[发明专利]一种基于扫描点云测距、测角的定权方法

说明书

本发明提供了一种基于扫描点云测距、测角的定权方法，涉及扫描点云建模领域中点云拟合部分，其包括：首先，根据三维激光扫描仪的测量原理，由测量斜距、激光光束的水平角和竖直角得到扫描点云的坐标公式；接着，将坐标公式两边微分，通过微分表达式和协方差传播率求出点云的协方差阵；然后，将扫描点云的直角坐标系转换为相应的极坐标系，用已知的坐标值表示扫描点云的测量距离和角度；最后，由一个点位的协方差阵写出N个扫描点云的协方差阵，并根据协方差阵与协因数的关系，求解扫描点云的协因数阵。三维激光扫描点云不仅是不等精度的而且是相关的，一般的定权方式没有考虑点云间的相关性。本发明重点探讨了观测向量和系数矩阵完全相关性条件下的定权方式，与以往的定权方式相比，本发明的定权方式更完善、精度更高。

技术领域

本发明涉及三维激光扫描技术领域，重点研究三维建模中点云拟合参数求解问题，具体是一种基于扫描点云测距、测角的定权方法，以期提高点云拟合精度、强化建模效果。

背景技术

随着现代科技信息的飞速发展，人们对于三维数字产品精度的要求越来越高，三维激光扫描仪获取的点云数据的质量直接影响三维数字产品的质量。因此，如何将点云数据处理成为高精度的三维数字产品是研究的热点和难点。数据处理主要流程包括点云降噪、点云配准和三维建模等，其中如何利用点云数据建立精确的三维模型，是三维激光扫描技术应用的一个关键问题。

点云拟合是三维建模的一个重要方面，对其研究要追溯于18世纪，从开始带有误差的观测值中求得最优参数估值的最小二乘算法(TLS)，到后来的同时考虑观测方程和系数矩阵误差的整体最小二乘算法(WTLS),研究者们进行了大量的研究，但因三维激光扫描是通过发射和接收激光来获取被扫描物体的距离和角度，从而获取目标物三维坐标信息，因此，三维激光扫描仪获取的点云数据不仅是不等精度的而且具有相关性，通常进行点云拟合时，将协方差阵看作是等精度的单位阵，不符合点云数据的特性，当考虑点云相关性时，即观测向量与系数矩阵是相关的，系数矩阵的权阵将不再是对角阵且系数矩阵与观测向量之间的协因数阵不为零。所以，在研究点云拟合定权方式时应考虑点云的相关性，建立一种更完善的定权方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描点云测距、测角的定权方法，该方法将观测向量与系数矩阵之间的相关性考虑在内、可有效解算出点云数据的拟合参数，并提高点云的拟合精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于扫描点云测距、测角的定权方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据三维激光扫描仪的测量原理，由测量斜距、激光光束的水平角和竖直角构建点云的坐标公式；

步骤2，将求出的点云坐标公式进行微分，通过微分表达式和协方差传播定律求出坐标点云的协方差阵；

步骤3，将扫描点云的直角坐标系转换为相应的点云极坐标系，用已知的x、y、z坐标值表示出扫描点云的测量距离和角度；

步骤4，由步骤2得到的一个点位的协方差阵，根据扫描点云的性质，进一步写出N个扫描点云的协方差阵；

步骤5，根据扫描点云的协方差阵，以及扫描点云协方差阵和协因数阵的关系，求出扫描点云的协因数阵。

作为优选，本发明提供的一种基于扫描点云测距、测角的定权方法，所述的由测量斜距、激光光束的水平角和竖直角构建点云的坐标公式，其具体实现在步骤1中，以仪器中心为原点的三维坐标系中，已知激光光束的测量斜距ρ、激光光束的水平角和竖直角θ，根据三维激光扫描原理得到点云坐标公式：

作为优选，一种基于扫描点云测距、测角的定权方法，所述的通过微分表达式和协方差传播定律求出坐标点内的协方差阵，其具体过程在步骤2中，将步骤1中的点云坐标公式两边进行微分，通过微分表达式和协方差传播定律求出点云坐标的方差阵如式(2)～(4)所示：