CN113238202B - 光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法及其应用，其步骤为：将WGS‑84坐标历元及坐标框架转换变为CGCS2000坐标历元及坐标框架；获取激光脚点在WGS‑84坐标系下的坐标、WGS‑84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量和旋转矩阵、GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵、飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角、激光脚点在本体坐标系下的坐标；求得激光脚点在CGCS2000坐标系下的坐标。本发明实现了从原始的激光雷达观测数据、整合POS系统的定姿定位数据，到CGCS2000坐标系点云测绘成果输出的全过程，极大地简化数据处理过程。

Description

光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法及其应用
技术领域
本发明属于海洋测绘技术领域，涉及一种光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法及其应用，特别涉及一种轻小型光子激光雷达三维成像系统的CGCS2000坐标系点云计算方法(将WGS84坐标转换为CGCS2000坐标)及其应用。
背景技术
激光雷达是一种集激光测距技术、定位定姿态技术于一体的主动式遥感观测技术，采用激光器发射532nm波长脉冲至水下探测目标，信号探测器接收由水面或水底反射而成的回波信号，集成定姿定位系统(Position and Orientation System，POS)为回波信号提供三维空间定位信息，完成水下目标探测探、识别、定位过程。
海水对光具有强烈的吸收、反射、散射作用，极大损耗到达水底的激光能量，导致水底弱回波信号难以识别探测。浅海海域、远海岛礁等水深浅、暗礁密布、潮差大等潜在危险区域不宜人力测量测绘。海洋环境复杂测绘难度大要求激光雷达研制不断发展和改进。
轻小型光子计数激光雷达系统采用单光子探测器探测回波信号，探测器高灵敏度特性在水下目标弱回波信号探测具有潜在优势。高重频激光器结合卵形电机扫描结构，可快速获测量大面积海域，提高测量效率。同时，光子激光雷轻载荷，搭载于无人机上可达测绘难度达海域高空作业，在复杂海域具有极大的测量优势。
光子激光三维成像系统集成的POS系统定位数据采用WGS 84坐标框架，意味着从原始的激光雷达观测数据采集到能反映地物形态的三维点云数据的数据解算过程是基于WGS84坐标框架完成的。然而自2008年起，我国全面启用2000国家大地坐标系(ChinaGeodetic Coordinate System 2000,CGSC2000)。为使单光子激光雷达系统测绘成果满足我国测绘行业应用的高精度测绘地理信息服务要求，存在将激光雷达点云数据的WGS84转换到CGCS2000坐标框架问题。
因此，开发一种能够将光子激光雷达点云数据的WGS84转换到CGCS2000坐标框架并由光子激光雷达观测数据处理得到CGCS2000坐标系点云的方法极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术无法直接实现激光雷达点云数据的WGS84坐标快速转换到CGCS2000坐标框架的缺陷，提供一种能够将激光雷达点云数据的WGS84转换到CGCS2000坐标框架并由激光雷达观测数据处理得到CGCS2000坐标系点云的方法，也是一种单光子激光雷达三维成像系统CGCS2000坐标系点云计算方法，其实现从原始的激光雷达观测数据、整合POS系统定姿定位数据，到CGCS2000坐标系点云测绘成果输出的全过程，为后续利用点云数据生成符合国家现行测量标准的测绘产品如DSM、DEM等，简化数据利用操作，提高工作的效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，应用于电子设备，所述激光雷达三维成像系统包括安装在飞行平台上的激光雷达，其包括以下步骤：
(1)将WGS-84坐标历元及坐标框架转换变为CGCS2000坐标历元及坐标框架；
(2)获取激光脚点在WGS-84坐标系下的坐标、WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量和旋转矩阵、GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵、飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角、激光脚点在本体坐标系下的坐标；
(3)根据以上公式求得激光脚点在CGCS2000坐标系下的坐标；
其中，表示激光脚点在CGCS2000坐标系下坐标；(T1,T2,T3)T表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量；R(D,R)表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的旋转矩阵，D、R分别表示尺度因子和旋转量；R(B,L)表示GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵，/>表示飞行平台的航向、俯仰、横滚姿态角旋转矩阵，ω、ψ、κ分别为飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角，/>表示激光脚点在传感器坐标系中的坐标，(△X,△Y,△Z)为安置偏心量，/>为安置角度量，L表示斜距，(x(α),y(α),z(α))T表示本体坐标系下的坐标，x、y、z坐标是α的函数，α是光子激光雷达的扫描角。
本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，根据POS定位数据特点，利用ITRF网站提供的框架转换参数，解决WGS-84到CGCS20000坐标系的定位数据坐标转换问题，实现了从原始的激光雷达观测数据、整合POS系统定姿定位数据，到CGCS2000坐标系点云测绘成果输出的全过程，极大地简化数据处理过程，通过应用本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法可以利用点云数据生成符合国家现行测量标准的测绘产品如DSM、DEM等，简化数据利用操作，提高工作的效率，极具应用前景。
在上述光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法中，主要涉及到以下四种坐标系，下面分别对其进行介绍：
(I)本体坐标系
激光测距系统采用卵形扫描机械结构，电机旋转轴与水平线成45°，与码盘刚性连接的反射镜与电机旋转轴垂线成7.5°。激光器发射激光经过反射镜中心反射至地面形成激光脚点。电机旋转轴带动反射镜旋转(旋转的角度由码盘记录)使得激光脚点在地面形成卵形扫描线。
定义本体坐标系，以描述激光脚点与反射镜中心的空间位置关系，本发明中本体坐标系的原点定义为激光雷达扫描反射镜中心，X轴指向出射激光的负方向，Y轴指向飞行方向，Z轴垂直向上，构建右手坐标系，如图1所示。
(II)IMU惯导坐标系
IMU惯导坐标系的原点位于惯导中心，X轴指向飞行方向，Y轴指向右侧机翼，Z轴垂直向下，构建右手坐标系，如图2所示。
由于激光测距系统与POS系统在安装时必然存在系统偏差，表现为本体坐标系与IMU惯导坐标系定义的原点中心和坐标轴指向不同，两坐标轴偏移量成为偏心分量，坐标轴指向不同产生的偏转角称为安置角，应用如下公式进行安置偏差的修正。
(III)WGS-84坐标系
WGS-84坐标系的原点是地球的质心，X轴指向格林尼治子午线与地球赤道的交点，Z轴指向地球北极，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。GPS定位通常以WGS-84椭球为基准。飞行平台姿态角的俯仰角Phi、侧滚角Omega和航偏角Kappa构成旋转矩阵，描述了IMU惯导坐标系与WGS-84坐标系转换关系。IMU惯导坐标系首先绕Z轴旋转Kappa角，其次绕Y轴旋转Omega角，最后绕X轴旋转Kappa角即可与WGS-84坐标系重合。
(IV)CGCS2000坐标系
CGCS2000为右手地固坐标系，原点和轴向的定义是：原点在地球的质量中心；Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面(历元2000.0)的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。当然以上坐标系的具体设定本领域技术人员可根据实际情况进行调整，本发明仅给出一种可行的设定方案而已。
作为优选的技术方案：
如上所述的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，步骤(1)的具体转换公式如下：
WGS-84系统在最近的2012年2月8日完成精化，记为WGS-84(G1674),根据ITRF官网，WGS-84(G1674)与ITRF2008在厘米级精度上认为一致(https://itrf.ign.fr/trans_para.php)。即，WGS-84(G1674)与ITRF2008在历元2005.0处一致。CGCS2000坐标框架属于ITRF97框架、2000.0历元、三维地心坐标系统。
综上，WGS-84与CGCS2000坐标框架转换变为ITRF2008与ITRF1997坐标框架转换。因此，将GPS测量结果以CGCS2000坐标框架形式输出的方法是，首先，将GPS定位方法测量的坐标转换至ITFR2008框架、历元下的坐标。然后，根据ITRF官网下框架转换参数将ITRF2008框架转换至ITRF97框架。
(a)转换历元
其中，表示在ITRF2008框架、历元t＝2000.0下的坐标，(X,Y,Z)ITTRF2008表示在WGS-84坐标框架、在历元T下的坐标，即GPS定位方法下的当时历元测量结果，表示两历元间坐标转换速率。
(b)转换框架
其中，表示CGCS2000坐标框架、在历元t下的坐标结果。T1,T2,T3为3个平移量，D为尺度因子，R1,R2,R3为3个旋转量，T、D、R具体数值可根据IERS网站公布框架转换参数文件查得(https://itrf.ign.fr/doc_ITRF/Transfo-ITRF2008_ITRFs.txt)。
此外，本发明还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器、一个或多个程序及获取飞行平台及激光雷达的相关数据的数据获取设备；
所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述电子设备执行如上所述的激光雷达三维成像系统的坐标系点云计算方法。
有益效果：
(1)本发明的激光雷达三维成像系统的坐标系点云计算方法，据POS定位数据特点，利用ITRF网站提供的框架转换参数，解决WGS-84到CGCS20000坐标系的定位数据坐标转换问题；
(2)本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，实现了从原始的激光雷达观测数据、整合POS系统定姿定位数据，到CGCS2000坐标系点云测绘成果输出的全过程，极大地简化数据处理过程；
(3)本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，通过应用本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法可以利用点云数据生成符合国家现行测量标准的测绘产品如DSM、DEM等，简化数据利用操作，提高工作的效率，极具应用前景。
附图说明
图1为本体坐标系的示意图；
图2为IMU惯导坐标系的示意图；
图3为实施例1所获取的光子激光雷达测量点云数据的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述，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。
实施例1
光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，应用于电子设备，光子激光三维成像系统包括安装在飞行平台上的激光雷达，其包括以下步骤：
(1)将WGS-84坐标历元及坐标框架转换变为CGCS2000坐标历元及坐标框架，具体转换公式如下：
其中，表示在ITRF2008框架、在历元t下的坐标，/>表示在WGS-84坐标框架、在历元T下的坐标，/>表示历元t和历元T间坐标转换速率，表示在CGCS2000坐标框架、在历元t下的坐标结果，T1,T2,T3为3个平移量，D为尺度因子，R1,R2,R3为3个旋转量；
(2)获取激光脚点在WGS-84坐标系下的坐标、WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量和旋转矩阵、GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵、飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角、激光脚点在本体坐标系下的坐标；
(3)根据以上公式求得激光脚点在CGCS2000坐标系下的坐标；
其中，表示激光脚点在CGCS2000坐标系下坐标；(T1,T2,T3)T表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量；R(D,R)表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的旋转矩阵，D、R分别表示尺度因子和旋转量；R(B,L)表示GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵，/>表示飞行平台的航向、俯仰、横滚姿态角旋转矩阵，ω、ψ、κ分别为飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角，/>表示激光脚点在传感器坐标系中的坐标，(△X,△Y,△Z)为安置偏心量，/>为安置角度量，L表示斜距，(x(α),y(α),z(α))T表示本体坐标系下的坐标，x、y、z坐标是α的函数，α是光子激光雷达的扫描角。
上述实施例具体选取上海海洋大学校园无人机载的光子激光雷达测量点云数据作为CGCS2000点云算例，其如图3所示，位于校园内渔政号观景区，部分点云计算结果如表1所示。
表1点云算例两套坐标系的坐标
由此可见，本发明的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，实现了从原始的激光雷达观测数据、整合POS系统定姿定位数据，到CGCS2000坐标系点云测绘成果输出的全过程，极大地简化数据处理过程。通过进一步应用本发明的激光雷达三维成像系统的坐标系点云计算方法还可以利用点云数据生成符合国家现行测量标准的测绘产品如DSM、DEM等，简化数据利用操作，提高工作的效率，极具应用前景。
实施例2
一种电子设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器、一个或多个程序及获取飞行平台及激光雷达的相关数据的数据获取设备；
一个或多个程序被存储在存储器中，当一个或多个程序被处理器执行时，使得电子设备执行如实施例1所述的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (3)

1.光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，应用于电子设备，所述光子激光三维成像系统包括安装在飞行平台上的光子激光雷达，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将WGS-84坐标历元及坐标框架转换变为CGCS2000坐标历元及坐标框架；
(2)获取激光脚点在WGS-84坐标系下的坐标、WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移参量和旋转矩阵、GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵、飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角、激光脚点在本体坐标系下的坐标；
(3)根据以上公式求得激光脚点在CGCS2000坐标系下的坐标；
其中，表示激光脚点在CGCS2000坐标系下坐标；(T1,T2,T3)T表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的平移量；R(D,R)表示由WGS-84坐标框架转至CGCS2000坐标框架的旋转矩阵，D、R分别表示尺度因子和旋转量；R(B,L)表示GPS天线相位中心的经纬度旋转矩阵，/>表示飞行平台的航向、俯仰、横滚姿态角旋转矩阵，ω、ψ、κ分别为飞行平台的航向姿态角、俯仰姿态角和横滚姿态角，/>表示激光脚点在传感器坐标系中的坐标，(△X,△Y,△Z)为安置偏心量，/>为安置角度量，L表示斜距，(x(α),y(α),z(α))T表示本体坐标系下的坐标，x、y、z坐标是α的函数，α是光子激光雷达的扫描角。
2.根据权利要求1所述的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法，其特征在于，步骤(1)的具体转换公式如下：
其中，表示在ITRF2008框架、在历元t下的坐标，/>表示在WGS-84坐标框架、在历元T下的坐标，/>表示历元t和历元T间坐标转换速率，表示在CGCS2000坐标框架、在历元t下的坐标结果，T1,T2,T3为3个平移量，D为尺度因子，R1,R2,R3为3个旋转量。
3.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器、一个或多个程序及获取飞行平台及光子激光雷达的相关数据的数据获取设备；
所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述电子设备执行如权利要求1～2任一项所述的光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法。
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