CN112365602B - 一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法，本发明涉及基于激光点云的路面三维重构误差计算方法。本发明的目的是为了解决现有地面三维扫描仪对路面扫描及建模整个过程中存在误差，导致对路面表面三维测量精确性低的问题。过程为：一、三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；二、确定模型重构过程中的误差；二一、确定模型重构过程中的点云配准误差；二二、确定模型重构过程中的点云去噪误差；二三、确定三角构网误差；二四、确定曲面重构误差；三、计算路面三维重构总误差。本发明用于路面三维重构误差计算领域。

Description

一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法

技术领域

本发明涉及基于激光点云的路面三维重构误差计算方法。

背景技术

为了更好地评价各种病害，路表三维数据的检测显得尤为重要，且评价的愈加精准性要求检测手段精细化，显然传统的检测工具诸如点激光、线激光等皆达不到要求。而三维激光扫描技术因其高密度、高效率、高精度、全自动、不接触测量等特点，已逐渐成为地理测绘、机械加工、土木工程等领域计量技术革新的载体工具。运用三维激光扫描技术，获取大量的路表点云数据，建立路面的数字高程模型DEM，继而可以分析路表模型，评价路面使用状况。

三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，经点云预处理和后处理的各个过程，重构得到了路表空间曲面整个过程如图2所示。从测量到处理到重构曲面，这中间的多个过程均会引起重构曲面与原路面表面之间的误差，按照误差的形成过程，将误差分为三维扫描过程中的误差和模型重构过程中的误差。整个过程中的误差的累计，会影响到路表三维重构的精确性，因此需要计算各个过程中的误差，从而把握整个过程中的误差，并与现有规范要求的误差范围做对比，进而进行修正等处理。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有地面三维扫描仪对路面扫描及建模整个过程中存在误差，导致对路面表面三维测量精确性低的问题，而提出一种基于激光点云的路面三维重构误差的计算方法。

一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法具体过程为：

步骤一、三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，三维激光扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；

步骤二、确定模型重构过程中的误差；具体过程为：

步骤二一、确定模型重构过程中的点云配准误差；

步骤二二、确定模型重构过程中的点云去噪误差；

步骤二三、确定三角构网误差；

步骤二四、确定曲面重构误差；

步骤三、计算路面三维重构总误差。

本发明的有益效果为：

在确定扫描仪测距精度及测角精度的前提下，根据Timble TX8激光扫描仪的测量原理，确定其误差主要来源于仪器的测距和测角的系统误差，再结合实际测量过程，得到不同测距范围的测量点位误差。

明确模型重构过程中的误差为对扫描仪所测的原始点云数据的预处理和后处理各个阶段的误差，主要包括点云配准误差、点云去噪误差、三角构网误差和曲面重构误差。

将点云获取到曲面重构整个过程的误差进行累积，得到路面三维重构总误差。其包含5个环节的误差，分别为扫描仪误差、点云配准误差、点云去噪误差、三角构网误差及曲面重构误差；总误差反映了路面表面到虚拟曲面的数据高程偏离状况，作为后续路面状况指标评价的误差来源，可根据指标误差的不同要求，通过优化曲面重构过程来调整和降低误差，提高对路面表面三维测量精确性。

通过对Trimble TX8地面三维扫描仪扫描和后续建模的各个过程中的误差的计算分析，验证了其对应用于路面表面三维测量领域的精确性，并对后续误差的修正及消除提供了理论计算基础。

附图说明

图1为本发明流程图

图2为路面三维重构整个过程图；

图3为坐标测量原理图；

图4为点云去噪前后偏差对比图；

图5为三角构网前后偏差对比图；

图6为NURBS曲面重构前后偏差对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法具体过程为：

步骤一、三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，三维激光扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；

步骤二、确定模型重构过程中的误差；具体过程为：

明确模型重构过程中的误差为对扫描仪所测的原始点云数据的预处理和后处理各个阶段的误差，主要包括点云配准误差、点云去噪误差、三角构网误差和曲面重构误差。

步骤二一、确定模型重构过程中的点云配准误差；

步骤二二、确定模型重构过程中的点云去噪误差；

步骤二三、确定三角构网误差；

步骤二四、确定曲面重构误差；

步骤三、计算路面三维重构总误差。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，三维激光扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；具体过程为：

在确定扫描仪测距精度及测角精度的前提下，根据Timble TX8激光扫描仪的测量原理，确定其误差主要来源于仪器的测距和测角的系统误差，再结合实际测量过程，得到不同测距范围的测量点位误差。

根据三维激光扫描仪的测量原理(如图3)，三维激光扫描仪对目标对象的测量采用极坐标方式，通过公式(1)转化为三维直角坐标；

被测目标三维坐标值P(X_P,Y_P,Z_P)的计算公式为：

式中，h为扫描仪架设高度，S为仪器与扫描点间斜距，单位为mm；β为激光束竖直方向角，单位为°；α为激光束水平方向角，单位为°；X_P为被测目标在三维直角坐标系X轴的坐标值；Y_P为被测目标在三维直角坐标系Y轴的坐标值；Z_P为被测目标在三维直角坐标系Z轴的坐标值；

对扫描仪测量点位的坐标的理论精度进行推导，有：

sinβ＝h/S

则扫描仪点位误差m_P为：

式中，m_X为测量时在X轴方向的测长误差，单位mm；m_Y为测量时在Y轴方向的测长误差，单位mm；m_Z为测量时在Z轴方向的测长误差，也叫高程误差，单位mm；m_S为测量时在斜距s方向的测长误差，单位mm；m_α为测量时在水平方向的测角误差(水平角的中误差)，单位″；m_β为测量时在竖直方向的测角误差(俯仰角的中误差)，单位″；ρ为1弧度对应的秒值，为206265；

对于路面的三维扫描误差，主要考虑扫描点位误差和高程误差。在实际测量过程中，由于扫描时扫描仪正常工作，将测距中误差定为扫描仪的理论测距精度，测角中误差定为扫描仪的理论测角精度，然后确定扫描仪的架设高度，通过计算得到扫描仪测量点位误差和高程误差。

确定三维扫描过程中路面表面引起的误差；具体过程为：

首先明确激光扫描仪的测距主要依赖于被测对象的反射激光信号。而测对象表面的反射特性的差异，会影响反射激光信号的强度和信息保留量，进而导致误差的出现。对于沥青路面表面，其反射面倾斜、表面粗糙度和反射特性等均会影响到测距精度。

对于这部分的误差，不同的路面构造及测量手法会造成不同的误差大小，但总的来说，可以采用多站多向分块扫描的测量方法和技巧加以消除。

确定三维扫描过程中测量环境引起的误差；具体过程为：

明确环境误差的主要来源为温湿度及气压、风力及大气的折射效应。对于这部分的误差，由于扫描仪扫描路面过程中，始终处于正常工作状态，环境误差在容许误差范围内，且在扫描仪校准时就加以纠正，因此不做误差计算分析。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二一中确定点云配准误差；具体过程为：

明确点云配准借助Trimble RealWorks软件，其方法为基于最近点迭代(ICP)算法的无目标全自动配准，即利用距离平方和的目标函数实现结果的单调收敛性。根据TrimbleRealWorks软件生成的路表点云配准报告，得到配准前后总体点云间误差ε_配。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤二二中确定模型重构过程中的点云去噪误差；具体过程为：

利用Geomagic Studio软件对点云数据处理前后的点进行偏差分析。偏差分析的具体过程为如下步骤：

1)Geomagic Studio软件对配准分割处理后的点云中的每个点进行小范围多区域高精度自由曲面拟合，设拟合出的自由曲面为T；

2)设点云去噪处理前的点Q(X_Q,Y_Q,Z_Q)(点是扫描仪在路面上扫的，然后扫完了是点云数据，即非常多的点的数据集。之后把这些点用软件进行各种处理，就得到了电脑上显示的路面，也就是路面表面模型。)在自由曲面T上的投影点为P(X_P,Y_P,Z_P)，则点Q到点P的距离为：

其中i＝1,2,…,n，n为测量点数；

3)由于最大距离、平均距离、距离标准差等都可作为精度指标，但一般采用点到曲面T的距离的标准差作为精度指标，如公式(5)所示：

利用Geomagic Studio软件可以自动获取点云去噪前后的偏差分析结果，取点到曲面T的距离的标准差δ作为去噪误差ε_噪，如图4所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤二三中确定三角构网误差；具体过程为：

设三角构网后的不规则三角网为V，三角构网前的点A(X_A,Y_A,Z_A)在V上的投影点为B(X_B,Y_B,Z_B)，则点A到点B的距离为：

其中i′＝1,2,…,n′，n′为构网点数；

三角构网前后点云距离的标准差公式为：

同样，利用Geomagic Studio软件自动获取的点云三角构网前后的偏差分析结果，取三角构网前后点云距离的标准差作为三角构网误差ε_网，如图5所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤二四中确定曲面重构误差；具体过程为：

明确从不规则三角网模型到NURBS曲面模型，采用精确曲面的拟合误差来衡量曲面重构的质量。其求解过程为求不规则三角网模型的数据点到对应的NURBS曲面的距离的标准差，具体如下：

设三角构网后的不规则三角网V中点为B(X_B,Y_B,Z_B)，其在生成的曲面模型S(曲面模型S是曲面模型最终建立时的模型，也可以叫NURBS曲面模型，是对三角构网(也叫点云封装)后的模型进行NURBS曲面拟合得到的。)中的投影点为C(X_C,Y_C,Z_C)，则点B到点C的距离为：

其中i″＝1,2,…,n″，n″为投影点点数；

曲面重构前后的距离的标准差公式为：

利用Geomagic Studio软件自动获取的NURBS曲面重构前后偏差分析结果可以得到曲面重构前后的标准偏差，曲面重构前后的距离的标准差作为曲面重构的误差ε_曲，如图6所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤三中计算路面三维重构总误差；具体过程为：

将点云获取到曲面重构整个过程的误差进行累积，得到路面三维重构总误差。其包含5个环节的误差，分别为扫描仪误差、点云配准误差、点云去噪误差、三角构网误差及曲面重构误差，误差的传递累积过程计算式为：

ε_总＝f(ε_仪+ε_配+ε_噪+ε_网+ε_曲)

将各项误差的均方根作为总误差，则重构总误差为：

式中，ε_总为路面三维重构总误差；ε_仪为扫描仪误差；ε_配为点云配准误差；ε_噪为点云去噪误差；ε_网为三角构网误差；ε_曲为曲面重构误差。

总误差反映了路面表面到虚拟曲面的数据高程偏离状况，作为后续路面状况指标评价的误差来源，可根据指标误差的不同要求，通过优化曲面重构过程来调整和降低误差。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一、三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，三维激光扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；

步骤二、确定模型重构过程中的误差；具体过程为：

步骤二一、确定模型重构过程中的点云配准误差；

步骤二二、确定模型重构过程中的点云去噪误差；

步骤二三、确定三角构网误差；

步骤二四、确定曲面重构误差；

步骤三、计算路面三维重构总误差；

所述步骤一中三维激光扫描仪对所选路段的路面表面进行激光测距，得到了原始的路表点云数据，确定三维激光扫描仪误差，三维激光扫描仪误差为扫描仪扫描过程中的扫描仪点位误差和高程误差；具体过程为：

根据三维激光扫描仪的测量原理，三维激光扫描仪对目标对象的测量采用极坐标方式，通过公式(1)转化为三维直角坐标；

被测目标三维坐标值P(X_P,Y_P,Z_P)的计算公式为：

式中，S为仪器与扫描点间斜距，单位为mm；β为激光束竖直方向角，单位为°；α为激光束水平方向角，单位为°；X_P为被测目标在三维直角坐标系X轴的坐标值；Y_P为被测目标在三维直角坐标系Y轴的坐标值；Z_P为被测目标在三维直角坐标系Z轴的坐标值；

对扫描仪测量点位的坐标的理论精度进行推导，有：

sinβ＝h/S

则扫描仪点位误差m_P为：

式中，m_X为测量时在X轴方向的测长误差，单位mm；m_Y为测量时在Y轴方向的测长误差，单位mm；m_Z为测量时在Z轴方向的测长误差，也叫高程误差，单位mm；m_S为测量时在斜距s方向的测长误差，单位mm；m_α为测量时在水平方向的测角误差，单位″；m_β为测量时在竖直方向的测角误差，单位″；ρ为1弧度对应的秒值，为206265；h为扫描仪架设高度；

所述步骤二一中确定点云配准误差；具体过程为：

根据Trimble RealWorks软件生成的路表点云配准报告，得到配准前后总体点云间误差ε_配；

所述步骤二二中确定模型重构过程中的点云去噪误差；具体过程为：

1)Geomagic Studio软件对配准分割处理后的点云中的每个点进行自由曲面拟合，设拟合出的自由曲面为T；

2)设点云去噪处理前的点Q(X_Q,Y_Q,Z_Q)在自由曲面T上的投影点为P(X_P,Y_P,Z_P)，则点Q到点P的距离为：

其中i＝1,2,…,n，n为测量点数；

3)采用点到曲面T的距离的标准差作为精度指标，如公式(5)所示：

取点到曲面T的距离的标准差δ作为去噪误差ε_噪；

所述步骤二三中确定三角构网误差；具体过程为：

设三角构网后的不规则三角网为V，三角构网前的点A(X_A,Y_A,Z_A)在V上的投影点为B(X_B,Y_B,Z_B)，则点A到点B的距离为：

其中i′＝1,2,…,n′，n′为构网点数；

三角构网前后点云距离的标准差公式为：

取三角构网前后点云距离的标准差作为三角构网误差ε_网；

所述步骤二四中确定曲面重构误差；具体过程为：

设三角构网后的不规则三角网V中点为B(X_B,Y_B,Z_B)，其在生成的曲面模型S中的投影点为C(X_C,Y_C,Z_C)，则点B到点C的距离为：

其中i″＝1,2,…,n″，n″为投影点点数；

曲面重构前后的距离的标准差公式为：

曲面重构前后的距离的标准差作为曲面重构的误差ε_曲。

2.根据权利要求1所述一种基于激光点云的路面三维重构误差计算方法，其特征在于：所述步骤三中计算路面三维重构总误差；具体过程为：

将各项误差的均方根作为总误差，则重构总误差为：

式中，ε_总为路面三维重构总误差；ε_仪为扫描仪误差；ε_配为点云配准误差；ε_噪为点云去噪误差；ε_网为三角构网误差；ε_曲为曲面重构误差。

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