CN105203023B - 一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，通过在标定场中的物体上固定一定数量的具有反光特性的人工标志，获取这些人工标志点的地心坐标。选取布设有标志点的某处位置作为站点，让载有三维激光扫描***的车辆停止在该站点，利用三维采集方式采集到一系列标志点云，对这些标志点云进行识别与定位，并建立在激光扫描坐标系L中。人工标志的地心坐标通过坐标转换方式从地心坐标系(WGS84)转换到惯性平台坐标系(I)，并和激光扫描坐标系(L)中的坐标通过坐标转换模型实现变换，求得安置参数。该方法仅在一站就可以进行标定，降级了数学转换模型的复杂程度，提高了对安置参数标定的效率。

Description

一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法
技术领域
本发明涉及一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法。属于利用光学为特征的测量技术领域。
背景技术
随着激光扫描速度、精度以及海量数据处理能力的不断提高，激光扫描仪逐步成为车载移动测量***的主要传感器，称为车载激光扫描***。
目前车载三维激光扫描***安置参数标定的方法主要是通过以二维采集方式设置不同的水平扫描角，需要让车辆在行驶中进行按照一定的扫描角度进行测量，对测量物体的平面度要求较高；而且需要测量多次，获得不同扫描角度下的测量数据，即二维扫描方式，其过程较为繁琐。然后，将扫描后的目标点和标志点地心坐标直接建立整体的安置参数转换模型，根据公共点的地心坐标和瞬时点云坐标，通过最小二乘法估计参数，涉及了多次转换，模型复杂度高，而且两套坐标尺度差距较大，直接计算容易产生舍入误差。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提出了一种对车载三维激光扫描***进行一站式的标定方法，用于解决现有技术标定方法复杂导致的标定效率低的问题。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，包括如下步骤：
步骤(一)、在标定场中的物体上固定一定数量的具有反光特性的人工标志，获取这些人工标志点的地心坐标；
步骤(二)、选取标志点的某处位置作为站点，让载有三维激光扫描***的车辆停止在该站点，利用激光扫描***对物体进行三维扫描，采集得到一系列标志点云。
步骤(三)、对这些标志点云进行识别与定位，获取其在激光扫描坐标系L中的坐标。
步骤(四)、人工标志的地心坐标通过坐标转换方式从地心坐标系(WGS84)转换到惯性平台坐标系(I)，并和激光扫描坐标系(L)中的坐标通过坐标转换模型实现变换，求得安置参数。
进一步的，步骤(三)所述的对标志点云进行识别与定位方法是：1)通过对标志点云进行阈值分割，2)将落在接收阈内的标志点云聚类，3)剔除噪声目标，4)确定标志点在激光扫描坐标系的重心坐标。
进一步的，所述阈值分割过程中，对于落在接受阈内的标志点给予保留，阈值随标志点的回光反射距离和角度不同而变化。
进一步的，设置标志点初始重心，标志点云采用逐一分类的方式，计算标志点重心，对重心进行重建实现自增长聚类。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
以往利用三维激光扫描***标定参数是通过以二维采集方式设置一定的水平扫描角度多次测量，利用载有激光扫描***的车辆在行驶中测量的结果进行参数解算，过程较为复杂，效率低，影响测量的数据精度。该发明在保证定姿定位***正常工作后，在标定场中采用让载有激光扫描***的车辆短暂停止，并以三维采集方式，迅速采集标志的点云数据。因为仅在一站进行测量，大大提高了标定的效率。进而，由于获得的数据与采用二维扫描方式不同，所以在建立安置参数解算数学模型时，可以将公共点的绝对坐标先通过定姿定位结果转换到载体坐标系，再和激光扫描坐标系的数据结合求解安置参数，从而将复杂的参数估计数学模型简化成单次坐标转换的参数解算模型，解算效率高。
而且，利用激光扫描***采集的标志点云，通过移动阈值分割、自增长聚类分析等算法实现对人工标志的自动定位和识别，也能相应提高精度。
附图说明
图1是本发明安置参数标定场；
图2是本发明标定场中人工标志的布设；
图3是本发明安置参数解算模型的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
(一)、人工标志的地心坐标获取
如图1所示为本发明安置参数标定场，在标定场选取已知点S1，并且已知该点的高精度坐标，在检定场另选5个控制点，S5和S6是两个可以相互通视的控制点。
如图2所示为本发明标定场中人工标志的布设，在S5附近的物体上固定一定数量的具有反光特性的人工标志。在S5设置全站仪，S6架设棱镜，利用方向观测法测角和激光测距获取人工标志的站心坐标。设站心坐标系的原点A的坐标为(B0,L0,H0)，则对应的的空间直角坐标系形式为(X0,Y0,Z0)。任一一点地心坐标(X,Y,Z)与站心坐标(N,E,U)之间的转换关系，如下式表示：
式中：
通过上式的逆变换就可以得到人工标志的地心坐标。
(二)、利用激光扫描***采集三维标志点云
在标定场中选取一处测量站点，驾驶载有激光扫描***的车辆行至该站点并停止，利用车载三维激光扫描***通过三维采集方式，对安放人工标志的物体进行扫描，采集得到一系列标志点云。
(三)、标志点云的自动识别与定位
1、利用激光扫描仪得到采集点的距离信息，通过KNN计算每个点的邻阈并拟合成平面，其中目标点与一起中心的连线与平面法线间的夹角为入射角，将距离和入射角代入整体模型，得到回光反射标志在该条件下期望的回光反射值(即为阈值)，对于落在该接收阈内的点给予保留。
2、将测量目标组成集合T，每个目标由激光***采集的多个激光点组成。对每个目标定义一个定位点O，用单个目标所包含点的重心来表示。若目标Ti由n个点组成，则Ti的重心O为：
从分割中得到的点集中任选一点作为第一目标点Ti，目标的重心坐标用该点的坐标进行初始化。遍历分割后的点集，对分割后的点集进行编号，按照顺序比较目标点和目标重心O的欧式距离l；对于第i点，若l小与目标直径d，则i点属于该目标，将其加入该目标，并更新目标的重心；若第i点不属于任何目标，则重新建立一个新的目标，其重心初始化为该点的坐标。对于不同类别目标用不同颜色表示出来。
3、在激光采集***扫描得到的点集中会存在噪声点，利用平面度、尺寸、期望的点数等点集的特性，对噪声点进行剔除。
4、对于反射标志，可以采用回光强度加权的方法求取重心坐标，如下式所示：
其中：K为第i个目标Ti的点数，Aj为第j点的回光强度。
将得到的标志点坐标建立在激光扫描坐标系L中。
以上聚类实施方式中，采用了欧式距离法实现目标点的自增长聚类，也可 以采用k-均值聚类算法，最邻近聚类算法等。
(四)、建立安置参数解算模型
如图3所示为本发明安置参数解算模型的流程图，人工标志的地心坐标通过坐标转换方式转换到载体坐标系(惯性平台坐标系)，具体方式如下：
(1)地心坐标系WGS84转换到当地水平坐标系LH
车载激光扫描***中主GNSS接收机相位中心坐标为(B,L,H)，直角坐标形式为设工人标志坐标为(x84,y84,z84)T。将WGS84坐标系绕Z轴逆时针旋转L，在绕Y轴顺时针旋转90度+B，得到旋转矩阵RW，可完成旋转变换。综合得到标志中心坐标从WGS84到LH的变换模型，如下式：
(2)当地水平坐标系LH转换到惯性平台坐标系I
惯性平台坐标系I中存放的是载体的定姿定位坐标信息，利用定姿定位***的三个瞬时姿态角(航向角、侧滚角、仰俯角)确定由LH到I的三个旋转欧拉角，继而得到旋转矩阵RN。惯导元件在进行导航时，加入了重力异常的补偿，使得三个欧拉角是以当地水平参考系(以参考椭球的法线作为Z轴)为参考坐标系，因此，垂线偏差得到了改正。将I的坐标原点定位天线相位中心，人工标志在I系下的坐标为(xI,yI,zI)T，则标志地心坐标到惯性平台坐标的转换模型如下式：
(3)安置参数解算
激光坐标系和惯性平台坐标系都为三维右手直角坐标系，且两者间为刚性变换，通过3个平移参数和3个旋转参数(α,β,γ)建立转换模型进 行转换，坐标转换模型如下式：
其中，[xL，yL，zL]T为激光坐标系L中的坐标；
通过转换模型可以计算出平移参数和旋转参数(即为6个安置参数)。其中，旋转参数从旋转矩阵RM求得，其中：
RM＝R(γ)R(β)R(α) (8)

Claims (4)

1.一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(一)、在标定场中的物体上固定一定数量的具有反光特性的人工标志，获取这些人工标志点的地心坐标；
步骤(二)、选取标志点的某处位置作为站点，让载有三维激光扫描***的车辆停止在该站点，利用激光扫描***对物体进行三维扫描，采集得到一系列标志点云；
步骤(三)、对这些标志点云进行识别与定位，获取其在激光扫描坐标系L中的坐标；
步骤(四)、人工标志的地心坐标通过坐标转换方式，利用车载激光扫描***中主GNSS接收机相位中心坐标，从地心坐标系转换到当地水平坐标系，再转换到惯性平台坐标系，并将激光扫描坐标系中的坐标和转换得到的惯性平台坐标系中的坐标带入公式中，求得安置参数,其中[xI,yI,zI]T为人工标志在惯性平台坐标系中的坐标，[xL,yL,zL]T为人工标志在激光扫描坐标系中的坐标，RM为旋转矩阵，为平移参数。
2.根据权利要求1所述的一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，其特征在于：步骤(三)所述的对标志点云进行识别与定位步骤包括：1)通过对标志点云进行阈值分割，2)将落在接收阈内的标志点云聚类，3)剔除噪声目标，4)确定标志点在激光扫描坐标系的重心坐标。
3.根据权利要求2所述的一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，其特征在于：所述阈值分割过程中，对于落在接收阈内的标志点给予保留，阈值随标志点的回光反射距离和角度不同而变化。
4.根据权利要求2所述的一种车载三维激光扫描***安置参数的一站式标定方法，其特征在于：所述标志点云聚类包括设置标志点初始重心，标志点云采用逐一分类的方式，计算标志点重心，对重心进行重建实现自增长聚类。
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