本发明专利技术公开了一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，属于大地测量技术领域，用于激光扫描仪的指标评估，包括：利用激光扫描仪对空间布设的多个靶标球进行重复测量获取靶标球中心坐标的测量值，利用高精度设备获取靶标球中心坐标的参考值，从而对激光扫描仪的多项指标进行评估。指标具体包括径向重复性、标靶重复性、径向距离示值误差和空间距离示值误差。激光扫描仪中心与基准靶标球中心的连线方向为激光扫描仪的径向，激光扫描仪固连的坐标系为扫描坐标系，高精度设备固连的坐标系为参考坐标系。主要利用基于半径约束的球型拟合算法计算靶标球中心坐标和基于三维坐标变换模型计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数。换参数。换参数。
【技术实现步骤摘要】
一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法
[0001]本专利技术公开了一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，属于大地测量
技术介绍
[0002]现有技术中，利用基线的方法做仪器指标评估时，为保证测得的距离是基线的实际距离，需要严格要求仪器对中整平、仪器和目标之间的高度保持一致以及要求地面平整等条件，使得操作的复杂化；利用激光干涉仪测量到球形靶标的距离，需要有高精度的直线导轨和特定的场地，花费的成本较高；利用全站仪等传统单点测量仪器观测球形靶标的方法，如果只是测量球形靶标表面少量点，则拟合球面得到的球心坐标不精确，如果测量的点较多，则时间成本较大；利用不同位置、不同高度扫描仪扫描不同高度的目标物，不仅靶标的布设比较复杂，还需要改变扫描仪的高度，实验中误差出现的概率增加；另外，现有技术中对于靶标中心坐标的拟合，仅仅是基于部分球面而没有其它约束条件，拟合的中心坐标不精确。此外，利用经纬仪等类似仪器获取参考数据的操作流程也较为复杂，数据的精度不够高；或者是利用其它固定结构式靶标的方法来进行指标评估，均对实验环境和靶标结构构造等方面均有要求，实际操作效率低，难度大。整体上来说，现有技术需要诸多外部约束满足的情况下才能完成指标评估。
技术实现思路
[0003]本专利技术提出了一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，解决现有技术中靶标中心坐标的拟合约束条件较少，导致精度偏低的问题。
[0004]一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，包括：S1.采集靶标球点云数据；S2.基于半径约束的球型拟合算法获取靶标球中心坐标；S3.使用测量设备获取靶标球中心坐标；S4.基于三维坐标变换模型计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数；S5.评估激光扫描仪的多项指标；S5.1.评估激光扫描仪的径向重复性和标靶重复性；S5.2.评估激光扫描仪的径向距离示值误差；S5.3.评估激光扫描仪的空间距离示值误差。
[0005]优选地，步骤S1包括：在试验场内布设多个靶标球，每个靶标球到激光扫描仪的距离不相同，且每个靶标球架设高度不相同，保证靶标球在试验场呈空间分布，同时架设激光扫描仪，利用激光扫描仪对试验场中的靶标球进行重复测量，获取多组点云数据。
[0006]优选地，步骤S2包括：设与激光扫描仪固连的坐标系为扫描仪坐标系，利用手工或软件提取步骤S1获取
的点云数据中的靶标球，靶标球的半径已知为，设单个靶标球的点云数据中有个点，每个点的坐标为，，在此基础上建立空间球面方程：其中，,分别为球心坐标和半径；对式展开并移项可得：记：按下式求解超定方程：经计算即可得到，，，的值，即得到扫描仪坐标系下靶标球中心坐标的近似值和靶标球半径的近似值；构造函数，对函数在处进行线性化，令，，，，，,得到：其中，为靶标球半径的设计值，设靶标球的半径约束方程为：利用间接平差，将式和式联立并写成改正数的形式，得到：
分别是对应的改正数，联立式和式可得：对式运用间接平差进行参数求解，令，其中：得到：计算平差后的值：即得到基于半径约束的球型拟合算法获取的靶标球中心坐标的测量值和靶标球半径。
[0007]优选地，S3包括：以工业测量系统为基础，工业测量系统基于空间前方交会利用两台经纬仪进行坐标量测，设与工业测量系统固连的坐标系为参考坐标系，得到参考坐标系下靶标球中心坐标的参考值。
[0008]优选地，S4包括：设由步骤S2得到扫描仪坐标系下的个靶标球中心坐标为，由步骤S3得到参考坐标系下的个靶标球中心坐标为，基于方向余弦的三维坐标变换模型计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数，则有：
其中,,,,,,,,,为方向余弦，，，为扫描仪坐标系原点相对于参考坐标系原点在，，方向上的平移值；由于上述9个方向余弦构成的矩阵为正交矩阵，通过3个方向余弦值推算其它6个方向余弦值，通过3组以上的靶标球中心坐标利用最小二乘法即可求解式中各参数的值，即得到参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数。
[0009]优选地，径向重复性和标靶重复性具体为，基于扫描仪对单个目标物的重复测量；径向距离示值误差和空间距离示值误差具体为，依靠参考值和测量值进行对比。
[0010]优选地，S5.1包括：通过激光扫描仪对单个靶标球重复测量次，得到单个靶标球的组点云数据，，由步骤S2计算得到单个靶标球的组中心坐标，其中，计算单个靶标球到激光扫描仪的组绝对距离：对组绝对距离求平均值以及组中心坐标的分量分别求平均值：求取每组靶标球的中心点位偏差：评估径向重复性：评估标靶重复性：
。
[0011]优选地，S5.2包括：选取试验场中一个靶标球作为基准靶标球，个靶标球作为投影靶标球，基准靶标球和投影靶标球的选取原则：选取距离激光扫描仪最近的靶标球作为基准靶标球，选取距离基准靶标球较近的多个靶标球作为投影靶标球；通过激光扫描仪对靶标球重复测量次，由步骤S2得到基准靶标球中心坐标的测量值和投影靶标球中心坐标的测量值，其中，，由步骤S3得到基准靶标球中心坐标的参考值和投影靶标球中心坐标的参考值；基于测量值计算基准靶标球中心到激光扫描仪中心的绝对距离：基于测量值计算投影靶标球中心到激光扫描仪中心的绝对距离：将投影靶标球中心坐标的测量值投影到激光扫描仪中心与基准靶标球中心的连线，该连线在激光扫描仪的径向上，设激光扫描仪中心坐标为，则在的方向上的投影为:则激光扫描仪径向上相对距离的测量值为：再根据步骤S4计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数，将基准靶标球和投影靶标球中心坐标的参考值代入式，得到激光扫描仪坐标系下基准靶标球和投影靶标球转换后的中心坐标的参考值和：
根据上述两式的结果按照式、式、式和式的步骤依次进行计算，得到激光扫描仪径向上相对距离的参考值，最后计算径向距离示值误差：取次重复测量得到的径向距离示值误差的最大值作为激光扫描仪径向距离示值误差的评估结果。
[0012]优选地，S5.3包括：通过激光扫描仪对靶标球重复测量次，其中，由步骤S2得到个靶标球中心坐标的测量值，，由步骤S3得到个靶标球中心坐标的参考值,基于参考值计算多个靶标球两两之间空间距离的参考值，其中和为靶标球的序号：基于测量值计算多个靶标球两两之间空间距离的测量值：基于多个靶标球两两之间空间距离的测量值和参考值计算空间距离示值误差：计算空间距离示值误差的标准偏差：
取标准偏差最大值作为激光扫描仪空间距离示值误差的评估结果。
[0013]与现有技术对比，本专利技术的有益效果是：本专利技术摆脱了现有技术对于场地的固定需求，实现了在任意场地下进行实验，在激光扫描仪获取靶标表面大量三维坐标的基础上，基于半径约束的球型拟合算法得到球心坐标，极大提高了提取靶标中心坐标的精度；参考数据的获取设备的测量精度只要高于激光扫描仪，即可使用，并不需要特定的仪器或集成化的装置，节约成本的同时扩大了适用场景；在实验时通常固定扫描仪的位置，减少了激光扫描仪的因移动而导致的误差；选取的球型靶标由于各向异性更加稳定可靠，使得采集的点云密度均匀、数量合适；操作流程简单，能较为高效地完成对激光扫描仪精度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，其特征在于，包括：S1.采集靶标球点云数据；S2.基于半径约束的球型拟合算法获取靶标球中心坐标；S3.使用测量设备获取靶标球中心坐标；S4.基于三维坐标变换模型计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数；S5.评估激光扫描仪的多项指标；S5.1.评估激光扫描仪的径向重复性和标靶重复性；S5.2.评估激光扫描仪的径向距离示值误差；S5.3.评估激光扫描仪的空间距离示值误差。2.根据权利要求1所述的一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，其特征在于，步骤S1包括：在试验场内布设多个靶标球，每个靶标球到激光扫描仪的距离不相同，且每个靶标球架设高度不相同，保证靶标球在试验场呈空间分布，同时架设激光扫描仪，利用激光扫描仪对试验场中的靶标球进行重复测量，获取多组点云数据。3.根据权利要求2所述的一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，其特征在于，步骤S2包括：设与激光扫描仪固连的坐标系为扫描仪坐标系，利用手工或软件提取步骤S1获取的点云数据中的靶标球，靶标球的半径已知为，设单个靶标球的点云数据中有个点，每个点的坐标为，，在此基础上建立空间球面方程：其中，,分别为球心坐标和半径；对式展开并移项可得：记：按下式求解超定方程：经计算即可得到，，，的值，即得到扫描仪坐标系下靶标球中心坐标的近似值和靶标球半径的近似值；
构造函数，对函数在处进行线性化，令，，，，，,得到：其中，为靶标球半径的设计值，设靶标球的半径约束方程为：利用间接平差，将式和式联立并写成改正数的形式，得到：得到：分别是对应的改正数，联立式和式可得：对式运用间接平差进行参数求解，令，其中：得到：计算平差后的值：
即得到基于半径约束的球型拟合算法获取的靶标球中心坐标的测量值和靶标球半径。4.根据权利要求3所述的一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，其特征在于，S3包括：以工业测量系统为基础，工业测量系统基于空间前方交会利用两台经纬仪进行坐标量测，设与工业测量系统固连的坐标系为参考坐标系，得到参考坐标系下靶标球中心坐标的参考值。5.根据权利要求4所述的一种空间多靶标布设的激光扫描仪指标评估方法，其特征在于，S4包括：设由步骤S2得到扫描仪坐标系下的个靶标球中心坐标为，由步骤S3得到参考坐标系下的个靶标球中心坐标为，基于方向余弦的三维坐标变换模型计算参考坐标系到扫描仪坐标系的转换参数，则有：其中,,,,,,,,,为方向余弦，，，为扫描仪坐标系原点相对于参考坐标系原点在，，方向上的平移值；由于上述9个方向余弦构成的矩阵为正交矩阵，通过3个方向余弦值推算其它6个方向余弦值，通过3组以上的靶标球中心坐标利用最小二乘法即可求解式中各参数的值，即得到参考坐...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵春丽，黄承义，周剑波，褚加志，布如源，
申请(专利权)人：青岛环海海洋工程勘察研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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