CN113379807A - 一种移动平台点云数据的配准方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动平台点云数据的配准方法和系统技术领域，包括以下步骤：确定基准测站点，在基准测站点获取各个角度的基准点云数据，得出旋转参数一，将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据；确定待配准测站点，在待配准测站点获取各个角度的待配准点云数据，得出旋转参数二，根据旋转参数二以及待配准测站点与基准测站点之间的平移参数，得出校准参数，将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据；根据移动配准数据和基准数据，得出残差精度；根据残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据，具有测量环境要求低的优点，突破了因环境条件导致点云数据精度低的瓶颈。

Description

一种移动平台点云数据的配准方法和系统

技术领域

本发明涉及移动测量技术领域，具体涉及一种移动平台点云数据的配准方法和系统。

背景技术

当前的船载移动点云数据一般是通过三维激光扫描设备和姿态传感器、定位设备和艏向测量设备集成后进行采集。各个设备都具有自己的坐标参考框架，一般使用姿态传感器的坐标参考框架作为系统的基准。由于各个系统的指向不同，因此设备安装后需要通过校准测量的方式求取各个系统的安装参数。

校准测量对所在区域的地形地貌有较高要求，一般需要既有平坦的地面，也具有垂直面上的特征物；且在使用平行测线进行航向偏角计算时，需要在平行测线中具有类似丁坝等的特征物，而一般的水库、河道中都无法满足这个条件，导致因为不满足校准条件而无法获取系统各个设备间的安装偏角，进而导致采集数据无法校准而作废，应用中具有较大的局限性。此外，使用该种方法进行校准最后得到的点云数据精度较低。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种移动平台点云数据的配准方法和系统，具有测量环境要求低的优点，突破了因环境条件导致点云数据精度低的瓶颈。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种移动平台点云数据的配准方法和系统，包括以下步骤：

确定基准测站点，在基准测站点获取各个角度的基准点云数据，并得出各组基准点云数据的旋转参数一，并根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据；

确定待配准测站点，在待配准测站点获取各个角度的待配准点云数据，并得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，并根据校准参数将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据；

根据移动配准数据和基准数据，得出移动配准数据与基准数据之间的残差精度；

根据所述残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据。

可选的，得出各组基准点云数据的旋转参数一，并根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据，包括以下步骤：

获取不同角度的基准点云数据，并选取其中一组基准点云数据的坐标为标准坐标系，再选取各组基准点云数据在标准坐标系上的公共点，且所述公共点的选取数量为四个以上；

根据公共点在不同角度的基准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组基准点云数据的旋转参数一；

根据所述旋转参数一将不同角度的基准点云数据转化为以标准坐标系标记的基准点云数据；

将各组以标准坐标系标记的基准点云数据进行公共点位置拼接，形成基准数据。

可选的，得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，包括以下步骤：

根据所述待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二；

根据旋转参数二以及待配准测站点与基准测站点之间的平移参数，得出校准参数。

可选的，根据所述待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二，包括以下步骤：

选取不同角度的待配准点云数据在同一坐标系上的公共点，且所述公共点的选取数量为四个以上；

根据公共点在不同角度的待配准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组待配准点云数据的旋转参数二。

可选的，根据校准参数将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据，包括以下步骤：

根据所述校准参数将不同角度的待配准点云数据转化为以标准坐标系标记的配准点云数据；

将各组以标准坐标系标记的配准点云数据进行公共点位置拼接，形成移动配准数据。

可选的，所述残差精度为基准数据和移动配准数据在标准坐标系上的重叠区域数值。

可选的，根据所述残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据，包括以下步骤：

设定阈值D，若残差精度小于阈值D，则判定移动配准数据符合要求；

若残差精度大于或等于阈值D，则重新获取移动配准数据。

可选的，所述旋转参数一为各组基准点云数据的坐标之间存在的角度偏差；所述旋转参数二为各组待配准点云数据的坐标之间在的角度偏差。

一种移动平台点云数据的配准系统，包括存储模块、定位模块、分析模块、显示模块和控制模块，所述存储模块、定位模块、分析模块和显示模块均与控制模块电连接；

所述存储模块用于存储基准点云数据、旋转参数一、基准数据、待配准点云数据、旋转参数二、校准参数、移动配准数据和残差精度；

所述定位模块用于对基准测站点以及各组待配准测站点进行定位；

所述分析模块用于得出旋转参数一、旋转参数二、校准参数和残差精度；

所述显示模块用于显示基准数据和移动配准数据。

可选的，所述分析模块包括数据采集模块和比对模块；

所述数据采集模块用于采集基准点云数据和待配准点云数据；

所述比对模块用于将残差精度与设定的阈值D进行比较。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过在陆域选择基准测站点，并将基准测站点测得的点云数据进行拼接得到基准数据，以基准数据作为残差精度的参照数据，提高了点云数据的配准精度，同时通过计算基准测站点上获取的各组基准点云数据之间的旋转参数一和待配准测站点上获取的各组待配准点云数据之间的旋转参数二，从而适用于在各种地形环境下进行点云数据配准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种移动平台点云数据的配准方法和系统的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种移动平台点云数据的配准方法和系统，包括以下步骤：确定基准测站点，在基准测站点获取各个角度的基准点云数据，并得出各组基准点云数据的旋转参数一，旋转参数一为各组基准点云数据的坐标之间存在的角度偏差，并根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据；

测量者首先选定基准测站点，且基准测站点为陆域站点，在基准测站点获取各个角度的基准点云数据，由于基准测站点为确定点，因此，在基准测站点所测得的各组基准点云数据均为以基准测站点为原点，且各组基准点云数据之间存在角度偏差，因此以旋转参数一表示各组基准点云数据之间的角度偏差。

得出各组基准点云数据的旋转参数一的步骤为：获取不同角度的基准点云数据，并选取其中一组基准点云数据的坐标为标准坐标系，再选取各组基准点云数据在标准坐标系上的公共点，且公共点的选取数量为四个以上；根据公共点在不同角度的基准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组基准点云数据的旋转参数一，公共点在不同角度的基准点云数据上的坐标与旋转参数一的关系如下：

其中，角度1的基准点云数据的旋转参数一为(ω_x,ω_y,ω_z)_角度1；角度2的基准点云数据的旋转参数一为(ω_x,ω_y,ω_z)_角度2，且两组旋转参数一均为未知量，公共点a和公共点b也为未知量，公共点a和公共点b分别为经过各自的旋转参数一转换后，位于标准坐标系上的点；(X，Y，Z)_角度1和(X’，Y’，Z’)_角度1为角度1的基准点云数据上的点，为已知量；(X，Y，Z)_角度2和(X’，Y’，Z’)_角度2为角度2的基准点云数据上的点，为已知量，且其余均为已知参数。

从而可得下列等式得出角度1的基准点云数据的旋转参数一和角度2的基准点云数据的旋转参数一：

根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据，即根据旋转参数一将不同角度的基准点云数据转化为以标准坐标系标记的基准点云数据，将各组以标准坐标系标记的基准点云数据进行公共点位置拼接，形成基准数据，公共点位置拼接可通过计算机进行处理。

确定待配准测站点，在待配准测站点获取各个角度的待配准点云数据，并得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，其中，得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，包括以下步骤：根据待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二，旋转参数二为各组待配准点云数据的坐标之间在的角度偏差。

根据待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二，包括以下步骤：选取不同角度的待配准点云数据在同一坐标系上的公共点，且该坐标系的x轴、y轴以及z轴方向相同，且公共点的选取数量为四个以上；根据公共点在不同角度的待配准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组待配准点云数据的旋转参数二，公共点在不同角度的待配准点云数据上的坐标与旋转参数二的关系如下：

其中，待配准角度1的待配准点云数据的旋转参数二为(ω_x,ω_y,ω_z)_{待配准角度1}；待配准角度2的待配准点云数据的旋转参数二为(ω_x,ω_y,ω_z)_{待配准角度2}，且两组旋转参数二均为未知量，公共点c和公共点d也为未知量，公共点c和公共点d分别为经过各自的旋转参数二转换后，位于同一坐标系上的点；(X，Y，Z)_{待配准角度1}和(X’，Y’，Z’)_{待配准角度1}为待配准角度1的待配准点云数据上的点，为已知量；(X，Y，Z)_{待配准角度2}和(X’，Y’，Z’)_{待配准角度2}为待配准角度2的待配准点云数据上的点，为已知量，且其余均为已知参数。

从而可得下列等式，并得出待配准角度1的待配准点云数据的旋转参数二和待配准角度2的待配准点云数据的旋转参数二：

得出旋转参数二后，根据旋转参数二以及待配准测站点与基准测站点之间的平移参数，得出校准参数，平移参数为待配准测站点与基准测站点之间的平移距离，从而得出校准参数[△X△Y△Zω_xω_yω_z]，且待配准点云数据上的坐标对应的标准坐标系上的坐标的关系如下：

根据校准参数将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据，包括以下步骤：根据校准参数将不同角度的待配准点云数据转化为以标准坐标系标记的配准点云数据；将各组以标准坐标系标记的配准点云数据进行公共点位置拼接，形成移动配准数据，公共点位置拼接可通过计算机进行处理。

根据移动配准数据和基准数据，得出移动配准数据与基准数据之间的残差精度，残差精度为基准数据和移动配准数据在标准坐标系上的重叠区域数值，残差精度的计算公式如下：

根据公式计算出残差精度后，根据残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据，具体的，设定阈值D，若残差精度小于阈值D，则判定移动配准数据符合要求；若残差精度大于或等于阈值D，则重新获取移动配准数据。

例如当阈值D为10cm时，若计算所得的残差精度小于10cm，则保留该残差精度下的校准参数，完成点云配准操作；若计算所得的残差精度大于或等于10cm，则保留上一次计算得出的校准参数，重新获取移动配准数据，从而完成电源数据的配准。

其中，对于待配准测站点的选择，测量者可根据实际测量位置的情况，进行自主选择，若测量处为河道，则待配准测站点可以选择设置在河道上游两侧以及河道下游两侧，共四个待配准测站点进行测量；若测量处为水库，则待配准测站点可以选择大坝及库尾处的位置进行测量。

一种移动平台点云数据的配准系统，包括存储模块、定位模块、分析模块、显示模块和控制模块，存储模块、定位模块、分析模块和显示模块均与控制模块电连接；定位模块用于对基准测站点以及各组待配准测站点进行定位，定位模块为GPS定位仪；存储模块用于存储基准点云数据、旋转参数一、基准数据、待配准点云数据、旋转参数二、校准参数、移动配准数据和残差精度；显示模块用于显示基准数据和移动配准数据；分析模块用于得出旋转参数一、旋转参数二、校准参数和残差精度。

分析模块包括数据采集模块和比对模块；数据采集模块用于采集基准点云数据和待配准点云数据，数据采集模块包括三维激光扫描仪、姿态仪、艏向测量仪，从而对基准测站点进行扫描，对待配准测站点进行移动扫描；比对模块用于将残差精度与设定的阈值D进行比较，比对模块为比较器。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移动平台点云数据的配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定基准测站点，在基准测站点获取各个角度的基准点云数据，并得出各组基准点云数据的旋转参数一，并根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据；

确定待配准测站点，在待配准测站点获取各个角度的待配准点云数据，并得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，并根据校准参数将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据；

根据移动配准数据和基准数据，得出移动配准数据与基准数据之间的残差精度；

根据所述残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据。

2.根据权利要求1所述的一种移动平台点云数据的配准方法，得出各组基准点云数据的旋转参数一，并根据旋转参数一将各组基准点云数据进行拼接，得到基准数据，包括以下步骤：

获取不同角度的基准点云数据，并选取其中一组基准点云数据的坐标为标准坐标系，再选取各组基准点云数据在标准坐标系上的公共点，且所述公共点的选取数量为四个以上；

根据公共点在不同角度的基准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组基准点云数据的旋转参数一；

根据所述旋转参数一将不同角度的基准点云数据转化为以标准坐标系标记的基准点云数据；

将各组以标准坐标系标记的基准点云数据进行公共点位置拼接，形成基准数据。

3.根据权利要求1所述的一种移动平台点云数据的配准方法，得出各组待配准点云数据在基准数据上的校准参数，包括以下步骤：

根据所述待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二；

根据旋转参数二以及待配准测站点与基准测站点之间的平移参数，得出校准参数。

4.根据权利要求3所述的一种移动平台点云数据的配准方法，根据所述待配准点云数据，得出待配准测站点上的每组待配准点云数据的旋转参数二，包括以下步骤：

选取不同角度的待配准点云数据在同一坐标系上的公共点，且所述公共点的选取数量为四个以上；

根据公共点在不同角度的待配准点云数据上的坐标以及公共点在标准坐标系上的坐标，得出各组待配准点云数据的旋转参数二。

5.根据权利要求4所述的一种移动平台点云数据的配准方法，根据校准参数将各组待配准点云数据进行拼接，得到移动配准数据，包括以下步骤：

根据所述校准参数将不同角度的待配准点云数据转化为以标准坐标系标记的配准点云数据；

将各组以标准坐标系标记的配准点云数据进行公共点位置拼接，形成移动配准数据。

6.根据权利要求2所述的一种移动平台点云数据的配准方法，所述残差精度为基准数据和移动配准数据在标准坐标系上的重叠区域数值。

7.根据权利要求1所述的一种移动平台点云数据的配准方法，根据所述残差精度，判断保留移动配准数据或重新获取移动配准数据，包括以下步骤：

设定阈值D，若残差精度小于阈值D，则判定移动配准数据符合要求；

若残差精度大于或等于阈值D，则重新获取移动配准数据。

8.根据权利要求3所述的一种移动平台点云数据的配准方法，所述旋转参数一为各组基准点云数据的坐标之间存在的角度偏差；所述旋转参数二为各组待配准点云数据的坐标之间在的角度偏差。

9.一种移动平台点云数据的配准系统，其特征在于，包括存储模块、定位模块、分析模块、显示模块和控制模块，所述存储模块、定位模块、分析模块和显示模块均与控制模块电连接；

所述存储模块用于存储基准点云数据、旋转参数一、基准数据、待配准点云数据、旋转参数二、校准参数、移动配准数据和残差精度；

所述定位模块用于对基准测站点以及各组待配准测站点进行定位；

所述分析模块用于得出旋转参数一、旋转参数二、校准参数和残差精度；

所述显示模块用于显示基准数据和移动配准数据。

10.根据权利要求9所述的一种移动平台点云数据的配准系统，所述分析模块包括数据采集模块和比对模块；

所述数据采集模块用于采集基准点云数据和待配准点云数据；

所述比对模块用于将残差精度与设定的阈值D进行比较。

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