一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法技术

本发明专利技术涉及一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法，包括以下步骤：(1)获取点与面目标的扫描观测值和参考真实值，对两目标点集三维配准与粗差探测；(2)将配准转换参数作为初始位姿参数，对观测值与参考值间的系统性偏差采用误差模型描述；(3)将系统误差参数设为零与初始位姿参数进行最小二乘估计，获得优化的位姿参数和观测量权重；(4)以点与面为约束的附有参数条件平差，对系统误差参数与位姿参数进行最优估计；(5)利用估计的参数改正扫描观测值，采用数学统计改正前后观测值与参考值间的偏差，评价提高精度与程度。与现有方法相比，本发明专利技术具有综合多种约束，所有参数同时最优估计，准确性好，精度高，易操作特点。

A calibration method of 3D laser scanning with point and face feature constraints at the same time

【技术实现步骤摘要】
一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法
本专利技术涉及三维激光扫描仪的检校方法，尤其是密集点云成像的三维激光扫描仪，同时参考点与面特征目标的高精度坐标，通过比较扫描仪观测值与参考值间的偏差，对扫描仪观测值中的系统误差进行探测、估计并改正的检校方法。
技术介绍
三维激光扫描是一种非接触式主动测量技术，通过脉冲式或相位式激光测距和瞬时偏转角来快速获取物体表面的精确、密集三维离散点坐标(点云数据)，被称为“实景复制”。并根据扫描仪的位置和姿态，通过空间坐标转换得到外部坐标系下的三维空间坐标；为三维空间信息获取和三维场景构建提供了一种全新的高精度、高分辨率、高效率的技术手段。适用于对地遥感观测、地形测绘、三维建模、无人车和机器人的避障与导航、航天器对接与制导等应用领域均具有广阔的发展前景和应用需求。由于受仪器构造缺陷、工业制造水平、测量环境限制等因素的影响，其观测和处理过程中受多种因素不同程度的影响，导致扫描获得数据与处理结果中带有很大的数据不确定性，且处理结果的数据质量依赖于原始观测数据的精度。扫描仪的系统误差对观测精度影响显著，且对处理结果的影响具有累积性。另外，随着扫描仪的长时间放置或经常搬运，其关键器件老化或结构变形，都将加大系统误差的影响。因此，为使扫描仪在各测量任务中最佳地发挥作用，满足高精度应用的需求，就必须对扫描仪的表现性能和测量精度及误差影响规律进行测试与评定，对扫描仪的显著系统误差进行探测并改正。其中，系统误差对测量精度的影响非常显著，需要通过检校方法进行系统误差参数进行估计、标定并改正。>根据检校过程中参考目标的形状特征，先后出现的检校方法有：①基于面的检校，能方便地在现场选取参考基准面，且容易获得大量的多余观测值；但仅提供一维方向的约束，即以点到平面的距离最小为条件，缺少角度或方位约束，通常适用于稀疏点云情况。②基于点的检校，能有效地探测距离和两个角度三维方向的偏差，但需要均匀布设并精确测量大量点目标，消耗人力和物力，一般适用于密集点云情况。同时参考点与面特征目标，能提供更全面的约束条件，综合两种约束的优势，既利用高精度点目标又以面目标为补充，一定程度上克服对大量点目标的依赖。另外，同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪的检校方法还尚未见报道，且采用多种特征混合的联合平差还较少。
技术实现思路
针对现有方法的技术空白和缺点，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种综合多种几何约束，所有参数同时最优估计，准确性好，速度快，易操作的同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪的检校方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪系统误差的检校方法，其特点是充分利用点到面的距离、点到点的距离和两个角度上的几何约束，既增加面检校中的约束条件，又克服对大量点目标的依赖，从而达到提高测量精度和成像质量。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：(1)构建同时参考点与面特征约束的三维激光扫描仪系统误差检校的观测条件方程和联合平差模型，同时参考点和面目标的几何约束，分别建立点到面的距离、点到点的距离和两个角度的几何模型，构建同时参考多种特征混合的联合观测条件方程，建立点与面特征约束检校的联合平差模型，系统误差参数整体解算；(1―1)三维激光扫描仪获得点与面特征目标上的三维坐标，通过坐标的旋转与平移，转换到外部参考坐标系中，根据几何约束条件那么同时参考点面特征的联合观测条件方程为式中，为第j扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，为第i个点目标的外部坐标系的坐标向量，为第j个扫描站在外部坐标系的位置坐标向量，为第j个扫描站的第i个扫描点本体坐标向量；为第k个面目标的法向量，dk为扫描原点到目标面的正交距离；其中，扫描仪在本体坐标系下的坐标向量采用带有系统误差的极坐标下原始观测量表示为式中，(x,y,z)为扫描仪本体直角坐标系下的点坐标，(ρ,θ,α)为扫描仪本体极坐标系下的观测量；ερ、εθ和εα分别为扫描仪原始观测量的距离、水平角和垂直角的随机误差量，在平差计算中可表示为残差量；Δρ、Δθ和Δα分别为扫描仪原始观测量的距离、水平角和垂直角的系统误差改正量，这里采用附有参数的函数来对系统性偏差量进行准确描述并改正，表示为：Δρ＝a0+a1ρΔθ＝b0/cosα+b1tanαΔα＝c0+c1α式中，Δρ为径向距离ρ的改正量，a0为测距加常数，a1为测距乘常数；Δθ为水平角θ的改正量，b0为激光光束不垂直于扫描棱镜旋转轴的误差，b1为棱镜旋转轴的倾斜误差；Δα为垂直角α的改正量，c0为垂直角偏差，c1为垂直角尺度误差。(1―2)在以点目标和面目标的检校中，考虑目标点和基准面中带有误差和扫描仪中存在系统误差情况，联合点目标到外部坐标转换模型和面目标到外部坐标转换模型，可构成点与面约束的扫描本体坐标到外部基准坐标转换函数模型，即检校平差数学模型的基本公式可表示为：式中，为平差观测量，即扫描仪最初极坐标ρ、θ和α的观测值；为平差的未知数，包括扫描仪的系统误差参数和位姿参数；ΔXj为第j扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵，为第j扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，是3个旋转角的函数；为第j扫描站中第i个扫描点本体直角坐标，采用实际测量带有误差的对应的径向距离、水平角和竖直角来表示，为第i个点目标在外部坐标系中的直角坐标；(ak,bk,ck)为第k个目标面的法向量，dk为扫描原点到目标面的正交距离。(1―3)将联合的平差数学模型分别对观测量和所有参数求偏导，并线性化后得到基于点与面约束的检校平差的误差方程；当混合检校中有m个扫描站，p个点目标和k个面目标，且每个面目标上有q个采样点，则采用附有参数的条件平差建立的误差方程为r＝3mp+kq,n＝3mp,u＝6m+uAP+3p解算观测值与参数的改正数最优解，采用拉格朗日乘法求条件极值的原理：Φ＝VTPV-2KT(BV+AδX+W)→min式中，K∈Rc×1为对应于条件方程的联系数向量，P为观测值权阵(对称正定矩阵)，函数的自变量为V及δX。为使Φ最小，将上式分别对V、δX和K的一阶偏导数并令其等于零，得到：根据误差传播定律得到参数的协方差阵为：根据附有参数的条件平差解算可得：Nbb＝BQBT，Naa＝AT(BQBT)-1A，协因数阵为：单位权中误差为：各参数的中误差为：(2)点与面特征约束的检校的全参数自动稳健处理与分析，同时参考点与面特征的几何约束，根据观测方程与条件平差模型，构建同时参考点与面特征目标的三维激光扫描仪的附有参数的条件平差检校处理方法，对整体平差过程中对扫描仪的系统误差参数与位姿参数进行准确估计与分析；具体步骤分以下四步：(2―1)目标点集的三维配准与粗差剔除，使用扫描仪在多个站点对物方空间中不同位置的参考目标进行扫描，通过目标到目标的配准将多个扫描站获得的本体坐标下点云转换到外部坐标系；这里采用刚体转换的布尔萨模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)使用扫描仪在多个站点对物方空间中不同位置的点与面目标进行扫描作为扫描观测值，并使用高精度全站仪三维测量系统获得点与面目标三维坐标作为参考真实值，采用刚体转换的布尔萨模型将扫描观测点集与参考真实点集进行目标到目标的三维配准，将多个扫描站获得的本体坐标系下三维点云转换到物方空间的外部坐标系，将两坐标系间的转换关系作为初始位姿参数；这里获得第j扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵ΔX

【技术特征摘要】
1.一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)使用扫描仪在多个站点对物方空间中不同位置的点与面目标进行扫描作为扫描观测值，并使用高精度全站仪三维测量系统获得点与面目标三维坐标作为参考真实值，采用刚体转换的布尔萨模型将扫描观测点集与参考真实点集进行目标到目标的三维配准，将多个扫描站获得的本体坐标系下三维点云转换到物方空间的外部坐标系，将两坐标系间的转换关系作为初始位姿参数；这里获得第j扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵ΔXj和旋转矩阵作为初始的位姿参数；同时对点与面目标上的配准点集进行粗差探测，根据3倍的中误差为阈值，将观测值与参考值间距离大于阈值的目标点作为粗差点进行剔除；
(2)以同时布设点状与面状目标为参考目标，参考点与面目标的高精度坐标作为参考真实值，通过比较配准后的三维激光扫描仪观测值与参考值间的所有偏差量，分析扫描仪原始观测量中径向距离ρ、水平角θ和垂直角α所带有的偏差分布情况，发现系统性的偏差，利用系统误差模型对系统性偏差量进行准确描述并用来改正原始观测量，表示为：
Δρ＝a0+a1ρ
Δθ＝b0/cosα+b1tanα
Δα＝c0+c1α
式中，Δρ为径向距离ρ的改正量，a0为测距加常数，a1为测距乘常数；Δθ为水平角θ的改正量，b0为激光光束不垂直于扫描棱镜旋转轴的误差，b1为棱镜旋转轴的倾斜误差；Δα为垂直角α的改正量，c0为垂直角偏差，c1为垂直角尺度误差；
(3)利用最小二乘法对无系统误差参数的配准点集进行最小二乘估计，获得优化的位姿参数和观测量权重；根据权利要求该步骤具体包括以下内容：
(3―1)根据同时参考点和面目标的几何约束条件，建立了点到面的距离、点到点的距离的几何模型，构建三维激光扫描仪同时参考点与面特征的联合观测条件方程为：



式中，为第j扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，为第i个点目标的外部坐标系的坐标向量，为第j个扫描站在外部坐标系的位置坐标向量，为第j个扫描站的第i个扫描点本体坐标向量；为第k个面目标的法向量，dk为扫描原点到目标面的正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向锋，舒嵘，谢锋，徐卫明，王凤香，刘智慧，张长兴，刘成玉，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31