一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法。屬于利用光 學(xué)為特征的測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光掃描速度、精度以及海量數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，激光掃描儀逐步成 為車載移動(dòng)測量系統(tǒng)的主要傳感器，稱為車載激光掃描系統(tǒng)。
[0003]目前車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)標(biāo)定的方法主要是通過以二維采集方式設(shè) 置不同的水平掃描角，需要讓車輛在行駛中進(jìn)行按照一定的掃描角度進(jìn)行測量，對(duì)測量物 體的平面度要求較高；而且需要測量多次，獲得不同掃描角度下的測量數(shù)據(jù)，即二維掃描方 式，其過程較為繁瑣。然后，將掃描后的目標(biāo)點(diǎn)和標(biāo)志點(diǎn)地心坐標(biāo)直接建立整體的安置參數(shù) 轉(zhuǎn)換模型，根據(jù)公共點(diǎn)的地心坐標(biāo)和瞬時(shí)點(diǎn)云坐標(biāo)，通過最小二乘法估計(jì)參數(shù)，涉及了多次 轉(zhuǎn)換，模型復(fù)雜度高，而且兩套坐標(biāo)尺度差距較大，直接計(jì)算容易產(chǎn)生舍入誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種對(duì)車載三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行 一站式的標(biāo)定方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)定方法復(fù)雜導(dǎo)致的標(biāo)定效率低的問題。
[0005] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟（一）、在標(biāo)定場中的物體上固定一定數(shù)量的具有反光特性的人工標(biāo)志，獲取 這些人工標(biāo)志點(diǎn)的地心坐標(biāo)；
[0008] 步驟（二）、選取標(biāo)志點(diǎn)的某處位置作為站點(diǎn)，讓載有三維激光掃描系統(tǒng)的車輛停 止在該站點(diǎn)，利用激光掃描系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，采集得到一系列標(biāo)志點(diǎn)云。
[0009] 步驟（三）、對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行識(shí)別與定位，獲取其在激光掃描坐標(biāo)系L中的坐 標(biāo)。
[0010] 步驟（四）、人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式從地心坐標(biāo)系（WGS84)轉(zhuǎn)換到 慣性平臺(tái)坐標(biāo)系（I)，并和激光掃描坐標(biāo)系（L)中的坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)變換，求得 安置參數(shù)。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟（三）所述的對(duì)標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行識(shí)別與定位方法是：1)通過對(duì)標(biāo)志 點(diǎn)云進(jìn)行閾值分割，2)將落在接收閾內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)云聚類，3)剔除噪聲目標(biāo)，4)確定標(biāo)志點(diǎn) 在激光掃描坐標(biāo)系的重心坐標(biāo)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述閾值分割過程中，對(duì)于落在接受閾內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)給予保留，閾值隨標(biāo) 志點(diǎn)的回光反射距離和角度不同而變化。
[0013] 進(jìn)一步的，設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)初始重心，標(biāo)志點(diǎn)云采用逐一分類的方式，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)重 心，對(duì)重心進(jìn)行重建實(shí)現(xiàn)自增長聚類。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0015] 以往利用三維激光掃描系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)是通過以二維采集方式設(shè)置一定的水平掃 描角度多次測量，利用載有激光掃描系統(tǒng)的車輛在行駛中測量的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)解算，過程 較為復(fù)雜，效率低，影響測量的數(shù)據(jù)精度。該發(fā)明在保證定姿定位系統(tǒng)正常工作后，在標(biāo)定 場中采用讓載有激光掃描系統(tǒng)的車輛短暫停止，并以三維采集方式，迅速采集標(biāo)志的點(diǎn)云 數(shù)據(jù)。因?yàn)閮H在一站進(jìn)行測量，大大提高了標(biāo)定的效率。進(jìn)而，由于獲得的數(shù)據(jù)與采用二維 掃描方式不同，所以在建立安置參數(shù)解算數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以將公共點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)先通過定 姿定位結(jié)果轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系，再和激光掃描坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)結(jié)合求解安置參數(shù)，從而將復(fù) 雜的參數(shù)估計(jì)數(shù)學(xué)模型簡化成單次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的參數(shù)解算模型，解算效率高。
[0016] 而且，利用激光掃描系統(tǒng)采集的標(biāo)志點(diǎn)云，通過移動(dòng)閾值分割、自增長聚類分析等 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人工標(biāo)志的自動(dòng)定位和識(shí)別，也能相應(yīng)提高精度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明安置參數(shù)標(biāo)定場；
[0018] 圖2是本發(fā)明標(biāo)定場中人工標(biāo)志的布設(shè)；
[0019]圖3是本發(fā)明安置參數(shù)解算模型的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021] (一）、人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)獲取
[0022] 如圖1所示為本發(fā)明安置參數(shù)標(biāo)定場，在標(biāo)定場選取已知點(diǎn)Si，并且已知該點(diǎn)的高 精度坐標(biāo)，在檢定場另選5個(gè)控制點(diǎn)，&和S6是兩個(gè)可以相互通視的控制點(diǎn)。
[0023] 如圖2所示為本發(fā)明標(biāo)定場中人工標(biāo)志的布設(shè)，在S5附近的物體上固定一定數(shù)量 的具有反光特性的人工標(biāo)志。在S5設(shè)置全站儀，56架設(shè)棱鏡，利用方向觀測法測角和激光 測距獲取人工標(biāo)志的站心坐標(biāo)。設(shè)站心坐標(biāo)系的原點(diǎn)A的坐標(biāo)為（B。，L。，H。)，則對(duì)應(yīng)的的空 間直角坐標(biāo)系形式為（HZ。）。任一一點(diǎn)地心坐標(biāo)（X，Y，Z)與站心坐標(biāo)（N，E，U)之間的 轉(zhuǎn)換關(guān)系，如下式表示：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 通過上式的逆變換就可以得到人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)。
[0028](二）、利用激光掃描系統(tǒng)采集三維標(biāo)志點(diǎn)云
[0029] 在標(biāo)定場中選取一處測量站點(diǎn)，駕駛載有激光掃描系統(tǒng)的車輛行至該站點(diǎn)并停 止，利用車載三維激光掃描系統(tǒng)通過三維采集方式，對(duì)安放人工標(biāo)志的物體進(jìn)行掃描，采集 得到一系列標(biāo)志點(diǎn)云。
[0030] (三）、標(biāo)志點(diǎn)云的自動(dòng)識(shí)別與定位
[0031] 1、利用激光掃描儀得到采集點(diǎn)的距離信息，通過KNN計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的鄰閾并擬合成 平面，其中目標(biāo)點(diǎn)與一起中心的連線與平面法線間的夾角為入射角，將距離和入射角代入 整體模型，得到回光反射標(biāo)志在該條件下期望的回光反射值（即為閾值），對(duì)于落在該接收 閾內(nèi)的點(diǎn)給予保留。
[0032] 2、將測量目標(biāo)組成集合T，每個(gè)目標(biāo)由激光系統(tǒng)采集的多個(gè)激光點(diǎn)組成。對(duì)每個(gè) 目標(biāo)定義一個(gè)定位點(diǎn)〇,用單個(gè)目標(biāo)所包含點(diǎn)的重心來表示。若目標(biāo)由n個(gè)點(diǎn)組成，則Ti 的重心0為： _3]
(3>
[0034] 從分割中得到的點(diǎn)集中任選一點(diǎn)作為第一目標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)的重心坐標(biāo)用該點(diǎn)的坐 標(biāo)進(jìn)行初始化。遍歷分割后的點(diǎn)集，對(duì)分割后的點(diǎn)集進(jìn)行編號(hào)，按照順序比較目標(biāo)點(diǎn)和目標(biāo) 重心0的歐式距離1 ;對(duì)于第i點(diǎn)，若1小與目標(biāo)直徑d，則i點(diǎn)屬于該目標(biāo)，將其加入該目 標(biāo)，并更新目標(biāo)的重心；若第i點(diǎn)不屬于任何目標(biāo)，則重新建立一個(gè)新的目標(biāo)，其重心初始 化為該點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)于不同類別目標(biāo)用不同顏色表示出來。
[0035] 3、在激光采集系統(tǒng)掃描得到的點(diǎn)集中會(huì)存在噪聲點(diǎn)，利用平面度、尺寸、期望的點(diǎn) 數(shù)等點(diǎn)集的特性，對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除。
[0036] 4、對(duì)于反射標(biāo)志，可以采用回光強(qiáng)度加權(quán)的方法求取重心坐標(biāo)，如下式所示： 剛
⑷
[0038]兵甲：K艿弟1個(gè)目稱凡的總數(shù)，A」艿弟j總的回尤強(qiáng)度。
[0039] 將得到的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立在激光掃描坐標(biāo)系L中。
[0040] 以上聚類實(shí)施方式中，采用了歐式距離法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的自增長聚類，也可以采用 k_均值聚類算法，最鄰近聚類算法等。
[0041] (四）、建立安置參數(shù)解算模型
[0042] 如圖3所示為本發(fā)明安置參數(shù)解算模型的流程圖，人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)通過坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系（慣性平臺(tái)坐標(biāo)系），具體方式如下：
[0043] (1)地心坐標(biāo)系WGS84轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系LH
[0044] 車載激光掃描系統(tǒng)中主GNSS接收機(jī)相位中心坐標(biāo)為（B,L,H)，直角坐標(biāo)形式為 ("#)7，設(shè)工人標(biāo)志坐標(biāo)為（x84,y84,zS4)T。將WGS84坐標(biāo)系繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)L，在 繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度+B，得到旋轉(zhuǎn)矩陣Rw，可完成旋轉(zhuǎn)變換。綜合得到標(biāo)志中心坐標(biāo)從WGS84到LH的變換模型，如下式： _5](5)
[0046] (2)當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系LH轉(zhuǎn)換到慣性平臺(tái)坐標(biāo)系I
[0047] 慣性平臺(tái)坐標(biāo)系I中存放的是載體的定姿定位坐標(biāo)信息，利用定姿定位系統(tǒng)的三 個(gè)瞬時(shí)姿態(tài)角（航向角、側(cè)滾角、仰俯角）確定由LH到I的三個(gè)旋轉(zhuǎn)歐拉角，繼而得到旋轉(zhuǎn) 矩陣RN。慣導(dǎo)元件在進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，加入了重力異常的補(bǔ)償，使得三個(gè)歐拉角是以當(dāng)?shù)厮絽?考系（以參考橢球的法線作為Z軸）為參考坐標(biāo)系，因此，垂線偏差得到了改正。將I的坐 標(biāo)原點(diǎn)定位天線相位中心，人工標(biāo)志在I系下的坐標(biāo)為（Xl，YDZl) T，則標(biāo)志地心坐標(biāo)到慣性 平臺(tái)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模型如下式：
[0048]
(6)
[0049] (3)安置參數(shù)解算
[0050] 激光坐標(biāo)系和慣性平臺(tái)坐標(biāo)系都為三維右手直角坐標(biāo)系，且兩者間為剛性變換， 通過3個(gè)平移參數(shù)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（a, 0，y)建立轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換模型如下式：
[0051]
(7)
[0052] 其中，[xt，yt，zJT為激光坐標(biāo)系L中的坐標(biāo)；
[0053] 通過轉(zhuǎn)換模型可以計(jì)算出平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)（即為6個(gè)安置參數(shù)）。其中，旋轉(zhuǎn) 參數(shù)從旋轉(zhuǎn)矩陣RM求得，其中：
[0054] RM= R(y)R(P)R(a ) (8)
[0055]
[0056]
[0057]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，其特征在于包括如下步 驟： 步驟（一）、在標(biāo)定場中的物體上固定一定數(shù)量的具有反光特性的人工標(biāo)志，獲取這些 人工標(biāo)志點(diǎn)的地心坐標(biāo)； 步驟（二）、選取標(biāo)志點(diǎn)的某處位置作為站點(diǎn)，讓載有三維激光掃描系統(tǒng)的車輛停止在 該站點(diǎn)，利用激光掃描系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，采集得到一系列標(biāo)志點(diǎn)云； 步驟（三）、對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行識(shí)別與定位，獲取其在激光掃描坐標(biāo)系L中的坐標(biāo)； 步驟（四）、人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式從地心坐標(biāo)系（WGS84)轉(zhuǎn)換到慣性 平臺(tái)坐標(biāo)系（I)，并和激光掃描坐標(biāo)系（L)中的坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)變換，求得安置 參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利1所述的一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，其特征 在于：步驟（三）所述的對(duì)標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行識(shí)別與定位步驟包括：1)通過對(duì)標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行閾 值分割，2)將落在接收閾內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)云聚類，3)剔除噪聲目標(biāo)，4)確定標(biāo)志點(diǎn)在激光掃描 坐標(biāo)系的重心坐標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利2所述的一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，其特征 在于：所述閾值分割過程中，對(duì)于落在接受閾內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)給予保留，閾值隨標(biāo)志點(diǎn)的回光反 射距離和角度不同而變化。4. 根據(jù)權(quán)利2所述的一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，其特征 在于：設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)初始重心，標(biāo)志點(diǎn)云采用逐一分類的方式，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)重心，對(duì)重心進(jìn)行 重建實(shí)現(xiàn)自增長聚類。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車載三維激光掃描系統(tǒng)安置參數(shù)的一站式標(biāo)定方法，通過在標(biāo)定場中的物體上固定一定數(shù)量的具有反光特性的人工標(biāo)志，獲取這些人工標(biāo)志點(diǎn)的地心坐標(biāo)。選取布設(shè)有標(biāo)志點(diǎn)的某處位置作為站點(diǎn)，讓載有三維激光掃描系統(tǒng)的車輛停止在該站點(diǎn)，利用三維采集方式采集到一系列標(biāo)志點(diǎn)云，對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)云進(jìn)行識(shí)別與定位，并建立在激光掃描坐標(biāo)系L中。人工標(biāo)志的地心坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式從地心坐標(biāo)系(WGS84)轉(zhuǎn)換到慣性平臺(tái)坐標(biāo)系(I)，并和激光掃描坐標(biāo)系(L)中的坐標(biāo)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)變換，求得安置參數(shù)。該方法僅在一站就可以進(jìn)行標(biāo)定，降級(jí)了數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型的復(fù)雜程度，提高了對(duì)安置參數(shù)標(biāo)定的效率。
【IPC分類】G01B11/00
【公開號(hào)】CN105203023
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510406380
【發(fā)明人】王力, 李廣云, 李明磊, 李宗春, 周陽林, 楊振, 鄧勇, 劉靈杰, 宗文鵬, 彭逸凡
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍信息工程大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年7月10日