[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

说明书

本发明公开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，方法步骤如下：(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；(2)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；(3)对扫描仪系统误差参数与位姿参数进行最优估计解算；(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)；(5)利用估计的参数值对扫描仪的观测值进行改正，评价估计参数的检校精度与提高程度。本发明的方法具有综合多种约束、准确性好，精度高，易操作等特点。

技术领域

本发明涉及三维激光测绘与标定技术领域，特别是稀疏点云成像的多波束三维激光成像系统，同时参考球与面目标的高精度坐标，通过比较观测值与参考值间的偏差，对成像系统的系统误差进行估计并改正的检校方法。

背景技术

与单点式激光雷达相比，多波束激光雷达同时探测多个激光点，快速获取视场范围内更多的离散三维点，成倍地提高作业效率。由于受仪器构造缺陷、工业制造水平、测量环境限制等因素的影响，其观测和处理过程中受多种因素不同程度的影响，导致扫描获得数据与处理结果中带有很大的数据不确定性。扫描仪的系统误差对观测精度影响显著，且对处理结果的影响具有累积性，需要通过检校方法进行系统误差参数进行估计、标定并改正。

根据检校过程中参考目标的形状，主要有：①参考面的检校，容易获得大量的多余观测值；但仅提供一维方向的约束，即以点到平面的距离最小为条件，缺少角度或方位约束，通常适用于稀疏点云情况。②基于点的检校，能有效地探测距离和两个角度三维方向的偏差，但需要精确测量大量点目标，消耗人力和物力，一般适用于密集点云情况。同时参考球与面目标，可以提供更全面的约束，提高检校精度。另外，同时参考球与面的多波束三维激光成像系统的检校方法还尚未见报道。

发明内容

针对现有方法的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确性好，速度快，易操作的同时参考球与面的多波束三维激光成像系统的检校方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。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，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(如全站仪)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(Iterative Closest Point，迭代最近点)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R(扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵)。由于扫描仪系统误差参数的量值较小，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。根据权利要求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：