[发明专利]同时参考球与面的多波束三维激光成像系统的检校方法

权利要求书

1.一种同时参考球与面的多波束三维激光成像系统的检校方法，其特征在于包括如下步骤：

1)提取球与平面目标上的激光扫描观测点与高精度测量参考点，采用最小二乘拟合法拟合球的球心和平面的法向量；

采用多波束三维激光成像系统在多个站点对物方空间中不同位置的参考球与面目标进行扫描获得视场内点云，并通过点云分割来提取目标上的观测点；同时，采用高精度三维测量系统对参考球与面目标进行测量获得参考基准点，对于球目标与平面目标上的点分别采用最小二乘球拟合与最小二乘平面拟合，获得参考球目标的球心和参考面目标的基准平面法向量；

2)采用观测点到参考面的ICP算法，解算扫描点到参考点之间的变换关系，获得两坐标系间初始的位姿参数；

根据提取的球与面目标上观测点和拟合的参考基准，采用点到参考面的ICP算法进行目标到目标的配准，通过将多个扫描的本体坐标下点云到参考目标的外部坐标间的刚体转换来获得扫描仪初始的位姿参数，即初始的平移量T，扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵，和旋转矩阵扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，这里设置初始值为零；

3)根据同时引入球心对角度与面对距离的约束条件，采用基于条件平差模型的检校平差，对扫描仪系统误差参数与位姿参数进行最优估计解算；该步骤具体包括以下内容：

(1)根据同时引入点和面目标的几何约束条件，建立了点到面的距离、点到点的距离和两个角度的几何模型，构建三维激光扫描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，d_k为扫描原点到面目标的正交距离；

(2)同时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，采用同时引入点与面为约束条件的条件平差模型，利用最小二乘准则，对系统误差参数与位姿参数进行总体最优估计；通过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检校平差模型为：

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，包括扫描仪的位姿参数和系统误差参数；ΔX_j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，可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；(a_k,b_k,c_k)为第k个面目标的法向量，d_k为扫描原点到面目标的正交距离；采用矩阵表示形式为：

式中，A和B分别为方程对参数和观测量的偏导矩阵，V和W分别为残差和闭合差的矩阵；将联合转换函数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的混合检校平差的误差方程，进而根据最小二乘准则采用条件平差模型解算获得扫描仪观测量ρ、θ和α中系统误差参数和位姿参数；

4)对估计参数的观测量的残差进行粗差探测与正态性检验，判断误差是否正态分布，不是则剔除粗差进行步骤(3)，若是则给出最优估计参数值进行步骤(5)；对检校平差过程中的残差的中误差进行统计，将大于3倍中误差的观测量进行检测并剔除，直到残差呈正态分布；

5)利用估计的参数值对扫描仪的观测值进行改正，并采用数学统计改正前后观测值与参考值间的偏差大小，评价估计参数的检校精度与提高程度；

检校结果的精度评定与对比分析，经检校平差估计并改正后的目标点直角坐标、原值观测极坐标与采用高精度测量的参考值进行比较，得到检校前后各值的偏差作为该观测量的误差，通过图形方式描述误差与观测量间的关系分布来定性表示误差分布情况，通过数理统计方法得到偏差的平均值、中位数及均方根统计指标对各误差量进行定量描述。