专利名称：同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法
技术领域：
本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，主要应用于高精度DEM/DSM生产、城市三维建模、真正射影像生产等领域。
背景技术：
机载激光探测与测距(AirborneLight Detecting and Ranging,机载 LiDAR)是一项集成激光扫描仪和定位定姿系统(Positioning and Orientation System, P0S)的三维地形数据快速获取技术。机载LiDAR设备以一定的频率向地面发射激光束并接收地物反射激光信号，根据发射信号与反射信号的时间差计算扫描仪与地物的距离，再结合POS设备获取的平台当前的姿态计算地物的三维坐标。这一过程称为直接对地定位，获取的具有三维坐标的密集地面点称为LiDAR点云，在一条航带飞行中获取的点云称为LiDAR点云条带。在LiDAR点云数据获取过程中，常存在多种误差源，如激光扫描仪测距误差、扫描镜控制误差、激光扫描仪与POS设备时间同步误差、激光扫描仪与POS设备的偏心以及安置角误差、POS观测值系统误差等。其中POS观测值系统误差为主要误差源，以上误差会直接影响所获取的LiDAR点云坐标精度。在LiDAR数据处理的实际生产中发现，点云的高程误差一般在0.3m至1.0m之间，特别是在POS设备精度不高以及GPS信号不理想时，点云坐标误差尤其不能忽视，常导致点云条带之间无法良好吻合、生成的DEM精度无法满足需求。目前在实际生产和学术研究中解决LiDAR点云坐标精度问题时，主要有以下几种方法:①人工选定某一点云条带作为基准，在该条带内平坦处外业测量若干个高程控制点，将基准条带的高程值加减一个常量使其与控制点基本吻合，然后通过将其余点云条带的高程值加减一个常量使其与基准条带在高程方向上尽量吻合；②选定基准条带，在点云条带间重叠区内寻找同名的人字形屋顶面、边缘线特征、角点特征等作为控制数据采用三维空间相似变换改正其余条带变形误差，或是选择地面面片作为虚拟连接点采用二次多项式模型进行点云条带区域网平差；③基于LiDAR三角测量定位模型，在点云条带间手动或自动匹配同名平面片，以此作为控制数据采用最小二乘方法解算激光扫描仪与POS设备之间的安置角误差，在此基础上改正由安置角误差导致的点云坐标误差。①与②采用的点云改正模型并不符合点云条带误差规律，仅能对点云条带误差进行粗略改正。方法③虽基于LiDAR定位模型，但在改正点云时仅改正激光扫描仪与POS设备安置角误差，而LiDAR设备中激光扫描仪与POS设备为高度集成，二者间的安置误差对定位精度的影响一般可忽略。在实际数据获取中，LiDAR点云的主要误差源应为POS系统的定位定姿误差，表现为航带漂移及线性漂移误差。由于目前的LiDAR系统均可配备中等幅面数码相机，可在采集点云的同时获取高分辨率彩色航空影像，可结合少量地面控制点，将POS数据作为带权观测值引入航空影像光束法区域网平差中，解求POS数据的系统误差，进而结合LiDAR严格定位模型改正点云坐标误差
发明内容
本发明的目的是提供一种同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法。本发明的技术方案为一种同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，包括以下步骤，步骤1，结合POS数据及LiDAR点云辅助进行同步航空影像连接点自动匹配；步骤2，采用若干地面控制点，引入POS数据作为带权观测值，进行同步航空影像POS辅助光束法区域网平差，解求POS数据的系统误差；所述地面控制点至少包括测区四角各一个控制点和测区中心的一个控制点；步骤3，对于LiDAR点云数据，根据LiDAR点获取时的GPS时间、POS导航数据文件以及LiDAR点的物方坐标，恢复LiDAR点与LiDAR系统的位置关系，结合在步骤2同步航空影像POS辅助光束法区域网平差中检校所得POS数据的系统误差，对该时刻LiDAR系统的位置与姿态进行改正，并通过重新解算LiDAR点坐标进行LiDAR点云坐标误差改正,实现LiDAR点云精度优化。而且，步骤I实现方式为，由LiDAR点云数据内插生成数字表面模型，在各航空影像上采用Harris算子提取特征点，对于每一特征点根据POS数据和数字表面模型预测在各重叠影像上的同名点位，并采用仿射变换纠正影像间尺度和角度差异，最后依次采用相关系数匹配和最小二乘匹配获取特征点的准确同名点。而且，步骤2所述同步航空影像POS辅助光束法区域网平差的公式如下，Vx=Axq+Bx+CSx-1, PVG=AGq+CGSG-lG, Pg ⑷V^Ajq+CjSj-lj, P1其中，Vx，VG, V1分别为像点坐标、GPS摄站坐标及IMU姿态角观测的改正数向量；q和X分别为影像外方位元素及加密点地面坐标改正数向量；SX，sG, S1分别为像点系统误差、GPS及IMU观测值系统误差改正数向量；AX，Ag, A1, B, C，CG, C1分别为各未知数向量的系数矩阵；1，1G, I1分别为误差方程常数项向量；P，PG, P1分别为像点坐标、GPS摄站坐标及IMU姿态角的权阵。而且，步骤3中LiDAR点云坐标误差改正，实现方式为对LiDAR点云中每一 LiDAR点执行以下步骤，①对于每一个LiDAR点，根据获取LiDAR点时的GPS时间在POS导航数据文件中内插出该时刻POS设备的位置与姿态角，获得t时刻内插获得的GPS天线中心坐标
Kg(t)> YcCt)，(t)
]τ及t时刻内插获得的IMU角度观测值
ω I(t)，I(t)j K I(t) 组成的旋转矩阵
RI (t);②结合该LiDAR点的物方坐标[YP(t)，YP(t), ZP(t)]T，采用下式计算当前时刻该LiDAR点在POS设备坐标系下的坐标[X_，Ylpos(t), Zlpos(t)]T ；
权利要求
1.一种同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤1，结合POS数据及LiDAR点云辅助进行同步航空影像连接点自动匹配； 步骤2，采用若干地面控制点，引入POS数据作为带权观测值，进行同步航空影像POS辅助光束法区域网平差，解求POS数据的系统误差；所述地面控制点至少包括测区四角各一个控制点和测区中心的一个控制点； 步骤3，对于LiDAR点云数据，根据LiDAR点获取时的GPS时间、POS导航数据文件以及LiDAR点的物方坐标，恢复LiDAR点与LiDAR系统的位置关系，结合在步骤2同步航空影像POS辅助光束法区域网平差中检校所得POS数据的系统误差，对该时刻LiDAR系统的位置与姿态进行改正，并通过重新解算LiDAR点坐标进行LiDAR点云坐标误差改正,实现LiDAR点云精度优化。
2.根据权利要求1所述同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，其特征在于:步骤I实现方式为，由LiDAR点云数据内插生成数字表面模型，在各航空影像上采用Harris算子提取特征点，对于每一特征点根据POS数据和数字表面模型预测在各重叠影像上的同名点位，并采用仿射变换纠正影像间尺度和角度差异，最后依次采用相关系数匹配和最小二乘匹配获取特征点的准确同名点。
3.根据权利要求2所述同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，其特征在于:步骤2所述同步航空影像POS辅助光束法区域网平差的公式如下， Vx=Axq+Bx+CSx-l, P VG=AGq+CGSG-lG, Pg (4)V1=A-C1S1-11, P1 其中，Vx，VG, V1分别为像点坐标、GPS摄站坐标及IMU姿态角观测的改正数向量；q和x分别为影像外方位元素及加密点地面坐标改正数向量；sx，sG, S1分别为像点系统误差、GPS及IMU观测值系统误差改正数向量；AX，Ag, A1, B, C，CG, C1分别为各未知数向量的系数矩阵；.1，1G, I1分别为误差方程常数项向量；P，PG, P1分别为像点坐标、GPS摄站坐标及IMU姿态角的权阵。4.根据权利要求3所述同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，其特征在于:步骤3中LiDAR点云坐标误差改正，实现方式为对LiDAR点云中每一 LiDAR点执行以下步骤， ①对于每一个LiDAR点，根据获取LiDAR点时的GPS时间在POS导航数据文件中内插出该时刻POS设备的位置与姿态角，获得t时刻内插获得的GPS天线中心坐标[Xg(t),YG(t)，G(t)]τ及t时刻内插获得的IMU角度观测值ω I(t)，ΦI(t) ,KI(t) 组成的旋转矩阵RI (t); ②结合该LiDAR点的物方坐标[YP(t)，YP(t),ZP(t)]T,采用下式计算当前时刻该LiDAR点在POS设备坐标系下的坐标[XLPos(t), YLPos(t), ZLP0S(t)]T ；
全文摘要
一种同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法，结合LiDAR点云和POS数据辅助进行同步航空影像高精度连接点自动匹配；然后结合少量地面控制点进行航空影像POS辅助光束法区域网平差，解算POS数据的系统误差；最后基于LiDAR严格定位模型，结合每个LiDAR点的GPS时间、LiDAR点物方坐标、POS导航数据文件以及POS系统误差，重新解算准确的LiDAR点云三维坐标。本发明解决了多尺度、多视角影像高精度自动匹配问题；采用少量地面控制点进行同步航空影像POS辅助光束法区域网平差，准确解算POS数据系统误差；采用机载LiDAR定位严格模型和求解出的POS系统误差改善LiDAR点云坐标精度。
文档编号G06F19/00GK103106339SQ20131002187
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者张永军, 熊小东 申请人:武汉大学