專利名稱：一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)，特別是涉及通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)對機(jī)載激光雷達(dá)點云進(jìn)行平差計算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是近幾年來快速發(fā)展起來的一門新的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)通過集成激光測距技術(shù)、全球定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)為一體，能夠以固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等作為空中安置平臺，快速獲取高精度、高密度的地表三維點坐標(biāo)，并通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理技術(shù)快速獲取高精度的數(shù)字高程模型。因為機(jī)載激光雷達(dá)屬于主動式遙感技術(shù)，受天氣影響較小，理論上能夠全天時獲取數(shù)據(jù)，因此機(jī)載激光雷達(dá)成為目前快速獲取高精度數(shù)字高程模型最有效的方法之一。機(jī)載激光雷達(dá)點云的精度會受到多方面的影響，比如:數(shù)據(jù)獲取時航飛高度、點云密度、系統(tǒng)誤差、檢校誤差、機(jī)載POS設(shè)備精度以及數(shù)據(jù)后處理方法等。雖然利用檢校場后處理的方法能夠消除大部分系統(tǒng)誤差，但最終點云數(shù)據(jù)依然會在平面和高程上存在一定的誤差，這些誤差一般在10 20cm左右，而且這些誤差很難通過檢校場的方法進(jìn)一步減小。一般來說，系統(tǒng)誤差由設(shè)備制造商在設(shè)備出廠之前進(jìn)行過精確校正，航飛高度、點云密度、檢校誤差等可以按照最優(yōu)的方法進(jìn)行設(shè)計(如降低航飛高度，增加點云密度，設(shè)置合適的檢校場等)，在以上條件都確定的情況下，數(shù)據(jù)后處理的方法將會導(dǎo)致不同的誤差。在目前的設(shè)備制造、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)條件下，機(jī)載激光雷達(dá)在工程中應(yīng)用的精度根據(jù)地形條件的不同，大概在10 30cm左右，而對于一些需求更高精度的工程項目來說，目前的精度還無法滿足生產(chǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有機(jī)載激光雷達(dá)點云精度提高方面存在的問題，本發(fā)明推出一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)對機(jī)載激光雷達(dá)點 云進(jìn)行平差計算的方法，其目的在于，利用野外布設(shè)的具有特種標(biāo)識的控制點，由機(jī)載激光雷達(dá)點云和其它精確測量方法分別獲取控制點的兩套坐標(biāo)，通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，對點云進(jìn)行平差計算，獲取更加準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)，提高點云精度。本發(fā)明涉及的一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，采用機(jī)載激光雷達(dá)航飛獲取布設(shè)控制點的研究區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，利用其它測量方法測量控制點在工程坐標(biāo)系中的真實三維坐標(biāo)，得到了控制點在機(jī)載激光雷達(dá)點云坐標(biāo)系和工程坐標(biāo)系中的兩套坐標(biāo)，然后基于控制點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并建立通用轉(zhuǎn)換模型，分別對不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部和外部的激光雷達(dá)點云進(jìn)行平差計算，最終得到準(zhǔn)確的激光點云數(shù)據(jù)。具體技術(shù)步驟包括:布設(shè)控制點，獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，提取控制點的三維坐標(biāo)，測量控制點的真實三維坐標(biāo)，剔除粗差控制點，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，計算通用轉(zhuǎn)換模型，利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算，利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。S1、布設(shè)控制點
在研究區(qū)域內(nèi)選取和布設(shè)多個地面控制點，控制點數(shù)量不少于4個。S2、獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)域內(nèi)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，包括:機(jī)載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)和地面GPS基站靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)。S3、提取控制點的三維坐標(biāo)對POS數(shù)據(jù)和地面GPS基站靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，并利用大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，計算機(jī)載激光雷達(dá)點云的三維坐標(biāo)；利用控制點在激光點云上的幾何特征信息和控制點的位置信息，提取控制點在激光點云坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。S4JlJ量控制點的真實三維坐標(biāo)

采用GPS、全站儀以及水準(zhǔn)儀等測量設(shè)備，精確測量現(xiàn)場布設(shè)的地面控制點在工程坐標(biāo)系中的真實三維坐標(biāo)。S5、剔除粗差控制點利用機(jī)載激光雷達(dá)點云提取的控制點三維坐標(biāo)和其它測量設(shè)備測量的控制點三維坐標(biāo)的差值，計算控制點中誤差和誤差均值，再根據(jù)設(shè)定的粗差閾值，剔除包含粗差的控制點，剔除粗差之后的控制點數(shù)量不少于4個。S6、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)利用剔除粗差之后的控制點，按照構(gòu)建Delaunay不規(guī)則三角網(wǎng)的算法建立不規(guī)則三角網(wǎng)。S7、計算通用轉(zhuǎn)換模型利用剔除粗差之后的控制點在機(jī)載激光雷達(dá)點云坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)和測量的真實坐標(biāo)，采用三次多項式模型計算通用轉(zhuǎn)換模型。S8、利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算根據(jù)構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)，逐個判斷點云與不規(guī)則三角網(wǎng)中三角形的位置關(guān)系，利用構(gòu)成三角形的三個控制點對位于該三角形內(nèi)部的點云進(jìn)行平差計算，得到平差計算后的點云數(shù)據(jù)。S9、利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對于不包含在任何一個三角形之內(nèi)的激光點云，利用計算的通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。S10、獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)將經(jīng)過平差計算的不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部的點云與利用通用轉(zhuǎn)換模型計算的三角形之外的點云合并，得到最終經(jīng)過平差計算后的點云數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果是:可對機(jī)載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維平差計算，減少系統(tǒng)誤差，消除因平面誤差導(dǎo)致的高程二類誤差的影響，提高了機(jī)載激光雷達(dá)點云平面和高程的測量精度，能夠使機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到對精度要求更高的工程應(yīng)用中，降低人力成本并提高工作效率。


圖1為本發(fā)明所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法的流程圖。圖中標(biāo)記說明:S1、布設(shè)控制點，S2、獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，S3、提取控制點的三維坐標(biāo)，S4、測量控制點的真實三維坐標(biāo)，S5、剔除粗差控制點，S6、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，S7、計算通用轉(zhuǎn)換模型，S8、利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算，S9、利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，S10、獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。
具體實施例方式結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的具體實施方式
作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明所涉及的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法包括以下技術(shù)步驟:S1、布設(shè)控制點航飛之前，在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)和選擇穩(wěn)定的控制點，控制點的布設(shè)要根據(jù)對精度的需要進(jìn)行，精度要求越高，需要布設(shè)的控制點越多?？刂泣c的布設(shè)要方便采用常規(guī)方法進(jìn)行現(xiàn)場測量，易于利用機(jī)載激光雷達(dá)的強(qiáng)度、點位、高程等信息判斷控制點的位置。布設(shè)的控制點數(shù)量不少于4個。S2、獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)選擇適宜的航飛天氣，根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的航線設(shè)計文件，獲取研究區(qū)域的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)過程中，需要布設(shè)地面GPS基站，并與機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備上攜帶的動態(tài)GPS進(jìn)行同步觀測，地面GPS基站的間距不大于50公里。獲取研究區(qū)域內(nèi)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包括:激光點云數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)、地面GPS基站靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)。研究區(qū)域內(nèi)至少包括一個適合的檢校場并獲取正確的檢校數(shù)據(jù)。S3、提取控制點的三維坐標(biāo)利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)與地面GPS基站靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，獲取準(zhǔn)確的航跡線坐標(biāo)；利用檢校場對激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢校，主要改正激光雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與慣性導(dǎo)航單元系統(tǒng)的坐標(biāo)軸之間的系統(tǒng)誤差，即測滾角誤差、俯仰角誤差和航偏角誤差；然后利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)與地面GPS基站靜態(tài)同步觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合解算結(jié)果和檢校后的激光雷達(dá)參數(shù)，計算得到每一個激光點的三維坐標(biāo)。利用控制點在激光點云上表現(xiàn)出來的各種形狀、大小等幾何特征、回波強(qiáng)度信息以及控制點的位置信息 ，提取出與控制點相關(guān)的點云，采用線性回歸的方法擬合控制點的坐標(biāo)，再根據(jù)激光點內(nèi)插獲得控制點在激光點云坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。S4、測量控制點的真實三維坐標(biāo)利用GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀實地測量現(xiàn)場布設(shè)的地面控制點在工程坐標(biāo)系中的真實
三維坐標(biāo)。S5、剔除粗差控制點利用機(jī)載激光雷達(dá)點云提取的控制點的三維坐標(biāo)和其它測量設(shè)備測量的控制點的真實三維坐標(biāo)差值計算控制點中誤差和誤差均值，再根據(jù)設(shè)定的粗差閾值，剔除粗差控制點；剔除粗差之后的控制點數(shù)量不少于4個。S6、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)利用剔除粗差之后的控制點，采用Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建法則建立不規(guī)則三角網(wǎng)，并對構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的控制點建立索引信息。S7、計算通用轉(zhuǎn)換模型利用剔除粗差之后剩余的控制點在機(jī)載激光雷達(dá)點云坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)和測量的真實坐標(biāo)，采用三次多項式模型計算通用轉(zhuǎn)換模型。采用的計算通用轉(zhuǎn)換模型三次多項式模型如下:F (X) =Ci^a 1 x+a2x2+a3x3F (y) =b0+b1y+b2y2+b3y3F (z) =c0+c1z+c2z2+c:iz:}上述三次方多項式中:aQ、B1, a2、bQ、b2、b3、cQ、C1, c2、C3分別表示三次多項式中需要確定的系數(shù)，X、y> z分別表示控制點的坐標(biāo)分量。S8、利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算利用S6建立的控制點的索引信息，并利用根據(jù)點云提取的控制點的坐標(biāo)信息，對激光點進(jìn)行逐點判斷，確定每一個激光點與構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)的三角形之間的位置對應(yīng)關(guān)系。判斷激光點是否位于三角形內(nèi)部的條件為:任何一個激光點與構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)中的三角形的三條邊構(gòu)成三個新的三角形，如果三個新的三角形的面積之和等于該三角形的面積，則判定該點位于該三角形內(nèi)，否則判定其位于該三角形之外。對于位于相鄰三角形邊上的點，遵循“第一次優(yōu)先選擇”的原則，即如果一個激光點已經(jīng)被一個三角形所選中，則在進(jìn)行該點與相鄰三角形的位置關(guān)系判斷時，即使符合上述判斷條件，也不會再次選中該激光點。對落在不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部的激光點，利用構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)的控制點，對三角網(wǎng)內(nèi)部的激光點進(jìn)行局部平差計算，得到經(jīng)過不規(guī)則三角網(wǎng)平差計算后的激光點云數(shù)據(jù)；將不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)過平差計算的激光點云單獨輸出保存。S9、利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對不規(guī)則三角網(wǎng)之外的激光點云，利用S6計算的通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；將不規(guī)則三角網(wǎng)之外經(jīng)過通用轉(zhuǎn)換模型計算的激光點云單獨輸出保存。Sltl、獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)將經(jīng)過平差計算的不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部的激光點云與利用通用轉(zhuǎn)換模型計算的三角形之外的激光點云合并，得到最終經(jīng)過平差計算的點云數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:采用機(jī)載激光雷達(dá)航飛獲取布設(shè)控制點的研究區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，利用其它測量方法測量控制點在工程坐標(biāo)系中的真實三維坐標(biāo)，得到了控制點在機(jī)載激光雷達(dá)點云坐標(biāo)系和工程坐標(biāo)系中的兩套坐標(biāo)，然后基于控制點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并建立通用轉(zhuǎn)換模型，分別對不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部和外部的激光雷達(dá)點云進(jìn)行平差計算，最終得到準(zhǔn)確的激光點云數(shù)據(jù)；具體技術(shù)步驟包括:布設(shè)控制點，獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，提取控制點的三維坐標(biāo)，測量控制點的真實三維坐標(biāo)，剔除粗差控制點，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，計算通用轉(zhuǎn)換模型，利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算，利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述布設(shè)控制點，是在研究區(qū)域內(nèi)選取和布設(shè)多個地面控制點，控制點數(shù)量不少于4個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述測量控制點真實三維坐標(biāo)，采用GPS、全站儀以及水準(zhǔn)儀測量現(xiàn)場布設(shè)的地面控制點的真實三維坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述剔除粗差控制點，根據(jù)設(shè)定的粗差閾值，剔除包含粗差的控制點，剔除粗差之后的控制點數(shù)量不少于4個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，依據(jù)Delaunay三角網(wǎng)法則構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述計算通用轉(zhuǎn)換模型，利用剔除粗差后的控制點在點云坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)和對應(yīng)點位測量的真實三維坐標(biāo)，利用三次多項式模型計算通用轉(zhuǎn)換模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述利用不規(guī)則三角網(wǎng)對點云進(jìn)行平差計算，根據(jù)構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)，逐個判斷點云與不規(guī)則三角網(wǎng)中三角形的位置關(guān)系，利用構(gòu)成三角形的三個控制點對位于該三角形內(nèi)部的點云進(jìn)行平差計算，得到平差計算后的點云數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對于不包含在任何一個三角形之內(nèi)的激光點云，利用計算的通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，其特征在于:所述獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)，將經(jīng)過平差計算的不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部的點云與利用通用轉(zhuǎn)換模型計算的三角形之外的點云合并，得到最終平差計算后的點云數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于不規(guī)則三角網(wǎng)機(jī)載激光雷達(dá)點云平差計算方法，采用機(jī)載激光雷達(dá)航飛獲取布設(shè)控制點的研究區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，利用其它測量方法測量控制點在工程坐標(biāo)系中的真實三維坐標(biāo)，得到了控制點在機(jī)載激光雷達(dá)點云坐標(biāo)系和工程坐標(biāo)系中的兩套坐標(biāo)，然后基于控制點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并建立通用轉(zhuǎn)換模型，分別對不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)部和外部的激光雷達(dá)點云進(jìn)行平差計算，最終得到準(zhǔn)確的激光點云數(shù)據(jù)。具體技術(shù)步驟包括布設(shè)控制點，獲取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，提取控制點的三維坐標(biāo)，測量控制點的真實三維坐標(biāo)，剔除粗差控制點，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，計算通用轉(zhuǎn)換模型，利用不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行平差計算，利用通用轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。
文檔編號G01S17/89GK103217688SQ20131013028
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者高文峰, 韓祖杰, 程寇, 趙海, 謝春喜, 張良會 申請人:鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司