一种激光扫描仪的自动数字定向方法与流程

本发明涉及三维激光扫描技术领域，尤其涉及一种激光扫描仪的自动数字定向方法。

背景技术：

三维激光扫描技术已成为三维空间信息获取的重要途径之一，圆周扫描体制的激光扫描仪，通过转台绕垂直轴360度旋转，带动绕水平轴圆周扫描的激光测量装置，实现摄站周围环境的空间信息采集。圆周扫描体制的激光扫描仪定向一般是通过在摄站激光扫描方向的已知点上摆放靶标球，激光点云解算后，拟合靶标球中心，实现激光点云数据的定向和全局坐标系转换，但现有技术的定向方法的存在如下缺点：

1)定向精度低。靶标球距摄站远或转台速度过快时，均无法保证靶标球的激光点云密度，降低了靶标球中心计算精度，无法实现精确定向。若降低转台速度，则影响激光雷达的数据采集和处理效率。

2)数据处理精度低。由于不同摄站定向精度的差异，各摄站激光点云数据的解算精度不同，受靶标球定向精度影响，通过摄站重叠区域的连接特征(点)平差处理，无法提高多摄站激光点云整体的绝对精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光扫描仪的自动数字定向方法，该定向方法能够克服传统激光扫描仪定向时因激光点云拟合靶标球中心不精确而引起的定向偏差问题。

一种激光扫描仪的自动数字定向方法，所述方法包括：

标定激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的关系；

利用所述激光扫描仪进行摄站周边的激光三维扫描测量，获取摄站周边的数字影像，并记录每幅影像的转台角度；

利用所获取到的数字影像进行靶标球自动或辅助识别，得到所述靶标球所处的影像区域；

利用靶标球的影像模板作为基准影像，在所述靶标球所处的影像区域进行影像匹配，得到所述靶标球中心的精确像元坐标；

计算所述摄站的定向角，进行所述激光扫描仪坐标指北计算和激光点云全局坐标系变换，建立多摄站的全局统一坐标系；

利用各摄站的靶标球和相邻摄站的同名特征点，进行所述全局统一坐标系下的整体平差，得到多摄站的高精度激光点云数据。

所述标定激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的关系具体为：

通过数字影像与激光点云的同名标识点，解算标准影像变换参数和相机主点的相对偏移分量，实现激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的关系标定。

计算所述摄站的定向角，进行所述激光扫描仪坐标指北计算和激光点云全局坐标系变换，建立多摄站的全局统一坐标系，具体包括：

通过将数字影像变换到标准影像，计算标准影像上靶标球中心与影像主点间的精确视场角，得到靶标球中心相对于影像主点的水平偏移角度；

利用影像的转台角度、激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的夹角，以及靶标球中心相对于影像主点的水平偏移角度，获得所述摄站的定向角；

利用所述摄站的定向角、已知定向点和对中点坐标，进行所述激光扫描仪坐标指北计算和激光点云全局坐标系变换，建立多摄站的全局统一坐标系。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述定向方法能够克服传统激光扫描仪定向时因激光点云拟合靶标球中心不精确而引起的定向偏差问题，从而提高相关领域空间信息获取的效率和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供激光扫描仪的自动数字定向方法流程示意图；

图2为本发明所举实例中激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向关系示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供激光扫描仪的自动数字定向方法流程示意图，所述方法包括：

步骤11：标定激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的关系；

在该步骤中，具体可以通过数字影像与激光点云的同名标识点，解算标准影像变换参数和相机主点的相对偏移分量，实现激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的关系标定，上述标定结果可以重复使用。

步骤12：利用所述激光扫描仪进行摄站周边的激光三维扫描测量，获取摄站周边的数字影像，并记录每幅影像的转台角度；

步骤13：利用所获取到的数字影像进行靶标球自动或辅助识别，得到所述靶标球所处的影像区域；

步骤14：利用靶标球的影像模板作为基准影像，在所述靶标球所处的影像区域进行影像匹配，得到所述靶标球中心的精确像元坐标；

在该步骤中，这里所进行的影像匹配可以是最小二乘匹配，从而得到靶标球中心的精确像元坐标。

步骤15：计算所述摄站的定向角，进行所述激光扫描仪坐标指北计算和激光点云全局坐标系变换，建立多摄站的全局统一坐标系；

在该步骤中，具体实现过程为：

首先通过将数字影像变换到标准影像，计算影像上靶标球中心与影像主点间的精确视场角，得到靶标球中心相对于影像主点的水平偏移角度；

然后利用影像的转台角度、激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向之间的夹角，以及靶标球中心相对于影像主点的水平偏移角度，获得所述摄站的定向角；

再利用所述摄站的定向角、已知定向和对中点坐标，进行所述激光扫描仪坐标指北计算和激光点云全局坐标系变换，建立多摄站的全局统一坐标系。

步骤16：利用各摄站的靶标球和相邻摄站的同名特征点，进行所述全局统一坐标系下的整体平差，得到多摄站的高精度激光点云数据。

上述实施例所提供的激光扫描仪的自动数字定向方法不但可以应用于内置相机，还可以适于所有圆周体制与数字相机结合的激光扫描仪自动定向。

下面以具体的实例对上述数字定向方法的过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例中激光扫描仪零位指向与相机主光轴指向关系示意图，为了实现激光扫描仪的自动数字定向，首先需要定标激光扫描仪与相机主光轴指向关系，然后计算数字影像像素与相机主光轴水平夹角，进而确定激光扫描仪的定向角，具体过程如下：

a)首先标定激光扫描仪与相机主光轴指向关系：以转台和扫描零位指向为基准，相机镜头中心的相对偏移量分别为Dx、Dy、Dz，则因相对偏移量所引起的像坐标偏移dx和dy分别为：

将相机中心归算到激光扫描中心，偏移纠正后的像坐标为：

x＝xr-dx(2)

y＝yr-dy

其中(xr,yr)为实测的像点经影像畸变改正后的像坐标，(x测,y测)为原始影像上实测像点坐标，变形改正表示为：

xr＝x测-x0+Δx(3)

yr＝y测-y0+Δy

数字影像畸变改正模型为：

式中：

Δx,Δy为像点改正值；x0,y0为像主点；

变形改正和偏移纠正后的像点坐标(x,y)与标准影像的像点坐标(x',y')之间关系为：

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3为变换参数。

使用标志点并测量其像点坐标，将影像纠正为主光轴垂直于竖直平面的标准影像，可以得到标准影像的像点坐标(x',y')。

由式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)列方程，解出变换参数和相机镜头中心的相对偏移分量Dx、Dy、Dz，根据变换参数与旋转角之间关系，求得激光扫描仪与相机主光轴指向关系(水平方向夹角垂直方向夹角ω及相机旋转角κ)。

b)计算激光扫描仪的定向角：数字相机在激光扫描仪数据采集的同时，获取某一转台角度的数字影像，并记录成像时刻的转台角度。

激光扫描仪的定向角为数字影像成像转台角度θ、扫描仪零位指向与相机主光轴水平方向夹角以及靶标球中心像素相对于像主点的偏角之和，扫描装置的定向角表示为：

计算如下：

将靶标球中心像素由式(5)转换为标准影像的像点坐标(x',y')，则有：

其中，θ、和顺时针为正。

具体实现中，数字影像上靶标球中心的精确像素坐标获取方法具体为：

1)通过影像的特征提取与识别，在影像上自动提取靶标球影像候选区域，当有多个候选区或定向距离较远时，通过人工辅助确定靶标球在影像上特征区域；

2)利用靶标球匹配模板，在影像上靶标球候选区域，通过最小二乘影像匹配，得到影像上靶标球中心的子像素坐标。

进一步的，通过已知定向点实现激光扫描装置坐标的指北计算，建立全局坐标系，过程如下：

1)将摄站坐标系激光点云转换到定向目标的摄站坐标系，定向目标的转台角度由式(6)得到，旋转矩阵为：

2)通过定向点和已知对中点坐标，计算对中点相对于定向点的指北向旋转角度κ；

3)将定向目标摄站坐标系下的激光点云转换到全局坐标系，角度κ的旋转矩阵为：

4)各摄站的激光点云数据依据步骤1和3进行处理，实现测区多摄站激光点云数据的全局坐标系处理。

再通过每个摄站布设的靶标球和相邻摄站重叠区域的同名特征点，实现多站激光点云数据的整体平差，得到高精度的整体激光点云数据，具体过程如下：

1)利用靶标球中心的已知坐标和靶标球中心激光点云解算坐标，建立误差改正模型如下：

其中，XG、YG、ZG为靶标球中心已知坐标；Xsi、Ysi、Zsi为摄站si靶标球中心点云解算坐标；Rsi、ΔXsi、ΔYsi、ΔZsi为摄站si的6个误差改正参数。

2)各摄站定向误差不同，解算后各摄站激光点云精度有差异，根据摄站设置不同的改正参数，相邻摄站的同名特征点作为连接点，可以建立如下误差改正模型：

其中，Xsj、Ysj、Zsj为摄站sj点云解算坐标；Rsj、ΔXsj、ΔYsj、ΔZsj为摄站sj误差改正参数。

3)每个摄站1个已知点(定向靶标球)，相邻摄站重叠区选取不少于2个同名特征点，由式(10)、(11)可以解算各摄站的误差参数，实现多摄站激光点云数据的整体平差，再由式(10)重新计算各个摄站激光点云的绝对坐标。

综上所述，本发明实施例所提供的定向方法能够克服传统激光扫描仪定向时因激光点云拟合靶标球中心不精确而引起的定向偏差问题，从而提高相关领域空间信息获取的效率和精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。