基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法技术

本发明专利技术涉及一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其步骤为：1)每个扫描站布设标靶，测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标，构成区域网；2)在每个扫描站上对地物进行粗扫描，对球形定向标靶进行精扫描，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；3)用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；4)整理区域网平差信息；5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N-1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；6)点云定向的精度评定；7)各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，其步骤为：1)每个扫描站布设标靶，测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标，构成区域网；2)在每个扫描站上对地物进行粗扫描，对球形定向标靶进行精扫描，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；3)用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；4)整理区域网平差信息；5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N-1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；6)点云定向的精度评定；7)各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。【专利说明】
本专利技术涉及一种，属于工程测量
。
技术介绍
三维激光扫描技术的迅速发展，使地面激光扫描能够快速、准确的获取三维点云数据，在地形测量、矿山测量及3D建模等方面日趋成熟，并在变形观测、目标的实际三维成像及测距等测量工程中得到广泛应用。地面激光扫描无论用于闭合的单个物体，还是用于开放的大范围地形测绘，都要通过有限视场、不同视角、不同空间分辨率的多站扫描，才能完成物体形态或地表形态测量。同一扫描目标的多站点云坐标的统一，通常称为点云配准，或点云拼接。点云拼接目的是多块点云坐标系进行统一，对于大型物体、地形扫描要建立工程测量坐标系，因此扫描测程范围边缘布设3个以上定向标靶，目前应用广泛的定向标靶形是球型标靶和平面标靶，并测量定向标靶中心的工程测量坐标，来确定每个扫描站的位置和扫描时仪器的姿态，这个过程叫点云绝对定位与定向，简称点云定向。拼接可以叫点云相对定向，如第一块点云固定，将第二站点云拼接到第一站，拼接与定向区别在于:拼接是多块点云坐标统一到一个坐标系，而点云定向是多站点云坐标系统一到工程测量指定的坐标系。现有的点云拼接方法最早由P.J.Besl和N.D.McKay于1992年提出，即经典迭代邻近点(Iterative Closest Point Algorithm, I CP)算法的点云拼接，以及基于ICP的多种改进算法，历经20年的发展，其理论与方法已比较完善，但当测站增多时，采用相邻扫描站点云配准的累积误差会不断增大，使模型偏移非常严重，经对大型文物扫描试验，定向误差最大0.103m，而采用每站定向过程都是相对独立的，不会产生累积误差，定向误差在0.003m以内。对每站单独定向的方法叫独立模型法，目前国内外大部分用独立模型法以外，还采用一些约束条件，如对大物体扫描一周，产生闭合条件(张剑清等)、相邻站布设连接标靶提高拼接精度。独立模型法定向精度较高、标靶分布合理、容易操作，其不足之处有以下几点:①外业工作量大。②相邻站点云重叠区的同一标靶，称为公共标靶，N站公用的标靶称为N重标靶，用N站定向参数计算的公共标靶中心的N个3维坐标，各不相等，是有矛盾的，这种现象称为坐标多性，而测量中要求实地的一个点位置只能用唯一的3维坐标表达的。③各站精度不均匀，精度评价时缺乏整体说服力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能减少工作量、能对多站激光扫描点云数据进行整体自动定向处理、实现快速、效率高的。其技术方案为:一种，其特征在于采用以下步骤:I)每个扫描站布设3个以上标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标，将各扫描站和在扫描站上能观测到的球形定向标靶连线，构成区域网；2)在每个扫描站上对地物进行普通空间分辨率的粗扫描，对球形定向标靶进行高空间分辨率的精扫描，并将每个扫描站上粗扫描和精扫描的点云合并，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；3)获取球形定向标靶表面上的点云，用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；4)整理区域网平差信息，这些平差信息包括球形标靶中心工程测量坐标系坐标、扫描仪坐标系坐标、扫描站个数、激光束个数和公共标靶个数，其中激光束是指扫描仪射向球形定向标靶的激光束，公共标靶上的激光束称为同名激光束；5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N-1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；6)点云定向的精度用内符合精度和外符合精度来评定；7)将各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。所述的，步骤2)中原始点云的空间索引建立为:给点进行编码，编码由8位数字构成，前4位为点云环号，点云环就是由到扫描站距离在一定范围内的点所构成的点云，点云环宽度为lm，大于球形标靶的直径；编码后4位表示扇形区号，扇形区号是将点云环按等距离分区，等距离指的是扇形的内弧的长度与点云环的宽度相等，这样就使离扫描站不同距离的扇形区的大小基本一致。所述的，步骤5)中对于单标靶只列I组误差方程，公共标靶先列I组误差方程，再列N-1组约束方程；设S为扫描仪中心，S在工程测量坐标系中的坐标t = (Xs, Ys, Zs)τ，设T为标靶中心，T在工程测量坐标系和扫描坐标系中的坐标分别为M = (X，Y, Z)和m = (X，y, z),设姿态参数构成的旋转矩阵为R，则单标靶可列的误差方程为M = t+Rm ;若上述单标靶是N个扫描站的公共标靶，其约束方程为ti+RA = t2+R2m2 =…=tN+RNmN = Μ,式中Hii (i = I, 2，...，N)为该公共标革巴在N个扫描站扫描坐标系的坐标，tji = 1,2，...，N)和民(1 = I, 2,..., N)为各扫描站的定位参数和旋转矩阵。所述的，步骤6)中的内部符合精度是用扫描站内能观测到标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程内部符合精度和平面内部符合精度，外部符合精度是用各扫描站之间的标靶的坐标转换误差计算的精度，分为高程外部符合精度和平面外部符合精度，其中坐标转换误差指的是用点云定向参数和标靶扫描坐标计算的标靶工程测量坐标与标靶测量的工程测量坐标之差；高程内部符合精度计算公式为【权利要求】1.一种，其特征在于采用以下步骤: 1)每个扫描站布设3个以上标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标，将各扫描站和在扫描站上能观测到的球形定向标靶连线，构成区域网； 2)在每个扫描站上对地物进行普通空间分辨率的粗扫描，对球形定向标靶进行高空间分辨率的精扫描，并将每个扫描站上粗扫描和精扫描的点云合并，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引； 3)获取球形定向标靶表面上的点云，用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标； 4)整理区域网平差信息，这些平差信息包括球形标靶中心工程测量坐标系坐标、扫描仪坐标系坐标、扫描站个数、激光束个数和公共标靶个数，其中激光束是指扫描仪射向球形定向标祀的激光束，公共标祀上的激光束称为同名激光束； 5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N-1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数； 6)点云定向的精度用内符合精度和外符合精度来评定； 7)将各站点云坐标 转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。2.根据权利要求1所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光束法区域网平差的多站点云整体定向方法，其特征在于采用以下步骤：1)每个扫描站布设3个以上标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定每个标靶中心的工程测量坐标系坐标,将各扫描站和在扫描站上能观测到的球形定向标靶连线，构成区域网；2)在每个扫描站上对地物进行普通空间分辨率的粗扫描，对球形定向标靶进行高空间分辨率的精扫描，并将每个扫描站上粗扫描和精扫描的点云合并，形成各扫描站原始点云，并建立原始点云的空间索引；3)获取球形定向标靶表面上的点云，用球面拟合法计算出标靶在各扫描站扫描仪坐标系中的坐标；4)整理区域网平差信息，这些平差信息包括球形标靶中心工程测量坐标系坐标、扫描仪坐标系坐标、扫描站个数、激光束个数和公共标靶个数，其中激光束是指扫描仪射向球形定向标靶的激光束，公共标靶上的激光束称为同名激光束；5)每个标靶先列立一组激光束的误差方程，如果该标靶是N个扫描站的公共标靶，则要再列立N‑1组约束方程，上述方程构成全区域法方程，用测量平差概括模型统一解算所有扫描站的定向参数；6)点云定向的精度用内符合精度和外符合精度来评定；7)将各站点云坐标转换到工程测量坐标系，实现多站点云整体定向。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚吉利，张大富，刘科利，马宁，贾象阳，徐广鹏，李彩林，郭宝云，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37