CN105180811A - 基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于同名特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定的方法，包括以下步骤：选取点云中同名点、线、面特征地物对应的激光点；获取这些激光点对应的源数据；获取激光扫描仪待标定参数的初始值；根据所选取的特征地物类型选取对应的标定方程，采用最小二乘平差算法，计算激光扫描仪的最优参数，完成激光扫描仪的标定。本发明所提供的方法解决了现有技术中的不足，能够快速对移动测量系统中的激光扫描仪进行标定，不需要特定的标定场，有效提高了移动测量系统中激光扫描仪标定的效率，缩短了移动测量作业周期，具有非常巨大的经济和社会价值。

Description

基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法

技术领域

本发明涉及一种基于同名特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定方法，属于测绘信息领域。

背景技术

移动测量技术是当今测绘界最为前沿的技术之一，移动测量系统成为数字城市、传统测绘等领域获取数据的新手段，具有十分广泛的应用。

移动测量系统采集的数据主要包括POS数据，激光点云数据和影像数据。通过激光点云数据可以直接获得地物坐标及特征信息，进而进行DSM生成、三维建模等后续生产。但获得高精度的点云数据的前提是激光扫描仪已经进行了精确标定。

传统的激光扫描仪标定都需要特定的标定场地，在实际应用中有很大限制，降低了数据采集的效率，不利于移动测量系统的推广和应用。另外，从标定场到作业区域的运输过程，也有可能使激光扫描仪的实际参数与标定结果产生一定的误差，从而降低了激光点云的精度。

发明内容

本发明提供了一种基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪的标定方法，解决了上述背景技术中的不足，大大提高了移动测量系统数据采集的效率，有效的推动了移动测量系统的应用，具有非常巨大的经济和社会价值。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪的标定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取点云中同名点、线、面特征地物对应的激光点；

(2)获得这些激光点对应的源数据；

(3)获取激光扫描仪待标定参数的初始值；

(4)根据不同类型的特征地物，选取不同的标定方程，采用最小二乘平差算法，计算激光扫描仪的最优参数，完成标定。

步骤(1)中同名特征地物对应的激光点获取方法为人工选取；

步骤(2)中获取这些激光点对应的源数据的方法为：根据激光点的三维坐标，提取激光点对应的源数据，包括激光点发射瞬间POS的位置和姿态(posX、posY、posZ、Heading、Pitch、Roll)以及激光点在激光扫描仪坐标系下的坐标(scanX、scanY、scanZ)。

步骤(3)中的扫描仪待标定参数初始值一般为扫描仪设计和安装的理论值。

步骤(4)中，根据同名特征地物具有相同特性，列出标定方程，建立参数解算模型。

假设激光头扫描坐标系在载体坐标系中的位置为T(X₀，Y₀，Z₀)^T，姿态为(Heading，Pitch，Roll)，其旋转矩阵为R。同名点、线、面标定方程如下：

a)同名点标定方程

同名点和在大地坐标系中坐标应相同，即

R_p1(R*P_raw1+T)+T_p1＝R_p2(R*P_raw2+T)+T_p2(1.1)

其中：

R_p1、R_p2：为两次采集时，载体坐标系在大地坐标系中的姿态角所构成的

旋转矩阵；

T_p1、T_p2为两次采集时，载体坐标系在大地坐标系中的位置；

P_raw1、P_raw2：为两次采集时，同名点在激光扫描仪坐标系下的坐标；

误差方程为

$\left\{\begin{array}{c}{v}_x=X_2-X_1\\ v_y=Y_2-Y_1\\ v_z=Z_2-Z_1\end{array}\right.---\left(1.2\right)$

根据1.1～1.2可列误差方程，约束条件为：每对同名点坐标差最小。n对同名点，总共列3*n个方程，未知数R、T共6个，故至少两对控制点可解算未知数。

b)同名线标定方程

设同名线有n条，第i条线的方程为

$\left\{\begin{array}{c}X=a_i+m_i*t\\ Y=b_i+n_i*t\\ Z=c_i+p_i*t\end{array}\right.---\left(1.3\right)$

每个点的世界坐标系坐标为

P(X_p，Y_p，Z_p)＝R_p(R*P_raw+T)+T_p(1.4)

该点在对应直线上的垂足为Q(a_i+m_i*t_q，b_i+n_i*t_q，c_i+p_i*t_q)。

Q点在过P点且与对应直线垂直的平面上，可求出t_q：

$t_q=\frac{m_{i*}(X_p-a_i)+n_i*(Y_p-b_i)+p_i*(Z_p-c_i)}{m_i^2+n_i^2+p_i^2}---\left(1.5\right)$

P点到对应的直线的距离：

$v=\sqrt{{(a_i+m_i*t_q-X_p)}^2+{(b_i+n_i*t_q-Y_p)}^2+{(c_i+p_i*t_q-Z_p)}^2}---\left(1.6\right)$

根据1.4～1.6可列误差方程，约束条件为：每个点距离其对应的直线距离最小。n条直线，每个线特征取m(m＞1)个激光点观测数据，总共列n*m个方程，未知数为

R、T、(a，b，c，m，n，p)₁...(a，b，c，m，n，p)_n

共6+6*n个，故n*m＞6*n+6时，方可计算出未知数。

c)同名面标定方程

设同名面有n个，第i个面的方程为

a_iX+b_iY+c_iZ+d_i＝0

其中i＝1，2，...，n。向量

${\stackrel{\→}{n}}_i=(a_i,b_i,c_i)$

为面的单位法向量，即

$a_i^2+b_i^2+c_i^2=1---\left(1.7\right)$

每个点的世界坐标系坐标为

P_w(X，Y，Z)＝R_p(R*P_raw+T)+T_p(1.8)

该点与平面的距离为

v＝a_iX+b_iY+c_iZ+d_i(1.9)

根据1.7～1.9可列误差方程，约束条件为：每个点距离其对应的平面距离最小。n个平面，每个平面取m(m＞2)个激光点观测数据，总共列n*m个方程，未知数为

R、T、(a，b，c，d)₁...(a，b，c，d)_n

共6+4*n个，故n*m＞4*n+6时，方可计算出未知数。

根据以上方程，采用最小二乘算法，求解出激光扫描仪待标定的最优参数。

本发明所提供的方法，利用作业区域现有的点、线、面特征，直接根据点与点、线与线、面与面间的关系，建立模型，解算出激光扫描仪待标定的参数。相对于传统的采用标定场对激光扫描仪进行标定的方法，本发明提供的方法不需要专门的标定场，有特征点面地物的地方皆可标定，节省了专门去标定场标定的时间，克服了需要标定却没有标定场的难题，提高了移动测量系统作业效率，大力推广了移动测量系统的应用，具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1：为基于同名点特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定流程图。

图2：为基于同名线特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定流程图。

图3：为基于同名面特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细具体的说明。

1.基于同名点特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定方法

本实施例中的同名点特征为道路上斑马线的角点。要求移动测量系统采集数据时，来回测量两次，以采集到同名点特征。具体步骤如下：

(1)在点云中分别选取斑马线角点对应的激光点P₁₁、P₁₂...P_1n和P₂₁、P₂₂...P_2n(n＞2)；

(2)根据所选取的激光点坐标，获取这些激光点对应的源数据，包括POS的位置和姿态(posX_1i，posY_1i，posZ_1i，Heading_1i，Pitch_1i，Rol1_li)、(posX_2i，posY_2i，posZ_2i，Heading_2i，Pitch_2i，Rol1_2i)(i＝1，2...n)以及激光点在扫描仪坐标系的坐标(scanX_1i，scanY_1i，scanZ_1i)、(scanX_2i，scanY_2i，scanZ_2i)(i＝1，2...n)。

(3)获取激光扫描仪设计和安装的理论值offsetXO，offsetYO，offsetZO，angleXO，angleYO，angleZO。

(4)根据所选取的激光点对应的源数据及激光扫描仪待标定参数的初始值，利用上述同名点标定方程，采用最小二乘算法，求解出激光扫描仪待标定的最优参数。

具体流程如图1所示。

2.基于同名线特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定方法

本实施案例中的线特征为两条横竖相交的条形栅栏，要求栅栏的粗细适宜，在数据采集时来回采集两次，以采集到同名线特征。具体步骤如下：

(1)在点云中分别选取栅栏对应的激光点P₁₁、P₁₂...P_1n和P₂₁、P₂₂...P_2n(n＞9)。

(2)根据所选取的激光点坐标，获取这些激光点对应的源数据，包括POS的位置和姿态(posX_1i，posY_1i，posZ_1i，Heading_1i，Pitch_1i，Rol1_1i)、(posX_2i，posY_2i，posZ_2i，Heading_2i，Pitch_2i，Rol1_2i)(i＝1，2...n)以及激光点在扫描仪坐标系的坐标(scanX_1i，scanY_1i，scanZ_1i)、(scanX_2i，scanY_2i，scanZ_2i)(i＝1，2...n)。

(3)获取激光扫描仪设计和安装的理论值offsetXO，offsetYO，offsetZO，angleXO，angleYO，angleZO。

(4)根据所选取的激光点对应的源数据及激光扫描仪待标定参数的初始值，利用上述同名线标定方程，采用最小二乘算法，求解出激光扫描仪待标定的最优参数。

具体流程如图2所示。

3.基于同名面特征地物的车载移动测量系统激光扫描仪标定方法

本实施例中的面特征为房屋相互垂直的两个立面和平整的地面。要求立面和地面平整且无其它干扰物。移动测量系统采集数据时，来回测量两次，以采集到同名面特征。具体步骤如下：

(1)在点云中分别选取房屋立面和地面对应的激光点P₁₁、P₁₂...P_1n和P₂₁、P₂₂...P_2n(n＞18)。

(2)根据所选取的激光点坐标，获取这些激光点对应的源数据，包括POS的位置和姿态(posX_1i，posY_1i，posZ_1i，Heading_1i，Pitch_1i，Rol1_li)、(posX_2i，posY_2i，posZ_2i，Heading_2i，Pitch_2i，Rol1_2i)(i＝1，2...n)以及激光点在扫描仪坐标系的坐标(scanX_1i，scanY_1i，scanZ_1i)、(scanX_2i，scanY_2i，scanZ_2i)(i＝1，2...n)。

(3)获取激光扫描仪设计和安装的理论值offsetXO，offsetYO，offsetZO，angleXO，angleYO，angleZO。

(4)根据所选取的激光点对应的源数据及激光扫描仪待标定参数的初始值，利用上述同名面标定方程，采用最小二乘算法，求解出激光扫描仪待标定的最优参数。

具体流程如图3所示。

Claims (5)

1.一种基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取点云中同名点、线、面特征地物对应的激光点；

(2)根据所选点坐标，获得这些激光点对应的源数据；

(3)获取激光扫描仪待标定参数的初始值；

(4)利用不同类型的特征地物对应的标定方程，采用最小二乘平差算法，计算激光扫描仪的最优参数，完成标定。

2.根据权利要求1所述的基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法，其特征在于：步骤(1)中同名特征地物对应的激光点获取方法为人工选取。

3.根据权利要求1所述的基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法，其特征在于：步骤(2)中所选取的激光点对应的源数据包括POS的位置和姿态(posX、posY、posZ、Heading、Pitch、Roll)以及点特征地物在激光扫描仪坐标系下的坐标(scanX、scanY、scanZ)。

4.根据权利要求1所述的基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法，其特征在于：步骤(3)中的扫描仪待标定参数初始值一般为扫描仪设计和安装的理论值。

5.根据权利要求1所述的基于同名特征地物的移动测量系统激光扫描仪标定方法，其特征在于：步骤(4)中，根据选取的特征地物类型，依次选取对应的点、线、面标定方程，采用最小二乘算法，计算出激光扫描仪待标定的最优参数。