CN116932673A - Lidar点云数据坐标转换方法 - Google Patents

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张宇琳
余章蓉
董国桥
谢正明
丁仁军
张君华
寸寿才
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Abstract

本发明公开了一种LIDAR点云数据坐标转换方法，包括以下步骤：步骤1：读取数据，获得点的源LAS记录坐标；步骤2：通过坐标变换，将源LAS记录坐标转换为源实际坐标；步骤3：选择适合的坐标转换模型，对源实际坐标进行模型转换，得到目标实际坐标；步骤4：对目标实际坐标进行逆坐标转换，得到目标LAS记录坐标；本发明解决了现有转换方法成本过高、转换方法单一、效率低等问题。

Description

LIDAR点云数据坐标转换方法
技术领域
本发明属于点云数据处理技术领域，特别是涉及一种LIDAR点云数据坐标转换方法。
背景技术
20世纪90年代，机载三维激光扫描(Light Detection and Ranging，LIDAR)技术首次得到应用。LIDAR技术凭借全天候、高精度、高密度、高分辨率和高效率等特点，逐渐在测绘、土地、林业、交通、电力、规划等行业得到广泛应用。LIDAR的直接数据成果为点云数据，不同的硬(软)件商定义了不同的数据格式，如Leica公司的pts和ptx格式，TerraScan软件处理后bin和ts格式。为便于LIDAR点云数据的共享、处理和利用，美国摄影测量与遥感协会(American Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ASPRS)2003年为点云数据制定发布了LAS1.0标准，成为目前点云数据主流格式之一。
实际工程项目应用中，常需要对LAS文件进行坐标转换，如CGCS2000同相对独立坐标系之间的转换，大地高同正常高之间的转换。目前，一般利用TerraSolid、GlobalMapper等商业软件对LAS文件坐标转换，但商业软件价格昂贵，转换方法单一、效率低等缺点限制了坐标转换的应用需要。本发明针对LAS文件坐标转换的实际需求，通过对LAS文件的解析，基于开源LAS读写库和常用转换模型，实现了LAS文件的坐标转换，并对转换效率和正确性进行了分析，提出了一种全新的LAS文件的坐标转换方法。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种LIDAR点云数据坐标转换方法，以解决现有转换方法成本过高、转换方法单一、效率低等问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种LIDAR点云数据坐标转换方法，包括以下步骤：
步骤1：读取数据，获得点的源LAS记录坐标；
步骤2：通过坐标变换，将源LAS记录坐标转换为源实际坐标；
步骤3：选择适合的坐标转换模型，对源实际坐标进行模型转换，得到目标实际坐标；
步骤4：对目标实际坐标进行逆坐标转换，得到目标LAS记录坐标；
步骤5：输出数据。
进一步地，所述步骤1中读取数据还包括读取源LAS文件中与坐标转换相关的信息，包括点的数量、坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息。
进一步地，所述步骤2具体为：
步骤21：根据读取的数据，将源LAS文件中的源LAS记录坐标X/Y/Z转换为源实际坐标；
步骤22：根据投影信息判断LAS文件中的坐标类型，将源实际坐标转换为正确的坐标类型。
进一步地，所述步骤21中的相关转换公式为：
Xcoordinate1＝Xrecord1×Xscale1+Xoffset1 (1)
Ycoordinate1＝Yrecord1×Yscale1+Yoffset1 (2)
Zcoordinate1＝Zrecord1×Zscale1+Zoffset1 (3)
其中，(Xrecord1，Yrecord1，Zrecord1)为转换前的源LAS记录坐标X/Y/Z，(Xcoordinate1，Ycoordinate1，Zcoordinate1)为转换后的源实际坐标，(Xscalel，Yscale1，Zscalel)分别为X/Y/Z的比例因子，(Xoffset1，Yoffset1，Zoffset1)为X/Y/Z的偏移。
进一步地，所述步骤22具体为：
当采用平面四参数模型转换时，源实际坐标需转换为高斯平面坐标；
当采用布尔莎七参数模型转换时，源实际坐标需转换为空间直角坐标。
进一步地，所述步骤4中逆坐标转换通过以下公式实现：
Xrecord2＝(Xcoordinate2-Xoffset2)/Xscale2 (5)
Yrecord2＝(Ycoordinate2-Yoffset2)/Yscale2 (6)
Zrecord2＝(Zcoordinate2-Zoffset2)/Zscale2 (7)
其中，(Xcoordinate2，Ycoordinate2，Zcoordinate2)为目标实际坐标，(Xscale2，Yscale2，Zscale2)为重新设置的比例因子，(Xoffset2，Yoffset2，Zoffset2)为根据目标实际坐标重新计算出的坐标偏移，(Xrecord2，Yrecord2，Zrecord2)为目标LAS记录坐标。
进一步地，所述步骤5具体为：将更新的坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息、目标LAS记录坐标，以及未变化的源LAS信息输出至目标LAS文件中。
本发明的有益效果是
1、LAS文件坐标转换的商业软件价格昂贵，转换模型或方法单一(一般只有七参数模型)，无法满足实际应用的需求。本发明基于开源库实现LAS文件的读写，可实现LAS文件的免费读写功能，同时可以提供不同坐标转换模型实现LAS文件的坐标转换，多种转换模型可供用户选择，能够满足实际的应用需求。
2、本发明提供了一种LAS文件坐标转换的一般方法和流程。同时，为提高转换效率，针对不同坐标转换模型，提出了不同的转换流程和方法。特别的，对于平面三参数和平面二参数模型的转换，仅需重新计算LAS文件的文件比例因子和偏移值，修改LAS文件的头文件信息即可实现LAS文件的坐标转换，缩短了转换时间，大大提高了转换效率。
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是本发明实施例的坐标转换方法流程图。
图2是本发明实施例的平面坐标转换示意图。
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做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。
如图1所示，本发明提供了一种LIDAR点云数据坐标转换方法，包括读取数据、坐标变换、模型转换、逆坐标变换、输出数据等步骤，如图1所示，其中实线箭头代表转换流程，虚线箭头代表转换过程。本发明的具体步骤如下：
步骤1：读取数据。
主要读取源LAS文件中与坐标转换相关的信息，包括点的数量、坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息、点的坐标等，其他的非必要信息仅需复制输出至目标LAS文件即可。
LAS文件采用二进制存储，有效提高了存储效率，除记录点云的坐标信息外，还包括采集时间、RGB色值、返回强度、采样间隔、波形数据等信息。LAS文件主要包括公共头文件、变长记录区和点集记录区三个部分，LAS1.3/1.4标准增加了记录波形数据或其他扩展的数据的扩展变长记录区。公共头文件主要记录LIDAR数据的基本信息，包括点的数量、坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移等。变长记录区主要记录投影信息、元数据、波形信息和用户信息。LAS文件中涉及坐标转换的信息，主要包括点记录数量、坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息、点的坐标等，如表1：
表1 LAS文件坐标转换相关主要信息
待坐标转换的源LAS文件，其点记录数量记为n，X/Y/Z的比例因子记为(Xscale1，Yscale1，Zscale1)，X/Y/Z偏移记为(Xoffset1，Yoffset1，Zoffset1)，X/Y/Z最大值和X/Y/Z最小值分别记为(Xmax1，Ymax1，Zmax1)、(Xmin1，Ymin1，Zmin1)。点集记录区的X/Y/Z(源LAS记录坐标X/Y/Z)记为(Xrecord1，Yrecord1，Zrecord1)，采用长整型存储，其实际坐标(Xcoordinate1，Ycoordinate1，Zcoordinate1)可通过式(1)(2)(3)计算。可通过比例因子控制坐标的精度，若设置比例因子为0.01，则实际坐标的精度为0.01m。
步骤2：坐标变换。
根据读取的相关的信息，按照式(1)(2)(3)将源LAS记录坐标X/Y/Z，坐标变换为源实际坐标。
Xcoordinate1＝Xrecord1×Xscale1+Xoffsetl (1)
Ycoordinate1＝Yrecord1×Yscale1+Yoffset1 (2)
Zcoordinate1＝Zrecord1×Zscale1+Zoffset1 (3)
需要注意的是，应根据投影信息判断LAS文件中的坐标类型，并根据源坐标和目标坐标类型，按图2所示方法转换为正确的坐标类型。坐标变换除对点集记录区的点坐标进行坐标变换外，还需要对公共头文件中的坐标边界点进行坐标变换，用于更新目标LAS文件的坐标边界。
图2中，采用平面四参数模型转换时，转换前后的坐标需均为高斯平面坐标，若源坐标或目标坐标为大地坐标，还需利用高斯正算或高斯反算公式进行变换。采用布尔莎七参数模型转换时，由于LAS文件一般为大地坐标或高斯投影坐标，转换前应将其转换为空间直角坐标，转换后再将空间直角坐标转换为大地坐标或高斯平面坐标。
步骤3：模型转换。
平面坐标变换，选择适合的坐标转换模型，对源实际坐标进行模型转换。对于小区域范围的数据，一般采用平面四参数模型，当转换精度满足需求时，亦可选择平面三参数模型或平面二参数模型。高程转换，对于建立了似大地水准面精化模型的区域，可利用式(4)将源LAS文件的大地高转化为正常高，亦可根据需要将正常高转换为大地高。
平面四参数转换模型包括2个坐标平移参数(Δx，Δy)，1个尺度参数m，1个角度旋转参数α。当α为0时，可以获得平面三参数转换模型。当α为0，m为1，可以获得平面二参数转换模型。若转换精度满足需求，亦可采用平面三参数或二参数转换模型；布尔沙七参数模型包括3个坐标平移参数(Δx，Δy，Δz)，3个坐标轴旋转参数(ωX，ωy，ωz)，1个尺度参数m。
采用平面四参数转换模型计算过程简单，较布尔莎七参数计算量更少，对于海量的点云数据，计算效率有明显的优势。
进一步地，高程坐标转换主要利用大地水准面精化模型实现大地高向正常高的转换，h为正常高，H为大地高，ξ为高程异常，如式(4)。对于小区域范围，如果精度允许，高程异常值亦可取一常数进行转换。
h＝H-ξ (4)
步骤4：逆坐标转换。
LAS源实际坐标经模型转换后，计算得到了目标实际坐标(Xcoordinate2，Ycoordinate2，Zcoordinate2)，需要对其进行逆坐标变换为目标LAS记录坐标，计算如式(5)(6)(7)。
Xrecord2＝(Xcoordinate2-Xoffset2)/Xscale2 (5)
Yrecord2＝(Ycoordinate2-Yoffset2)/Yscale2 (6)
Zrecord2＝(Zcoordinate2-Zoffset2)/Zscale2 (7)
计算目标记录坐标前，首先应根据目标LAS文件的坐标类型重新设置比例因子(Xscale2，Yscale2，Zscale2)。如源LAS文件为大地坐标，其比例因子一般设置为0.000001，转换为高斯平面坐标后，若小数位设置为三位小数，则目标LAS文件的比例因子应设置为0.001，以此类推。然后，还应根据目标实际坐标范围，重新计算坐标偏移(Xoffset2，Yoffset2，Zoffset2)，一般可利用目标实际坐标范围的几何中心作为坐标偏移值。
步骤5：输出数据。
将更新的坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息、点坐标(目标LAS记录坐标)，以及未变化的源LAS信息输出至目标LAS文件中。
其中，更新投影信息即将目标坐标的类型及投影信息更新到目标LAS文件中，比如，源坐标LAS文件，为大地坐标。而转换后的目标LAS文件，为高斯投影坐标，则需要将las文件的投影信息更新为高斯投影坐标，以及相应的中央经线信息设置到目标LAS文件中，便于用户后期读取识别该las文件的坐标类型。
另外，当LAS文件坐标转换前后均为高斯投影坐标(或平面坐标)，且采用平面三参数模型或平面二参数模型满足转换精度的要求时，根据LAS文件的存储特点，可只修改LAS文件的头文件比例因子和偏移值，快速实现平面坐标转换。平面坐标转换模型为平面三参数时，可根据式(1)(2)(5)(6)建立4个方程，计算出修改后的比例因子和偏移值4个未知数；坐标转换模型为平面二参数时，可根据式(1)(2)两个方程即可计算出修改后偏移值2个未知数。之后，将计算的比例因子和偏移值更新至目标LAS文件，即完成了LAS文件的平面坐标转换工作。
此外，针对步骤2至步骤5，可以采用并行计算的方法，提高转换效率
实施例：
目前，有大量开源的类库支持LAS文件的快速读写，如LASlib、LASzip、LASTool等。本实施例基于LASlib库，采用Visual Studio 2013平台，C++开发语言，开发了LAS文件坐标转换类库，并引用至通用坐标转换系统[中，实现LAS文件的坐标转换。
实验数据
根据云南省昆明市经济建设需要，2021年昆明市完成519km2的LIDAR航摄任务。采集的LIDAR原始数据按航线LAS1.2标准存储，坐标系统为CGCS2000高斯投影坐标，中央经线为102°，高程为大地高。为开展成果的后续应用，需要将原始LAS文件平面坐标转化为昆明2000坐标系(简称KM2000)，大地高转换为正常高。KM2000是基于CGCS2000椭球，任意带单中央经线(约102°45′)多抵偿投影面建立的相对独立坐标系。CGCS2000同KM2000的平面坐标转换，可采用平面四参数或布尔莎七参数模型，平面四参数转换时需将CGCS2000成果换带至102°45′，换带后的成果同KM2000成果计算的平面四参数其内符合精度才能满足转换精度要求。KM2000各投影面坐标系之间的转换，由于中央经线一致，仅抵偿面不同，可直接利用平面四参数转换，采用平面三参数转换时转换内符合精度仍然优于1mm。昆明市建立的主城区3000km2范围似大地水准面精化模型，覆盖了本项目区域，可利用该模型对LAS文件的大地高转换正常高。
转换方案
本实施例利用3条航带LAS文件进行转换测试，数据信息如表2。为测试LAS文件坐标转换的正确性和转换效率，转换方案采用4种转换方案和相同的软硬件环境。方案1：CGCS2000转换为KM2000(1900投影面)，采用布尔莎七参数转换。方案2：CGCS2000转换为KM2000(1900投影面)，采用平面四参数，但该过程需要先将CGCS2000成果先换带为102°45′成果，然后利用平面四参数转换为KM2000(1900投影面)成果。方案3：KM2000(1900投影面)成果转换为KM2000(2230投影面)成果，采用平面四参数转换；方案4：KM2000(1900投影面)成果转换为KM2000(2230投影面)成果，采用平面三参数转换。
表2 LAS文件信息
航线编号 点数(个) 密度(个/m2) 数据量(GB)
03156 282,901,355 12.44 8.95
03157 277,666,750 12.29 8.79
03158 271,770,663 11.52 8.60
结果分析
转换正确性方面，对每个LAS文件转换结果逐点进行坐标正确性检查，结果均正确无误。转换效率方面，各方案的耗时如表3所示，同一转换方案的不同航线成果坐标转换耗时相当，耗时同LAS文件坐标点数量基本呈线性关系。方案1耗时最长，因为转换过程计算量较大，转换过程中涉及高斯反算、大地坐标转换高程投影坐标、布尔莎七参数转换、高斯投影坐标转换大地坐标、高斯正算等步骤；方案2和方案3均为平面四参数转换，较方案1耗时明显缩短，但方案2较方案3耗时更长，因为转换过程需要将源坐标进行换带后再进行平面四参数转换，增加了计算量；方案4耗时最短，因为仅需修改头文件信息，并复制输出其他信息，该方案的耗时同Window系统中复制该LAS文件耗时基本相同。
表3不同转换方案耗时
通过以上分析，满足坐标转换精度前提下，LAS文件的坐标转换应根据成果的类型，选择合适的坐标转换模型，能够有效地提高转换效率。特别是平面三参数模型能够满足转换精度要求时，应该优先使用，其次选择平面四参数模型，再选择布尔莎七参数模型。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：读取数据，获得点的源LAS记录坐标；
步骤2：通过坐标变换，将源LAS记录坐标转换为源实际坐标；
步骤3：选择适合的坐标转换模型，对源实际坐标进行模型转换，得到目标实际坐标；
步骤4：对目标实际坐标进行逆坐标转换，得到目标LAS记录坐标；
步骤5：输出数据。
2.根据权利要求1所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤1中读取数据还包括读取源LAS文件中与坐标转换相关的信息，包括点的数量、坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息。
3.根据权利要求1所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤21：根据读取的数据，将源LAS文件中的源LAS记录坐标X/Y/Z转换为源实际坐标；
步骤22：根据投影信息判断LAS文件中的坐标类型，将源实际坐标转换为正确的坐标类型。
4.根据权利要求3所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤21中的相关转换公式为：
Xcoordinate1＝Xrecord1×Xscale1+Xoffset1 (1)
Ycoordinate1＝Yrecord1×Yscale1+Yoffset1 (2)
Zcoordinate1＝Zrecord1×Zscale1+Zoffset1 (3)
其中，(Xrecord1，Yrecord1，Zrecord1)为转换前的源LAS记录坐标X/Y/Z，(Xcoordinate1，Ycoordinate1，Zcorrdinate1)为转换后的源实际坐标，(Xscale1，Yscale1，Zscale1)分别为X/Y/Z的比例因子，(Xoffset1，Yoffset1，Zoffset1)为X/Y/Z的偏移。
5.根据权利要求3所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤22具体为：
当采用平面四参数模型转换时，源实际坐标需转换为高斯平面坐标；
当采用布尔莎七参数模型转换时，源实际坐标需转换为空间直角坐标。
6.根据权利要求1所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤4中逆坐标转换通过以下公式实现：
Xrecord2＝(Xcoordinate2-Xoffset2)/Xscale2 (5)
Yrecord2＝(Ycoordinate2-Yoifset2)/Yscale2 (6)
Zrecord2＝(Zcoordinate2-Zoffset2)/Zscale2 (7)
其中，(Xcoordinate2，Ycoordinate2，Zcoordinate2)为目标实际坐标，(Xscale2，Yscale2，Zscale2)为重新设置的比例因子，(Xoffset2，Yoffset2，Zoffset2)为根据目标实际坐标重新计算出的坐标偏移，(Xrecord2，Yrecord2，Zrecord2)为目标LAS记录坐标。
7.根据权利要求1所述的一种LIDAR点云数据坐标转换方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将更新的坐标边界、坐标比例因子、坐标偏移、投影信息、目标LAS记录坐标，以及未变化的源LAS信息输出至目标LAS文件中。
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