CN111707235A - 一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法 - Google Patents

一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法 Download PDF

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李智明
郭忠平
邱清清
徐伟锋
陈桥驿
刘会云
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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法，包括通过激光扫描系统获取基于统一时间基准的被测地物的三维激光扫描数据和影像采集数据；结合所述激光扫描系统自身的定位数据、姿态数据，对所述三维激光扫描数据、所述影像采集数据进行联合解算，得到被测地物的三维点云数据；利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型；基于所述可见部分的模型数据，采用拟合算法反演被测地物的不可见部分的模型。本发明实施例通过采用三维激光移动测量得到的数据对可见部分进行自动化建模，并以此为基础对不可见部分进行几何参数的高精度反演，从而实现隐蔽地物的有效测量，且工作难度较低，测量效率较高。

Description

一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，尤其是涉及一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法及系统。
背景技术
随着我国经济的高速发展，社会生产和基础建设日新月异，测量技术也迎来了前所未有的发展机遇，空天地海一体化多维度测量、多测合一等需求日益扩大。传统测量方法主要有以下手段：
人工测量方式，通过操作人员使用水准仪、经纬仪、全站仪、GNSS等测量设备进行实地测量，这种方式主要用于稀疏目标点的测量，不仅工作量大，而且受天气影响严重，导致测量效率低下、数据更新率慢；
基于手扶跟踪数字化和扫描矢量化方法实现数字化纸质图件，但这种手段的速度慢、劳动强度大，而且矢量化的自动化程度不高，现势性不佳；
采用摄影测量手段获取大量现势性较强的空间数据信息，虽然能够较少的受到气候、地理等条件限制，测量效率高，信息丰富，经济效益好，产品形式多样，但是这种手段需判读，不能采集与摄影方向相平行的地物之属性，难以采集细小地物属性，而且作业流程较为复杂。
若是采用上述传统测量方法，在应对如对地下空间、水下建(构)筑物、桥梁、矿山、隧道、矿洞等隐蔽环境改建工程开发与利用等特殊环境的测量需求时，存在着控制网布设困难、精度控制相对复杂、工作难度大、工作效率低等问题，并且传统测量方法的测量成果一般为二维平面数据，三维表达较为困难。因此，亟需探索新的测量设备和技术方法手段以克服现有技术存在的问题。
发明内容
本发明提供一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法及系统，以解决现有技术难以有效测量隐蔽地物的技术问题，通过采用三维激光移动测量得到的数据对可见部分进行自动化建模，并以此为基础对不可见部分进行几何参数的高精度反演，从而实现隐蔽地物的有效测量，且工作难度较低，测量效率较高。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法，包括：
通过激光扫描系统获取基于统一时间基准的被测地物的三维激光扫描数据和影像采集数据；
结合所述激光扫描系统自身的定位数据、姿态数据，对所述三维激光扫描数据、所述影像采集数据进行联合解算，得到被测地物的三维点云数据；
利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型；
基于所述可见部分的模型数据，采用拟合算法反演被测地物的不可见部分的模型。
在本发明的其中一种实施例中，所述利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，具体为：
基于Matlab仿真建模软件，利用曲面拟合算法对预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型。
在本发明的其中一种实施例中，所述基于Matlab仿真建模软件，利用曲面拟合算法对预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，包括步骤：
设立被测地物模型的基本参数；
根据所述基本参数和所述三维点云数据的三维坐标建立优化函数；
利用高斯牛顿迭代法对所述优化函数进行优化求解；
当迭代次数超过预设的迭代次数阈值或迭代参数低于预设的参数改变阈值时，终止迭代并基于抗差总体最小二乘法拟合技术拟合生成被测地物的可见部分的模型。
在本发明的其中一种实施例中，所述预处理为用于去除测量噪声、遮挡物影响的数据滤波去噪处理。
在本发明的其中一种实施例中，所述激光扫描系统包括：
三维激光扫描子系统、影像采集子系统、导航定位定姿定向子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统。
在本发明的其中一种实施例中，所述三维激光扫描子系统至少包括高精度三维激光扫描测量仪。
在本发明的其中一种实施例中，所述影像采集子系统至少包括影像采集控制器、4台高清晰数码相机。
在本发明的其中一种实施例中，所述导航定位定姿定向子系统至少包括GNSS设备、IMU设备。
在本发明的其中一种实施例中，集成控制与数据采集子系统至少包括计算机、同步控制器和电源，所述同步控制器为所述激光扫描系统提供统一的时间基准。
在本发明的其中一种实施例中，所述数据处理与应用子系统至少用于激光点云数据处理、影像拼接及内外方位参数检校、影像与点云配准融合、集成影像激光点云数据的地形测图、航道街景发布。
综上，本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例提供了一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法，包括通过激光扫描系统获取基于统一时间基准的被测地物的三维激光扫描数据和影像采集数据；结合所述激光扫描系统自身的定位数据、姿态数据，对所述三维激光扫描数据、所述影像采集数据进行联合解算，得到被测地物的三维点云数据；利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型；基于所述可见部分的模型数据，采用拟合算法反演被测地物的不可见部分的模型。通过多传感器集成控制与数据联合处理、结合POS集成高精度定位定姿技术，实现被测地物的规则体的可量测部分自动化建模和规则体不可见部分几何参数高精度反演，对不可见部分的测量并根据物体几何特性推算不可见部分位置、姿态的问题，为建筑物的改建或特殊工程建造带来新的解决方案。使得被测地物在不开挖的情况下，可以精确获取不可见部分的位置，为设计、建设带来了新的测量方法，开创了特殊建筑等改建的新方法，并为地物测量领域的测量需求带来了简单、快速的解决方案，能够有效应用于传统的测量方法无法顺利开展的在特殊环境的测量需求中，例如对地下空间、水下建(构)筑物、桥梁、矿山、隧道、矿洞等隐蔽环境改建工程开发与利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的基于三维激光扫描技术的地物测量方法的流程图；
图2是本发明实施例中的基于三维激光扫描技术的地物测量方法的流程图；
图3是本发明实施例中的圆柱体模型的基本参数的示意图；
图4是本发明实施例中的激光扫描系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明能够应用于传统的测量方法无法顺利开展的在特殊环境的测量需求中，例如对地下空间、水下建(构)筑物、桥梁、矿山、隧道、矿洞等隐蔽环境改建工程开发与利用，解决现有技术无法对不可见部分的测量并根据物体几何特性推算不可见部分位置、姿态的问题。
本发明是一种基于高精度移动测量系统获取困难地区可见部分三维地物，通过对可见部分自动化建模，以此为基础进行不可见部分的几何参数高精度反演的技术方案，主要包括：
1、硬件平台搭建
所述激光扫描系统如图4所示，包括：三维激光扫描子系统1、影像采集子系统2、导航定位定姿定向子系统3、集成控制与数据采集子系统4、数据处理与应用子系统5等。其中，
(1)所述三维激光扫描子系统1至少包括高精度三维激光扫描测量仪，可由1台高精度三维激光扫描测量仪与相应的数据采集软件组成，为系统提供可量测的高密度三维激光点云数据。
(2)所述影像采集子系统2至少包括影像采集控制器、4台高清晰数码相机，可由4台高清晰数码相机、采集控制与相应的数据采集软件组成，为系统提供360 度高清晰全景影像数据。
(3)所述导航定位定姿定向子系统3至少包括GNSS设备、IMU设备。由 GNSS、IMU等设备与相应的数据采集软件组成，为三维激光扫描系统和全景相机提供精确位置信息与姿态信息。
GNSS与IMU组合使用，简称POS系统，用于获取传感器稳定平台实时的位置和姿态信息(横滚角、俯仰角、航偏角)，联合三维激光扫描数据，求出每个目标点的地理坐标。
(4)集成控制与数据采集子系统4至少包括计算机、同步控制器和电源，所述同步控制器为所述激光扫描系统提供统一的时间基准，各数据采集软件安装在嵌入式机上，电源为各个设备供电。
其中，同步控制器/同步控制系统是三维激光扫描数据采集系统的中枢系统和指挥控制系统，在三维激光扫描数据采集系统建立统一的时空基准的同时，协调、指挥和控制着所有传感器、数据采集板卡及计算机。本发明实施例通过一个时间板实现传感器数据的同步记录，时间板有一个高精度的授时单元，通过GNSS获取绝对时刻，并与GNSS PPS相结合，从而达到高精度的时间同步。从而使得在统一同步控制系统下，将三维激光扫描仪、CCD相机、GNSS/IMU以及工业控制计算机集成到平台上。
(5)所述数据处理与应用子系统5至少用于激光点云数据处理、影像拼接及内外方位参数检校、影像与点云配准融合、集成影像激光点云数据的地形测图、航道街景发布等应用服务。
本发明的硬件方面通过点云数据、定姿定位数据采集，集成控制系统为整套系统提供统一控制，数据采集子系统、数据处理与应用子系统5等为后续的数据处理提供条件，利用多传感器数据融合处理技术，实现GNSS与惯导数据处理、三维激光数据时空配准、三维激光点云数据滤波去噪。
2、软件开发
本发明利用matlab实现对规则体可见部分点云数据的自动拟合以及不可见部分的自动反演，通过软件实现曲面拟合以及反演的原理与算法，通过已知点云数据，得到规则体的三维模型并反演出不可见部分的参数和相应数据分析。实现可在PC机上根据已知点云数据反演出规则体不可见部分数据方法。具体为：
(1)规则体的可量测部分自动化建模
在实现了对点云数据时间、空间配准以及滤波去噪的数据预处理前提下，采用了一种在RANSAC去噪基础上的基于抗差总体最小二乘法拟合技术，将其应用于规则曲面上，拟合可见部分的模型。
(2)规则体不可见部分几何参数高精度反演
根据上一步拟合出来的模型数据，根据算法反演出不可见部分的几何参数，并进行相应误差分析。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法，包括：
S10，通过激光扫描系统获取基于统一时间基准的被测地物的三维激光扫描数据和影像采集数据；
S20，结合所述激光扫描系统自身的定位数据、姿态数据，对所述三维激光扫描数据、所述影像采集数据进行联合解算，得到被测地物的三维点云数据；
S30，利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型；其中，所述预处理为用于去除测量噪声、遮挡物影响的数据滤波去噪处理。
在本发明的其中一种实施例中，所述利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，具体为：
基于Matlab仿真建模软件，利用曲面拟合算法对预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，步骤如图2所示，具体包括：
S31，设立被测地物模型的基本参数；
S32，根据所述基本参数和所述三维点云数据的三维坐标建立优化函数；
S33，利用高斯牛顿迭代法对所述优化函数进行优化求解；
S34，当迭代次数超过预设的迭代次数阈值或迭代参数低于预设的参数改变阈值时，终止迭代并基于抗差总体最小二乘法拟合技术拟合生成被测地物的可见部分的模型。
S40，基于所述可见部分的模型数据，采用拟合算法反演被测地物的不可见部分的模型。
在本发明实施例中，为便于理解，下面以圆柱面自动化建模和高精度反演不可见部分几何参数模型：
本发明主要是利用matlab实现规则体点云数据的拟合，以及根据拟合出来的规则体模型数据反演出不可见部分的几何参数，其核心功能模块主要包括2个部分：
(1)规则体的拟合，利用曲面拟合算法，通过软件实现输入采集的点云数据，得到相应模型数据；
(2)不可见部分反演，拟合出来的模型数据，根据算法反演出不可见部分的参数，并进行相应误差分析。具体实现方式如下：
①参数设定。
如图3所示，设立圆柱体模型的基本参数，包括基圆圆心(x0,y0,z0)、基圆半径r、圆柱柱面方向矢量(nx,ny,nz)。
②建立优化函数
f(X，Y，Z，x0,y0,z0，r，nx,ny,nz)＝0 (1)
其中，(X，Y，Z)为点云的三维坐标，优化函数的具体表达如下：
f(X，Y，Z，x0,y0,z0，r，nx,ny,nz)＝
R(X，Y，Z，x0,y0,z0，r，nx,ny,nz)-r
(2)
R为根据点坐标和其他六个模型参数计算的圆柱体基圆半径，进一步可以表示为：
Figure RE-GDA0002596424280000081
则dx、dy、dz分别为点(X，Y，Z)距离其所在截面圆心的三维坐标距离，计算公式如下：
dx＝x0+nxD-X
dy＝y0+nyD-Y (3)
dz＝z0+nzD-Z
其中D为(X，Y，Z)所在截面距离基圆界面的距离，计算如下：
D＝nx(X-x0)+ny(Y-y0)+nz(Z-z0)
(4)
③利用高斯牛顿迭代法进行优化求解
求算函数f对每个参数β{x0,y0,z0，r，nx,ny,nz}的偏导，建立雅可比矩阵J：
Figure RE-GDA0002596424280000082
其中，i代表第i个点云，j代表第j个参数，f为上面的优化函数。
设置初始参数β1，第s+1次迭代结果表示如下：
βs+1＝βs+(JTJ)-1JTf(βs)
其中，f(βs)为第S次迭代时优化函数的值。
④迭代终止
当迭代次数超过一定数量或者参数改变低于某个值(迭代次数和参数改变阈值可根据实际情况进行调整)，迭代终止。利用求解出来的圆柱体参数可解算水下部分信息。
基于上述建模，将圆柱面自动化建模并且通过模型高精度反演不可见部分几何参数。从原始的观测值计算出目标点的三维坐标的流程主要有以下步骤：
(1)根据GNSS/INS的定位定姿数据和扫描获取的扫描角度和距离进行联合解算，获得初始的圆柱体的三维点云数据；
(2)其次对三维点云数据数据进行滤波、去噪；
(3)最后通过拟合自动生成模型；利用自动生成的可见部分的模型，采用拟合算法高精度反演出不可见部分的几何参数。
作为示例性的，以南沙游轮码头改扩建项目为具体实施案例，具体如下：
1、船载三维激光测量系统搭建
在连接船体的钢化平台上，安装船载三维移动测量系统。
2、数据采集及数据预处理
1)在岸边已知控制点上架设GNSS基准站进行静态采集，设置基站采集时间间隔为1s，卫星截止高度角为10°，并保证在测量作业前5min开启基站设备；
2)在潮位较低的时候，采用HiScan-STM船载模式，对码头支撑水泥柱进行三维激光扫描，获取其点云数据；
3)获得点云数据之后，解算船载三维激光扫描系统的POS信息，最后输出高精度的轨迹数据；
4)引入系统检校参数，计算出点云数据的三维绝对坐标信息，融合后点云坐标系为WGS-84坐标。对数据进行滤波、去噪；同时根据预处理后点云数据计算出水泥柱的直径、倾角及柱尾端位置等几何参数。
3、模型拟合和几何参数反演
水上桥墩从原始的观测值(主要是船载DGPS/INS系统提供的传感器的姿态和激光扫描仪的扫描角度、距离信息)计算出每个桥墩中心点的三维坐标。
1)根据DGPS/INS的定位、定位定姿数据和影像获取的扫描角度和距离数据进行联合解算，获得初始的水上桥墩柱体的三维点云数据；
2)对数据进行滤波，去除测量噪声、遮挡物影响；
3)由水泥柱承载力反算出的水泥柱长度，拟合生成水泥柱的模型；
4)在上一步骤3)基础上反演获取得柱体在水下的空间几何数据。
基于上述的硬件平台设计和软件开发，本发明实施例具有如下有益效果：
1、能够产生三维数据成果，成果更具使用价值；
2、非接触性测量，降低在隐蔽环境、地下空间、水下空间等条件下作业难度；
3、对不可见部分反演推算精度高，避免开挖爆破等造成的资源浪费；
4、为常规方法无法对地下、水下、矿洞、油罐、反应池的环境下的测绘提供了解决办法，为类似的工程建设提供技术支撑。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，包括：
通过激光扫描系统获取基于统一时间基准的被测地物的三维激光扫描数据和影像采集数据；
结合所述激光扫描系统自身的定位数据、姿态数据，对所述三维激光扫描数据、所述影像采集数据进行联合解算，得到被测地物的三维点云数据；
利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型；
基于所述可见部分的模型数据，采用拟合算法反演被测地物的不可见部分的模型。
2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述利用仿真建模软件根据预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，具体为：
基于Matlab仿真建模软件，利用曲面拟合算法对预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型。
3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述基于Matlab仿真建模软件，利用曲面拟合算法对预处理后的所述三维点云数据拟合生成被测地物的可见部分的模型，包括步骤：
设立被测地物模型的基本参数；
根据所述基本参数和所述三维点云数据的三维坐标建立优化函数；
利用高斯牛顿迭代法对所述优化函数进行优化求解；
当迭代次数超过预设的迭代次数阈值或迭代参数低于预设的参数改变阈值时，终止迭代并基于抗差总体最小二乘法拟合技术拟合生成被测地物的可见部分的模型。
4.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述预处理为用于去除测量噪声、遮挡物影响的数据滤波去噪处理。
5.如权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述激光扫描系统包括：
三维激光扫描子系统、影像采集子系统、导航定位定姿定向子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统。
6.如权利要求5所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述三维激光扫描子系统至少包括高精度三维激光扫描测量仪。
7.如权利要求5所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述影像采集子系统至少包括影像采集控制器、高清晰数码相机。
8.如权利要求5所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述导航定位定姿定向子系统至少包括GNSS设备、IMU设备。
9.如权利要求5所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，集成控制与数据采集子系统至少包括计算机、同步控制器和电源，所述同步控制器为所述激光扫描系统提供统一的时间基准。
10.如权利要求5所述的基于三维激光扫描技术的地物测量方法，其特征在于，所述数据处理与应用子系统至少用于激光点云数据处理、影像拼接及内外方位参数检校、影像与点云配准融合、集成影像激光点云数据的地形测图、航道街景发布。
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