CN110346782A - 一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法 - Google Patents

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张卫国
陈锦
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Abstract

本发明公开了一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，在室内环境下采用三维激光雷达以相同的距离对一面状的材料目标进行扫描，扫描过程中的入射角以预设步长从0°转至90°并记录每个入射角对应的第一回波强度；在室外环境下采用三维激光雷达对一自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；对第一回波强度和第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。本发明的优点是：有效实现了对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行改正的技术难题，数据改正的精度高，数据改正的效率高，能够对多种材料的回波强度数据进行改正。

Description

一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法
技术领域
本发明属于激光雷达仪器改正技术领域，具体涉及一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法。
背景技术
三维激光雷达技术以高亮度、高方向性、高相干性的激光作为探测媒介，可以获取扫描目标表面高密度、高精度的点云三维几何信息。长距离地面三维激光雷达兼顾了点云精度和数据获取效率，可以快速获取测站周围数千米的扫描数据，适用于大范围地形地貌数据的快速高效获取。除获取扫描目标的三维几何信息外，长距离地面三维激光雷达通过光电接收系统还能记录扫描目标对发射激光的“回波强度数据”。回波强度数据表征目标对激光的反射光谱特性，是反映扫描目标表面特性的重要物理量。回波强度数据不受太阳光照、阴影等的影响，受大气影响较小，利用回波强度数据可直接、精确、快速地对扫描目标的结构、材质、属性等信息进行提取和反演，对长距离地面三维激光雷达的点云分类和目标特征提取等有非常重要的作用。在整个激光扫描过程中，回波强度数据主要受到目标反射率、入射角和距离的影响。因此，需要对回波强度数据进行入射角和距离效应改正才能从中提取扫描目标的表面反射特性。
入射角效应主要取决于扫描目标表面的反射特性与材质。理论上，扫描目标对激光的反射近似遵循朗伯余弦定律。但是，某些仪器系统特性会混合在入射角效应之中，使得朗伯余弦定律不能很好地对入射角效应进行改正。长距离地面三维激光雷达光电探测器主要设计用于优化距离测量，在近距离和远距离区间，系统会对激光回波进行调节，使得距离效应不遵循激光雷达方程中的理论关系。
对于短、中距离地面三维激光雷达系统而言，由于扫描距离范围较小，可以利用室内定标法对距离效应进行改正。但是，长距离地面三维激光雷达扫描距离通常是在公里级别，利用室内定标法进行长距离地面三维激光雷达回波强度数据距离效应改正不仅受到室内环境长度的限制，而且数据获取与数据处理的工作量也非常繁琐。比如，某一长距离地面三维激光雷达的有效扫描范围为10m至2000m，则在0°入射角下，从10m到2000m每隔2m设置一个测站，测取距离和回波强度数据之间的变化关系，则总共需设置996个测站，数据扫描与数据处理任务都非常之大，对室内空间大小也提出了很高的要求，且最终获得的距离和回波强度数据之间的关系也是不连续的。
因此，目前缺少一种有效的方法对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行精确改正，长距离地面三维激光雷达回波强度数据的入射角和距离效应改正是激光雷达领域的难点之一。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，通过室内标定和室外标定联合使用，解决长距离地面三维激光雷达回波强度数据改正的技术难题。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在室内环境下，采用三维激光雷达以相同的距离和多个不同的入射角对一材质均匀的材料目标进行扫描，并记录每个所述入射角对应的第一回波强度；
步骤2：在室外环境下，采用所述三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个所述距离对应的第二回波强度；
步骤3：对所述第一回波强度和所述第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。
所述步骤3包括以下步骤：
建立所述三维激光雷达的入射角计算公式和距离计算公式；
根据所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度进行计算以获取第一多项式次数和第一多项式系数；
对所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正，根据改正后的数据进行计算以获取第二多项式次数和第二多项式系数；
根据所述入射角计算公式、所述距离计算公式、所述第一多项式次数、所述第一多项式系数、所述第二多项式次数、所述第二多项式系数建立所述回波强度改正模型。
所述入射角计算公式和所述距离计算公式为：
其中，θ为所述入射角，cos-1为反余弦运算， 为入射激光向量，为点云法向量，d为距离，(x,y,z)为所述材料目标的三维空间坐标，(x0,y0,z0)为所述三维激光雷达仪器的三维空间坐标。
计算获取所述第一多项式次数和所述第一多项式系数包括以下步骤：将所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度代入第一改正公式中，利用多项式对所述第一改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第一多项式系数αi＝(θT·θ)-1·θT·I，其中，I为所述第一回波强度，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第一多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。
对所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正的计算公式为：其中，Ia为入射角效应改正后的回波强度，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，I为所述第二回波强度。
计算获取所述第二多项式次数和所述第二多项式系数包括以下步骤：将所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度代入第二改正公式中，利用多项式对所述第二改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第二多项式系数βi＝(dT·d)-1·dT·Ia，其中，N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数，Ia为入射角效应改正后的回波强度，d为所述距离，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第二多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。
所述回波强度改正模型的公式为：
其中，Ic为改正后回波强度数据，ds为参考距离，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数、N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数、I为实测回波强度数据、θ为实测入射角、d为实测距离。
所述步骤1中，所述面状的材料目标的外径为10-15厘米，所述面状的材料目标的形状为方形或矩形或圆形。
所述步骤1中，扫描过程中的所述入射角以预设步长从0°转至90°，所述预设步长设置为5°-10°。
本发明的优点是：(1)有效实现了对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行改正的技术难题，数据改正的精度高，数据改正的效率高，能够对多种材料的回波强度数据进行改正；(2)采用了室内定标法建立了对回波强度数据入射角效应改正方法，避免了仪器系统特性对入射角效应的影响；采用了室外定标法对长距离地面三维激光雷达回波强度数据的距离效应进行改正。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例一：本实施例具体涉及一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，通过室内标定和室外标定联合使用，解决长距离地面三维激光雷达回波强度数据改正的技术难题。
本实施例中的长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，包括以下步骤：步骤1：在室内环境下采用三维激光雷达以相同的距离对一面状的材料目标进行扫描，扫描过程中的入射角以预设步长从0°转至90°并记录每个入射角对应的第一回波强度；步骤2：在室外环境下采用三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；步骤3：对第一回波强度和第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。
本实施例中，步骤1中，在室内环境下，固定距离，改变入射角，利用长距离地面三维激光雷达扫描面状的材料目标，再在步骤3中根据扫描数据求取入射角效应函数参数。步骤2中，在室外环境下，利用长距离地面三维激光雷达扫描自然同质目标，根据自然同质目标的距离和入射角效应改正后回波强度数据，再在步骤3中求取距离效应函数参数。步骤3中，通过对数据的整合分析，建立回波强度改正模型，通过将实际的扫描数据引入至回波强度改正模型实现回波强度数据的改正。
本实施例中，材料目标可以任意选取，包括但不限于纸板、木板、聚乙烯板、橡胶板、金属板、石灰板、水泥板，材料目标的表面的材质和特性较为均匀。面状的材料目标与自然同质目标并非要求其完全均匀，只需要保证表面特性与材质基本一致即可。自然同质目标的长度不小于长距离地面三维激光雷达的最大有效扫描距离。
本实施例中，步骤1中进行室内定标时，面状的材料目标的外径为10-15厘米，面状的材料目标的形状规则形状以便于数据采集和预处理，可采用方形、矩形、圆形。入射角的调整步长为5°-10°，每次调整的步长可以不等，可利用测角装置进行大致估计，入射角的精确值可以通过入射角计算公式和距离计算公式精确计算得到。室内定标过程中，每个入射角下扫描材料目标，应扫描至少两次，取扫描的回波强度数据均值，能够减少扫描作业过程中的偶然误差。室内定标过程中，面状的材料目标与仪器之间的距离可根据室内环境空间大小，选取长距离地面三维激光雷达扫描距离范围内的任意值。
本实施例中，步骤2中进行室外定标时，以不同的距离自然同质目标，应扫描至少两次，并根据扫描结果计算获取多个第二多项式系数，将多个第二多项式系数的均值作为最终的第二多项式系数，能够进一步减少扫描作业过程中的偶然误差。
本实施例中，长距离地面三维激光雷达在室内标定和室外标定时所记录的回波强度数据，为所采集的所有点云数据原始回波强度数据的数学平均值，即第一回波强度数据和第二回波强度数据均为所有点云数据原始回波强度数据的数学平均值，也能够减少扫描作业过程中的偶然误差。
本实施例中，步骤3中包括以下步骤：建立三维激光雷达的入射角计算公式和距离计算公式；根据步骤1中的入射角和第一回波强度进行计算以获取第一多项式次数和第一多项式系数；对步骤2中的距离和对应的第二回波强度进行入射角效应改正，根据改正后的数据进行计算以获取第二多项式次数和第二多项式系数；根据入射角计算公式、距离计算公式、第一多项式次数、第一多项式系数、第二多项式次数、第二多项式系数建立回波强度改正模型。
本实施例中，入射角为入射激光向量和点云法向量之间的夹角，距离为点云和长距离地面三维激光雷达仪器中心之间的长度，入射角计算公式和距离计算公式为：
其中，θ为入射角，cos-1为反余弦运算， 为入射激光向量，为点云法向量，d为距离，(x,y,z)为材料目标的三维空间坐标，(x0,y0,z0)为三维激光雷达仪器的三维空间坐标，点云法向量通过曲面或平面拟合点云邻域计算拟合曲面或者平面的法向量而得到，上述的点云为长距离地面三维激光雷达的测量仪器得到的扫描目标表面的点数据集合。
本实施例中，在室内标定时通过扫描得到P个入射角及对应入射角下的长距离地面三维激光雷达记录的原始回波强度数据，上述的原始回波强度数据即第一回波强度。为克服仪器系统特性对入射角效应的影响，利用室内定标法求取外形规则的面状材料目标的入射角和回波强度数据之间的关系，求取了入射角效应的参数，上述的入射角效应的参数也就是第一多项式次数和第一多项式系数。计算获取第一多项式次数和第一多项式系数包括以下步骤：将步骤1中的入射角和对应的第一回波强度代入第一改正公式，第一改正公式为：
利用多项式对第一改正公式进行最小二乘法拟合以获取多项式系数αi＝(θT·θ)-1·θT·I，其中，I为第一回波强度，N1为第一多项式次数，αi为第一多项式系数，θ为入射角，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算。计算得到的第一多项式次数和第一多项式系数也就是入射角效应函数多项式参数。
上述的第一多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。第一多项式次数是兼顾最小二乘平差中误差和第一多项式次数而确定的。最小二乘平差中误差的计算公式为其中，σ1为最小二乘平差第一中误差，N1为第一多项式次数，ν1为第一残差，αi为第一多项式系数，P为室内标定时通过扫描得到入射角的个数。当第一多项式次数在某一取值之后σ1趋于稳定或者变化较小，将上述取值作为最终的第一多项式次数。
本实施例中，在室外标定时利用长距离地面三维激光雷达扫描自然同质目标，得到自然同质目标在Q个距离下的原始强度数据，上述的原始强度数据即第二回波强度。对距离和第二回波强度进行入射角效应改正的计算公式为：
其中，Ia为入射角效应改正后的回波强度，θs为参考入射角，N1为第一多项式次数，αi为第一多项式系数，θ为入射角，I为第二回波强度。
根据自然同质目标入射角效应改正后回波强度数据和距离的关系，求取长距离地面三维激光雷达回波强度数据的距离效应的参数，距离效应的参数也就是上述的第二多项式次数和第二多项式系数。计算获取第二多项式次数和第二多项式系数包括以下步骤：将步骤2中的距离和对应的第二回波强度代入第二改正公式，第二改正公式为：
利用多项式对第二改正公式进行最小二乘法拟合以获取多项式系数βi＝(dT·d)-1·dT·Ia，其中，N2为第二多项式次数，βi为第二多项式系数，Ia为入射角效应改正后的回波强度，d为距离，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算。
上述的第二多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。第二多项式次数是兼顾最小二乘平差中误差及多项式次数而确定的，最小二乘平差中误差的计算公式为其中σ2为最小二乘平差第二中误差，N2为第二多项式次数，ν2为第二残差，βi为第二多项式系数，Q为室外定标法材料目标的个数。当第二多项式次数N2在某一取值之后σ2趋于稳定或者变化较小，将上述取值作为最终的第二多项式次数。
上述计算过程，根据魏尔斯特拉斯定理，采用多项式函数表达入射角及距离和长距离地面三维激光雷达回波强度数据之间的关系。
本实施例中，回波强度改正模型的公式为：
其中，Ic为改正后回波强度数据，ds为参考距离，θs为参考入射角，N1为第一多项式次数，αi为第一多项式系数、N2为第二多项式次数，βi为第二多项式系数、I为实测回波强度数据、θ为实测入射角、d为实测距离。参考距离和参考入射角可以任意选取。
本实施例具有如下优点：有效实现了对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行改正的技术难题，数据改正的精度高，数据改正的效率高，能够对多种材料的回波强度数据进行改正；采用了室内定标法建立了对回波强度数据入射角效应改正方法，避免了仪器系统特性对入射角效应的影响；采用了室外定标法对长距离地面三维激光雷达回波强度数据的距离效应进行改正。
实施例二：本实施例具体涉及一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，采用实施例一相同的步骤进行标定和计算。
本实施例中，在室内环境下，固定扫描距离为7.5米，从0°到90°每隔约5°利用Riegl VZ-4000长距离地面三维激光雷达获取尺寸为10厘米的方形白纸的回波强度数据，利用实施例一中的式(1)精确计算入射角和距离。
本实施例中，兼顾最小二乘法拟合中误差和多项式次数，确定第一多项式次数N1取值为3，然后，对实施例一中的式(2)进行最小二乘法拟合，计算第一多项式系数αi，计算结果见表1。
表1.入射角效应函数多项式参数
N<sub>1</sub> α<sub>0</sub> α<sub>1</sub> α<sub>2</sub> α<sub>3</sub>
3 1 -3.38×10-<sup>3</sup> 2.38×10-<sup>5</sup> -9.73×10-<sup>7</sup>
本实施例中，在利用目标表面特性较为均匀且长度不小于Riegl VZ-4000最大有效扫描距离的水泥道路，通过实施例一中式(1)计算入射角和距离，选取参考入射角为0°，对水泥道路的原始回波强度数据先做入射角效应改正，得到水泥道路的入射角效应改正后回波强度数据，兼顾最小二乘法拟合中误差和多项式次数，确定第二多项式次数N2取值为7，然后，根据最小二乘法拟合，计算第二多项式系数βi，计算结果见表2。
表2.距离效应函数多项式参数
本实施例中，在利用Riegl VZ-4000扫描某一潮间带，此潮间带地物目标类型主要包括道路、泥滩和植被，利用表1和表2中的参数，选取参考入射角为0°，参考距离为10m，根据实施例一中的式(5)对其回波强度数据进行整体改正，得到改正前后回波强度数据的变异系数如表3所示。改正后，三种地物目标的回波强度数据的变异系数分别减少64％，51％及48％。根据改正前后回波强度数据进行潮间带地物分类，分类精度分别为32％和81％，利用改正后回波强度数据进行潮潮间带地物分类，分类精度比利用原始回波强度数据的分类精度提高49％。
表3.本发明改正前后道路、泥滩和植被回波强度数据的变异系数。
道路 泥滩 植被
原始回波强度数据 0.2458 0.3845 0.3980
改正后回波强度数据 0.0894 0.1896 0.2055

Claims (9)

1.一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在室内环境下，采用三维激光雷达以相同的距离和多个不同的入射角对一材质均匀的材料目标进行扫描，并记录每个所述入射角对应的第一回波强度；
步骤2：在室外环境下，采用所述三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；
步骤3：对所述第一回波强度和所述第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。
2.根据权利要求1所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
建立所述三维激光雷达的入射角计算公式和距离计算公式；
根据所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度进行计算以获取第一多项式次数和第一多项式系数；
对所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正，根据改正后的数据进行计算以获取第二多项式次数和第二多项式系数；
根据所述入射角计算公式、所述距离计算公式、所述第一多项式次数、所述第一多项式系数、所述第二多项式次数、所述第二多项式系数建立所述回波强度改正模型。
3.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述入射角计算公式和所述距离计算公式为：
其中，θ为所述入射角，cos-1为反余弦运算， 为入射激光向量，为点云法向量，d为距离，(x,y,z)为所述材料目标的三维空间坐标，(x0,y0,z0)为所述三维激光雷达仪器的三维空间坐标。
4.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，计算获取所述第一多项式次数和所述第一多项式系数包括以下步骤：将所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度代入第一改正公式中，利用多项式对所述第一改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第一多项式系数αi＝(θT·θ)-1·θT·I，其中，I为所述第一回波强度，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第一多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。
5.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，对所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正的计算公式为：其中，Ia为入射角效应改正后的回波强度，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，I为所述第二回波强度。
6.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，计算获取所述第二多项式次数和所述第二多项式系数包括以下步骤：将所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度代入第二改正公式中，利用多项式对所述第二改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第二多项式系数βi＝(dT·d)-1·dT·Ia，其中，N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数，Ia为入射角效应改正后的回波强度，d为所述距离，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第二多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。
7.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述回波强度改正模型的公式为：
其中，Ic为改正后回波强度数据，ds为参考距离，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数、N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数、I为实测回波强度数据、θ为实测入射角、d为实测距离。
8.根据权利要求1所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述步骤1中，所述面状的材料目标的外径为10-15厘米，所述面状的材料目标的形状为方形或矩形或圆形。
9.根据权利要求1所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述步骤1中，扫描过程中的所述入射角以预设步长从0°转至90°，所述预设步长设置为5°-10°。
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