基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法技术

本发明专利技术公开了基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，包括原始激光点云生成，进行POS航迹线解算；蒙特卡洛仿真激光点云生成；基于时间戳的激光点云快速关联；机载/车载激光点云精度预估分析，基于对齐后的原始激光点云和n组姿态角蒙特卡洛仿真激光点云进行统计分析，在此基础上顾及天线相位中心位置的中误差，实现对激光点云坐标的空间分布特征和规律的分析及整体精度的预测与评估。本发明专利技术适用于任何激光扫描设备获取的点云、适用于任何地形、无需建立误差传播方程及条件假定，能为机载激光扫描工程项目中的点云精度预估、设备选型提供有效依据，有利于保证工程数据质量，具有显著的社会及经济效益。具有显著的社会及经济效益。具有显著的社会及经济效益。

【技术实现步骤摘要】
基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法


[0001]本专利技术属于测绘科学与
，具体涉及基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，其不仅可以对机载/车载激光点云整体精度进行预估，而且可以分析激光点云精度的空间分布特征，为激光点云质量控制及机载/车载激光扫描设备选择提供技术支撑。
技术背景
[0002]激光雷达(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一种快速、精确获取大范围地面三维信息的测绘新技术，具有精度高、自动化程度高、数据生产周期短等优点。由于测量系统的复杂性，机载激光雷达获取的激光点云精度受多因素综合影响，主要误差源包括：激光测距误差、GNSS定位误差、姿态角测量误差、时间误差等。其中，姿态角测量误差可分为系统误差和随机误差。姿态角系统误差，又称安置角误差，可通过仪器检校来消除；而姿态角随机误差，是一种符合正态分布的偶然误差，由IMU测量精度决定，无法消除。姿态角误差，是影响激光点云位置精度的关键因素。
[0003]目前，国内外学者关于激光点云定位精度分析的研究，主要是根据LiDAR获取点云的原理，在综合考虑扫描航高、扫描角度、安置角、坐标转换等因素的基础上，建立激光点云定位误差传播方程，通过将误差传播方程线性化得到姿态角随机误差与点云定位精度之间的定量评价方程。Dickman用数值仿真的方法模拟平面地形进行了实验研究；王建军在此基础上增加了长方形地形和半球体地形的相关实验，定量评价了不同地形下姿态角随机误差对点云定位精度的影响。总而言之，当前算法主要存在如下缺陷：
[0004]第一，大多为理论公式推导，推导过程中存在较多假设。虽然许多学者对激光点云定位精度进行了理论公式推导，但往往进行了很多近似处理，不能真实反映激光点云的精度。激光扫描测量设备在获取激光点云过程中，受诸多因素综合影响，采用上述理论公式，不能直接回答人们所关心的激光扫描测量设备当前设备指标下所获得点云的位置误差问题。
[0005]第二，假设各类误差之间相互独立，而这与现实并不相符。为实现误差方程的线性化，一般假设各类误差之间相互独立。然而，实际上各个误差源之间存在着复杂的联系，简单地将各个误差源视为相互独立的变量，将导致定量评价结果与实际情况不符。
[0006]本专利提出一种基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法。采用蒙特卡洛仿真的方法，将待分析的误差源，如姿态角误差，引入到原始测量数据中，模拟计算新的点云三维坐标，直观反映该误差源对激光点云位置精度的影响。该方法不仅可以对激光点云的精度进行整体评价和预估，而且可以对激光点云精度影响的空间分布规律进行分析。相比传统理论方法，模拟仿真结果更真实、准确和直接，对生产实践具有重要的指导意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对传统理论方法对激光点云定位精度推算不准确的诸多缺陷，提出了基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，对机载/车载激光扫描设备的主要误差源——姿态角随机误差进行模拟，对模拟仿真激光点云和原始激光点云进行对比分析，实现机载/车载激光点云三维坐标精度的空间规律分析与整体预估评价。
[0008]为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：
[0009]基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、生成原始激光点云；
[0011]步骤2、生成蒙特卡洛仿真激光点云；
[0012]步骤3、删除原始激光点云和蒙特卡洛仿真激光点云中的多回波激光点，并进行原始激光点云和蒙特卡洛仿真激光点云对齐；
[0013]步骤4、计算每个激光点其对应的平面中误差高程中误差三维位置中误差δ
k
、以及激光点三维坐标的总体精度并进一步计算姿态角误差对激光点云影响的整体平面中误差δ
平面
、高程中误差δ
高程
、三维位置中误差δ
总
指标。
[0014]如上所述的步骤1包括以下步骤：
[0015]步骤1.1、从机载激光雷达设备中导出流动站数据、激光测距原始数据，将地面GNSS基准站数据转换为Rinex标准格式；
[0016]步骤1.2、对机载GNSS观测数据联合地面GNSS基准站数据进行精密差分解算，再将精密差分解算得到的各时刻机载GNSS天线的中心位置坐标联合惯性传感器记录的飞行姿态数据进行联合解算，得到POS航迹线；
[0017]步骤1.3、联合激光测距原始数据、POS航迹线进行激光点云解算，获得原始激光点云。
[0018]如上所述的原始激光点云的每个激光点在WGS
‑
84坐标系中的三维空间坐标通过下式计算：
[0019][0020]其中，p
k
为第k个激光发射点到激光脚点间的距离向量，(0，0,p
k
)
T
为第k个激光脚点在瞬时激光束坐标系中的坐标，为第k个激光脚点从瞬时激光束坐标系到激光扫描参考坐标系的转换矩阵，为第k个激光脚点的安置误差旋转矩阵，为激光发射参考中心与惯性平台参考中心的偏移量，为天线相位中心与惯性平台参考中心的偏移量，为第k个激光脚点的姿态角旋转矩阵，为第k个激光脚点从当地水平参考坐标系到当地垂直参考坐标系的旋转矩阵，为第k个激光脚点从当地垂直参考坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，为第k个激光脚点在获取瞬间GNSS测定
的天线相位中心在WGS
‑
84坐标系中的坐标，为第k个激光脚点在WGS
‑
84坐标系中的坐标，k∈[1,l]，l为激光点个数，其中，
[0021][0022]式中：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]c
k3
＝cosP
k cosR
k
[0032]其中，R
k
，P
k
，H
k
分别为第k个激光脚点在获取瞬间对应的激光扫描设备的侧滚角、俯仰角、航偏角。
[0033]如上所述的步骤2包括以下步骤：
[0034]步骤2.1、姿态角随机误差蒙特卡洛仿真：设激光扫描系统中侧滚角、俯仰角、航偏角的标称中误差分别为δ
R
、δ
P
、δ
H
，蒙特卡洛仿真组数为n，计算每组蒙特卡洛仿真的姿态角随机误差，每组蒙特卡洛仿真的姿态角随机误差包括侧滚角随机误差俯仰角随机误差以及航偏角随机误差
[0035][0036][0037][0038]其中，randn()为Matlab软件中的标准高斯随机误差生成函数，
p
2为POS航迹线中的记录总数，j代表蒙特卡洛仿真组编号；
[0039]步骤2.2、将步骤2.1中生成的侧滚角随机误差俯仰角随机误差以及航偏角随机误差逐一加到原始激光点云POS航迹线中姿态角的侧滚角R、俯仰角P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、生成原始激光点云；步骤2、生成蒙特卡洛仿真激光点云；步骤3、删除原始激光点云和蒙特卡洛仿真激光点云中的多回波激光点，并进行原始激光点云和蒙特卡洛仿真激光点云对齐；步骤4、计算每个激光点其对应的平面中误差高程中误差三维位置中误差δ
k
、以及激光点三维坐标的总体精度并进一步计算姿态角误差对激光点云影响的整体平面中误差δ
平面
、高程中误差δ
高程
、三维位置中误差δ
总
指标。2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下步骤：步骤1.1、从机载激光雷达设备中导出流动站数据、激光测距原始数据，将地面GNSS基准站数据转换为Rinex标准格式；步骤1.2、对机载GNSS观测数据联合地面GNSS基准站数据进行精密差分解算，再将精密差分解算得到的各时刻机载GNSS天线的中心位置坐标联合惯性传感器记录的飞行姿态数据进行联合解算，得到POS航迹线；步骤1.3、联合激光测距原始数据、POS航迹线进行激光点云解算，获得原始激光点云。3.根据权利要求2所述的基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，其特征在于，所述的原始激光点云的每个激光点在WGS
‑
84坐标系中的三维空间坐标通过下式计算：其中，p
k
为第k个激光发射点到激光脚点间的距离向量，(0，0,p
k
)
T
为第k个激光脚点在瞬时激光束坐标系中的坐标，为第k个激光脚点从瞬时激光束坐标系到激光扫描参考坐标系的转换矩阵，为第k个激光脚点的安置误差旋转矩阵，为激光发射参考中心与惯性平台参考中心的偏移量，为天线相位中心与惯性平台参考中心的偏移量，为第k个激光脚点的姿态角旋转矩阵，为第k个激光脚点从当地水平参考坐标系到当地垂直参考坐标系的旋转矩阵，为第k个激光脚点从当地垂直参考坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，为第k个激光脚点在获取瞬间GNSS测定的天线相位中心在WGS
‑
84坐标系中的坐标，为第k个激光脚点在WGS
‑
84坐标系中的坐标，k∈[1,l]，l为激光点个数，其中，
式中：式中：式中：式中：式中：式中：式中：式中：c
k3
＝cosP
k
cosR
k
其中，R
k
，P
k
，H
k
分别为第k个激光脚点在获取瞬间对应的激光扫描设备的侧滚角、俯仰角、航偏角。4.根据权利要求3所述的基于蒙特卡洛仿真的机载/车载激光点云精度预估方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下步骤：步骤2.1、姿态角随机误差蒙特卡洛仿真：设激光扫描系统中侧滚角、俯...

【专利技术属性】
技术研发人员：明洋，刘亚萍，陈楚江，张霄，曾聪，唐钰涵，常青，
申请(专利权)人：中交第二公路勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：