一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法技术

本发明专利技术公开了一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，在室内环境下采用三维激光雷达以相同的距离对一面状的材料目标进行扫描，扫描过程中的入射角以预设步长从0°转至90°并记录每个入射角对应的第一回波强度；在室外环境下采用三维激光雷达对一自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；对第一回波强度和第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。本发明专利技术的优点是：有效实现了对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行改正的技术难题，数据改正的精度高，数据改正的效率高，能够对多种材料的回波强度数据进行改正。

A correction method for echo intensity data of long distance ground 3D lidar

【技术实现步骤摘要】
一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法
本专利技术属于激光雷达仪器改正
，具体涉及一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法。
技术介绍
三维激光雷达技术以高亮度、高方向性、高相干性的激光作为探测媒介，可以获取扫描目标表面高密度、高精度的点云三维几何信息。长距离地面三维激光雷达兼顾了点云精度和数据获取效率，可以快速获取测站周围数千米的扫描数据，适用于大范围地形地貌数据的快速高效获取。除获取扫描目标的三维几何信息外，长距离地面三维激光雷达通过光电接收系统还能记录扫描目标对发射激光的“回波强度数据”。回波强度数据表征目标对激光的反射光谱特性，是反映扫描目标表面特性的重要物理量。回波强度数据不受太阳光照、阴影等的影响，受大气影响较小，利用回波强度数据可直接、精确、快速地对扫描目标的结构、材质、属性等信息进行提取和反演，对长距离地面三维激光雷达的点云分类和目标特征提取等有非常重要的作用。在整个激光扫描过程中，回波强度数据主要受到目标反射率、入射角和距离的影响。因此，需要对回波强度数据进行入射角和距离效应改正才能从中提取扫描目标的表面反射特性。入射角效应主要取决于扫描目标表面的反射特性与材质。理论上，扫描目标对激光的反射近似遵循朗伯余弦定律。但是，某些仪器系统特性会混合在入射角效应之中，使得朗伯余弦定律不能很好地对入射角效应进行改正。长距离地面三维激光雷达光电探测器主要设计用于优化距离测量，在近距离和远距离区间，系统会对激光回波进行调节，使得距离效应不遵循激光雷达方程中的理论关系。对于短、中距离地面三维激光雷达系统而言，由于扫描距离范围较小，可以利用室内定标法对距离效应进行改正。但是，长距离地面三维激光雷达扫描距离通常是在公里级别，利用室内定标法进行长距离地面三维激光雷达回波强度数据距离效应改正不仅受到室内环境长度的限制，而且数据获取与数据处理的工作量也非常繁琐。比如，某一长距离地面三维激光雷达的有效扫描范围为10m至2000m，则在0°入射角下，从10m到2000m每隔2m设置一个测站，测取距离和回波强度数据之间的变化关系，则总共需设置996个测站，数据扫描与数据处理任务都非常之大，对室内空间大小也提出了很高的要求，且最终获得的距离和回波强度数据之间的关系也是不连续的。因此，目前缺少一种有效的方法对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行精确改正，长距离地面三维激光雷达回波强度数据的入射角和距离效应改正是激光雷达领域的难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，通过室内标定和室外标定联合使用，解决长距离地面三维激光雷达回波强度数据改正的技术难题。本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在室内环境下，采用三维激光雷达以相同的距离和多个不同的入射角对一材质均匀的材料目标进行扫描，并记录每个所述入射角对应的第一回波强度；步骤2：在室外环境下，采用所述三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个所述距离对应的第二回波强度；步骤3：对所述第一回波强度和所述第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。所述步骤3包括以下步骤：建立所述三维激光雷达的入射角计算公式和距离计算公式；根据所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度进行计算以获取第一多项式次数和第一多项式系数；对所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正，根据改正后的数据进行计算以获取第二多项式次数和第二多项式系数；根据所述入射角计算公式、所述距离计算公式、所述第一多项式次数、所述第一多项式系数、所述第二多项式次数、所述第二多项式系数建立所述回波强度改正模型。所述入射角计算公式和所述距离计算公式为：其中，θ为所述入射角，cos-1为反余弦运算，为入射激光向量，为点云法向量，d为距离，(x,y,z)为所述材料目标的三维空间坐标，(x0,y0,z0)为所述三维激光雷达仪器的三维空间坐标。计算获取所述第一多项式次数和所述第一多项式系数包括以下步骤：将所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度代入第一改正公式中，利用多项式对所述第一改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第一多项式系数αi＝(θT·θ)-1·θT·I，其中，I为所述第一回波强度，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第一多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。对所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正的计算公式为：其中，Ia为入射角效应改正后的回波强度，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数，θ为所述入射角，I为所述第二回波强度。计算获取所述第二多项式次数和所述第二多项式系数包括以下步骤：将所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度代入第二改正公式中，利用多项式对所述第二改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第二多项式系数βi＝(dT·d)-1·dT·Ia，其中，N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数，Ia为入射角效应改正后的回波强度，d为所述距离，T为矩阵转置运算，-1为矩阵逆运算；所述第二多项式次数根据最小二乘法拟合中误差最小及多项式次数最小的原则进行确定。所述回波强度改正模型的公式为：其中，Ic为改正后回波强度数据，ds为参考距离，θs为参考入射角，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式系数、N2为所述第二多项式次数，βi为所述第二多项式系数、I为实测回波强度数据、θ为实测入射角、d为实测距离。所述步骤1中，所述面状的材料目标的外径为10-15厘米，所述面状的材料目标的形状为方形或矩形或圆形。所述步骤1中，扫描过程中的所述入射角以预设步长从0°转至90°，所述预设步长设置为5°-10°。本专利技术的优点是：(1)有效实现了对长距离地面三维激光雷达回波强度数据进行改正的技术难题，数据改正的精度高，数据改正的效率高，能够对多种材料的回波强度数据进行改正；(2)采用了室内定标法建立了对回波强度数据入射角效应改正方法，避免了仪器系统特性对入射角效应的影响；采用了室外定标法对长距离地面三维激光雷达回波强度数据的距离效应进行改正。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：实施例一：本实施例具体涉及一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，通过室内标定和室外标定联合使用，解决长距离地面三维激光雷达回波强度数据改正的技术难题。本实施例中的长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，包括以下步骤：步骤1：在室内环境下采用三维激光雷达以相同的距离对一面状的材料目标进行扫描，扫描过程中的入射角以预设步长从0°转至90°并记录每个入射角对应的第一回波强度；步骤2：在室外环境下采用三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；步骤3：对第一回波强度和第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在室内环境下，采用三维激光雷达以相同的距离和多个不同的入射角对一材质均匀的材料目标进行扫描，并记录每个所述入射角对应的第一回波强度；步骤2：在室外环境下，采用所述三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；步骤3：对所述第一回波强度和所述第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。

【技术特征摘要】
1.一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在室内环境下，采用三维激光雷达以相同的距离和多个不同的入射角对一材质均匀的材料目标进行扫描，并记录每个所述入射角对应的第一回波强度；步骤2：在室外环境下，采用所述三维激光雷达对自然同质目标进行扫描，并记录三维激光雷达从测距最小值到最大值之间多个距离对应的第二回波强度；步骤3：对所述第一回波强度和所述第二回波强度进行分析计算以建立回波强度改正模型。2.根据权利要求1所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：建立所述三维激光雷达的入射角计算公式和距离计算公式；根据所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度进行计算以获取第一多项式次数和第一多项式系数；对所述步骤2中的所述距离和对应的所述第二回波强度进行入射角效应改正，根据改正后的数据进行计算以获取第二多项式次数和第二多项式系数；根据所述入射角计算公式、所述距离计算公式、所述第一多项式次数、所述第一多项式系数、所述第二多项式次数、所述第二多项式系数建立所述回波强度改正模型。3.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，所述入射角计算公式和所述距离计算公式为：其中，θ为所述入射角，cos-1为反余弦运算，为入射激光向量，为点云法向量，d为距离，(x,y,z)为所述材料目标的三维空间坐标，(x0,y0,z0)为所述三维激光雷达仪器的三维空间坐标。4.根据权利要求2所述的一种长距离地面三维激光雷达回波强度数据的改正方法，其特征在于，计算获取所述第一多项式次数和所述第一多项式系数包括以下步骤：将所述步骤1中的所述入射角和对应的所述第一回波强度代入第一改正公式中，利用多项式对所述第一改正公式进行最小二乘法拟合以获取所述第一多项式系数αi＝(θT·θ)-1·θT·I，其中，I为所述第一回波强度，N1为所述第一多项式次数，αi为所述第一多项式...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭凯，张卫国，陈锦，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31