平面外部符合精度，其中坐标转换误差指的是用点云定向参数和标靶扫描坐标计算的标靶工程测量坐标与标靶测量的工程测量坐标之差；高程内部符合精度计算公式为式中Δ_Zij为扫描站内的任意两个标靶高程转换误差之差，n是Δ_Zij的个数；平面内部符合精度计算公式为式中Δ_Xij、Δ_Yij分别表示扫描站内的任意两个标靶X方向和Y方向的坐标转换误差之差，n是Δ_Xij的个数；高程外部符合精度计算公式为式中Δ'_Zij为一个站标靶高程转换误差之差，n是Δ'_Zij的个数；平面外部符合精度计算公式为式中Δ'_Xij、Δ'_Yij分别表示某站标靶与其它扫描站标靶在X方向和Y方向的坐标转换误差之差，n是Δ'_Xij的个数。