本发明涉及测绘科学技术领域，特别涉及一种车载扫描系统控制点检校方法。
背景技术：
目前二代街景系统ssw车载激光建模测量系统在我们的生活中得到了越来越广泛的应用，百度地图的新产品利用该系统实现了全景视图的3d模型化，进而绘制出真实再现实景的三维地图。二代街景在技术上有了重大的突破，一代街景是利用照片，二代街景利用的是所建立模型，不仅能立体的还原街景的环境，甚至还能将周围的细节呈现出来。经过车载激光移动建模系统采集和运算完全实现了地图的多角度和可测量化，将全息三维应用到交通，规划等城市各个领域。
二十世纪八十年代末到九十年代初美国俄亥俄州州立大学设计研制的第一台gpsvan移动测量系统。该系统的设计原理是在汽车平台上搭载gps/ins组合系统、里程计等来获取位置和姿态参数，装配两台模拟相机采集影像数据，利用近景摄影测量的原理求解目标空间坐标。
加拿大推出第二代visat系统，并引入导航级的ins系统，定位精度能达到0.1米。日本东京大学空间信息科学研究中心由dineshmanandhar提出的激光初步检校模型和线阵相机检校模型可为车载三维激光移动测图系统的研究提供重大帮助。此外,奥地利维也纳理工大学的camiloressl将激光点云数据同高程数据进行对比进而分析激光点云数据的精度,此方法为进行车载三维激光移动测图系统检校以及精度分析提供参考方案。首都师范大学提出了应用玻璃反射、透射激光扫描线获取控制点在像方坐标系下的坐标，然后用全站仪测得控制点在物方坐标系下的坐标，再运用三维坐标转换模型以及改进的高斯一牛顿法编制程序求解出激光扫描仪的外参数以及精度评定以达到完成系统检校的目的。
车载三维激光移动测图系统获取三维空间信息的精度与准确性在很大的程度上取决于系统的总体检校，现有技术中的检校方法，还存在不足。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明依据三维激光扫描仪和惯性导航系统的工作原理及它们与gps系统相结合使用的特性，针对车载式激光扫描系统的初始硬件集成，提出了一种车载扫描系统控制点检校方法，能够提高车载扫描系统获取三维空间信息的精度与准确性。
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种车载扫描系统控制点检校方法。
本发明实施例提供一种车载扫描系统控制点检校方法，在检校场内布设多个控制点，通过全站仪获得所述多个控制点的第一组坐标值；
根据车载扫描系统测得所述多个控制点的第二组坐标值；
获取所述车载扫描系统标定的参数初值；所述参数初值为激光扫描仪与惯导之间的3个姿态角度参数和3个平移参数；
建立检校数学模型；
将所述第一组坐标值、第二组坐标值和所述参数初值，代入所述检校数学模型；
解出激光扫描仪坐标系与惯导坐标系之间的三个平移参数改正数δxc、δyc、δzc和三个姿态角旋转分量改正数δωc，δφc，δkc。
在一个实施例中，所述检校数学模型为：
式中xw，yw，zw为控制点激光点云在wgs-84坐标系下的坐标值，r2、
在一个实施例中，根据所述检校数学模型建立车载扫描系统误差参数的线性化方程；
将上式写成矩阵形式：
v＝ax-l(3)
其中：
x＝[xc，yc，zc，ωc，φc，kc](4)
根据最小二乘间接平差原理，可列出法方程式:
atpax＝atpl(7)
式中p为观测值的权矩阵，p反映了观测值的量测精度；p为单位矩阵，由此得到法方程解得表达式：
x＝(ata)-1atl(8)；
计算出改正数δxc、δyc、δzc和δωc，δφc，δkc。
在一个实施例中，所述第一组坐标值为wgs-84坐标系中的坐标值；
根据车载扫描系统测得所述多个控制点的第二组坐标值，包括：
车载扫描系统测的多个控制点的扫描仪极坐标值，将所述多个控制点的扫描仪极坐标值，转换为多个控制点在wgs-84坐标系中的坐标值。
在一个实施例中，还包括：
将全站仪获得的第一组坐标值作为平差数据真值，车载扫描系统测得的第二组坐标值作为观测值，求解误差方程，反解出车载扫描系统安装时，激光扫描仪与惯导之间的平移误差与轴向误差。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的车载扫描系统控制点检校方法，与传统方法比较，本方法能够提高车载扫描系统获取三维空间信息的精度与准确性，检校方法对实际使用具有重要的参考价值，适用性及实用性更强。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的车载扫描系统控制点检校方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的检校场布设的示意图；
图3为本发明实施例提供的检校场俯视图；
图4为本发明实施例提供的圆柱形测量装置z的示意图；
图5为本发明实施例提供的激光扫描标靶j带有脚架的示意图；
图6为本发明实施例提供的标靶小球s的示意图；
图7为本发明实施例提供的标靶大球a的示意图；
图8为本发明实施例提供的标靶反射片f的示意图；
图9为本发明实施例提供的车载激光扫描系统采集的各类型标靶的点云示意图；
图10为本发明实施例提供的不同测量手段测得的同一标靶球成果点云的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供的车载扫描系统控制点检校方法，其中车载扫描系统以其快速性、高效性等特点，获取高精度的城市道路、高速公路及其两侧建筑物等的三维数据，已经成为主要的数据采集手段。车载扫描系统包括gps、惯导(imu)、扫描仪(激光扫描器)等多个传感器。gps和惯导可称为pos系统。
本发明中所涉及到的车载激光移动测量系统、激光扫描仪系统等，均指车载扫描系统；其在使用前必须经过检校，目的是标定激光扫描器相对于gps三维坐标(x，y，z)的偏移(dx，dy，dz)及imu中心的倾角偏移量(侧滚角偏移(roll))、航向角偏移(heading)、俯仰角偏移(pitch))共6个偏移参数。平时常使用的方法就是控制点检校方法。求解的思路是利用最小二乘原理,即先设定误差参数,再建立含有激光扫描仪系统误差参数的数学模型。
本发明实施例提供的一种车载扫描系统控制点检校方法，参照图1所示，包括：
s101、在检校场内布设多个控制点，通过全站仪获得所述多个控制点的第一组坐标值；
s102、根据车载扫描系统测得所述多个控制点的第二组坐标值；
s103、获取所述车载扫描系统标定的参数初值；所述参数初值为激光扫描仪与惯导之间的3个姿态角度参数和3个平移参数；
s104、建立检校数学模型；
s105、将所述第一组坐标值、第二组坐标值和所述参数初值，代入所述检校数学模型；
s106、解出激光扫描仪坐标系与惯导坐标系之间的三个平移参数改正数
δxc、δyc、δzc和三个姿态角旋转分量改正数δωc、δφc、δkc。
与传统方法比较，本方法能够提高车载扫描系统获取三维空间信息的精度与准确性，检校方法对实际使用具有重要的参考价值，适用性及实用性更强。
下面分别对上述步骤做详细的说明。
步骤s101中检校场的布设，检校场分为地面控制场和墙面控制场。分别在地面和墙面布设控制点,其中地面控制点的坐标利用做静态差分观测得到,是作为之后对墙面控制点进行全站仪测量的测站点,而布设在墙面控制场上的墙面控制点是获取数据的目标物,控制点检校方法就是通过获取这些墙面控制点的坐标得以实现。
利用全站仪测量了检校场周边控制点，遵循两级布网原则。选择距离检校场位置最近的较高精度的国家控制点作为一级控制点，在一级控制点的基础上向检校场内引入二级控制点，二级控制点应均匀分布于观测点周围。控制点坐标采用wgs84空间直角坐标。参照图2所示，为北京建筑大学校区gnssd级控制网成果图。
检校场的选择一般要遵循以下几个条件
1.检校场的选择一般选在地形开阔，gps观测条件良好，车辆较少，没有高压线等信号干扰源。2.检校场的起伏不能过大，一般在一米以内。校检场内用于检校的主体建筑物几何条件满足100m(长)×100m(宽)×10m(高)以上的近似长方体，建筑四角转折明显，建筑表面平整，没有大面积的玻璃幕墙等弱反射材质，当信号发射到光滑物体表面形成镜面反射，会造成激光信号丢失。3.控制点选在道路两侧的公路交通设施以及高低不等的明显标志物上.4建筑周围墙体周边不能有密集植被.5.建筑四周应平整，并有硬化道路围绕,且硬化道路应与建筑外边线基本平行,方便系统载具顺畅移动。6检校场周围应该具有一些特征明显的建筑物。
根据以上要求，参照图3所示，矩形方框所选位置是所选检校场的具体地址。由于系统没有经过误差改正不同车辆行驶路线所得的点云拼接会存在偏差，为了减小模型点云拼接偏差在检校模型附近两侧设计两条平行的行车路线。关于路线设计方面，根据ins本身的性质采用的是在检校场内环先顺时针走一圈，再逆时针走一圈，之后在检校场外环顺时针走一圈再逆时针走一圈。激光离控制点最近距离大约10m左右，最远为90m左右。距离范围符合实验需要，且广场视线开阔。
由于激光的不可见性,给检校工作增加了困难。为了研究激光扫描仪的检校问题，制作了各种靶标。国内外专家常用的是球状靶标,用球面拟合公式求取球的中心来作为测量值球面公式拟合也会带来一定的误差，根据测量的需要，本发明使用了球面标靶，还自主设计了几种可用的靶标。
做靶标的原则是明确靶标的用途,是为了拼接还是为了检校,这两种用途都需要使靶标能在激光点云中清晰可见,便于查找。拼接常见的靶标为单一材质,检校则选为灰度板,要求灰度板内部信息在点云中要有体现靶标的尺寸和形状符合采集数据的需求。本实验根据需求设计了以下几种检校靶标。
1、圆柱形测量装置
该标靶包括整体结构的圆柱形标靶主体底座、连接柱。装置表面采用特殊的矿物染料涂抹，比如高反射强度的材料，能够提高激光雷达的发射效率，同时便于测量人员的识别。标靶圆柱和底座之间通过连接柱链接，底座一端为链接连接柱的凹槽，可以固定连接柱位置不转动，另一端设置有螺丝孔，可以和三脚架链接，用于将整个标靶圆柱固定在三角架上。在保证精度的同时可以提高测量效率，从而实现激光雷达和全站仪的联系测量，减少外业工作量，也可以保证点云转换的精度，具体可参照图4所示。
2、激光扫描标靶
参照图5所示，该标靶包括全站仪反射板1，其下端与支撑杆4上端连接，用于全站仪观测提供清晰目标。水平平台2，其设置在支撑杆的中部，水平平台上设置有水准器。三维激光扫描球3，其上端与支撑杆4的下端连接，用于三维激光扫描仪确定三维激光扫描球的中心点坐标，三维激光扫描球3的球心与全站仪反射板1的中心高差相差固定距离。全站仪反射板1、水平平台3、三维激光扫描球2、支撑杆4轴芯在同一直线上。
该标靶设计新颖合理，将全站仪反射板和三维激光扫描球结合，为全站仪和扫描仪共用。旋转三维激光扫描球调整水准器气泡，可保证上述四部件轴心处于竖直状态，全站仪反射板采用十字标记突出目标，中心贴上全站仪反射片。全站仪可在较远距离上观测，配合扫描仪对扫描球近距离测量，扩大了有效作业范围，提高效率。环形底座可稳固的将三维激光扫描球托住，避免风力、地形等外界条件干扰，且装置安装简单快速，对于野外大范围复杂场地同样适用。
本实施例中，在所建立的检校场内布设大量控制点，利用高精度全站仪测得一组控制点的坐标作为真值，再利用激光扫描仪测得的结果与之比较，带入标定的参数初值，用解方程的方法解出激光扫描仪与pos坐标系之间的三个平移参数改正数δxc、δyc、δzc，和三个姿态角旋转分量改正数δωc、δφc、δkc。对通过标定得出的转换参数进行改正。其基本思路为：先推导出激光扫描点在大地坐标系下的坐标，建立检校数学模型(1)，再依据此模型建立关于扫描仪系统误差参数的线性化误差方程(2)，然后根据最小二乘间接平差原理列出误差参数表达式，将获取的实验数据带入表达式求解。具体过程如下：
检校数学模型为：
式中xw，yw，zw为控制点激光点云在wgs-84坐标系下的坐标值，r2、
根据上述检校数学模型(1)建立车载扫描系统误差参数的线性化方程；
将上式写成矩阵形式：
v＝ax-l(3)
其中：
x＝[xc，yc，zc，ωc，φc，kc](4)
根据最小二乘间接平差原理，可列出法方程式:
atpax＝atpl(7)
式中p为观测值的权矩阵，p反映了观测值的量测精度；对所有大地坐标的观测值，一般认为是等精度量测，p为单位矩阵，由此得到法方程解得表达式：
x＝(ata)-1atl(8)；
计算出改正数δxc、δyc、δzc和δωc，δφc，δkc。
在一个实施例中，上述第一组坐标值为wgs-84坐标系中的坐标值；
车载扫描系统测的多个控制点的扫描仪极坐标值，将所述多个控制点的扫描仪极坐标值，转换为多个控制点在wgs-84坐标系中的坐标值。置换顺序如下：扫描仪极坐标系→扫描仪直角坐标系→pos坐标系→当地水平坐标系→wgs-84坐标系。
进一步地，数据处理及平差改正如下：
通过上述检校场的布设我们分别用全站仪和车载移动测量系统进行了测量，得到了以下几组数据，表1是全站仪测量检校点坐标，表2是移动激光雷达系统采集检校点坐标，表3为全站仪观测值与激光雷达系统测量值差。下列表格单位都是m。
表1全站仪测量检校点坐标
表2移动激光雷达系统采集检校点坐标
表3全站仪观测值与激光雷达系统测量值差
通过上述表格计算可以看出，集成后的移动测量系统虽然获取的点云数据模型，但是整体精度相对较差。由于我们采用两秒级全站仪精度较高，控制网布设严密，符合检校场的点位精度。故而将全站仪观测所得检校点数据作为平差数据真值，移动激光雷达系统采集数据作为观测值，推导公式使用matlab语言编写平差程序求解误差方程，反解出设备安装时的平移误差与轴向误差。
由于本次实验设计相对完善，检校场布设合理，pos系统定位指标完全符合实验要求，其中多项指标均高于出厂标称精度，不会对最终结果造成较大干扰，为最终点云配准提供可靠精度保证。移动激光雷达系统传感器安装位置轴向参数和平移参数参与最终平差。表4为参数初始值，表5为最终平差后参数值。
表4参数初始值
表5最终改正参数值
通过以上检校和误差改正，本发明通过一组测试来测试本次检校后的精度，由于车载激光扫描系统点云相对稀疏，点间距较大，无法精确测量到指定一点的坐标。因此采用标靶拟合的方法，精确确定标定用的对应点对。
数据采集时，利用检校场地内已解算完的高精度gps联测点作为高精度控制点，使用高精度全站仪采集各种反射标靶上的足够数量的点，对于球类标靶，目的是拟合出球心坐标，对于面状标靶，目的是通过形状拟合出中心点坐标，最后将所有坐标值都转换到ecef坐标系下，作为解算用控制点的全站仪观测值。
本发明将标靶球进行了放置，其中图4表示圆柱z，图5为j表示脚架上的球，图6表示小球s，图7表示大球a，图8表示反射片f。
使用全站仪进行数据采集时，对于j类标靶，由于标靶由反射片、水准器、扫描球体和三角架组成，当水准器泡居中时，反射片中心与扫描球体中心在同一铅锤线，且相差一个改正值，改正值由设计标准和后期检校决定，实验中取为120.3mm，因此，可以采集标靶上的反射片中心点坐标，通过改正值获取球心坐标。对于s类和a类标靶，采集标靶表面多个点坐标，采用最小二乘原理拟合球心坐标。对于f类标靶，直接采集标靶中心坐标。z类标靶采集标靶表面均匀位置的点云，拟合圆柱直径，用于精度分析。
比如在布设完检校场以后，对采集的数据进行了处理。在本实施例中，高精度全站仪使用leicats30，有棱镜测量模式的测程为3500m，精密测距精度为0.6mm+1ppm；无棱镜测量的测程1000m，测距精度为2mm+2ppm；测角精度为0.5″。
站载三维激光扫描仪使用rieglvz1000，最大扫描距离为1200米，扫描视场范围为水平角360°和竖直角100°，最大激光发射频率为300,000点/秒，扫描精度为100米距离处5mm。
利用已知的控制点和全站仪测量所得到的控制点，进行了站载扫描，还使用全站仪在标靶球上测得数个点。车载激光扫描系统采集的各类型标靶的点云参照图9所示。
车载激光扫描系统采集路面数据和各类标靶数据，经过数据预处理，将各类标靶点云提取出来，拟合球体中心或平面标靶中心。
对于球状标靶，三种测量手段测得的点云效果参照图10所示。依次是站载扫描仪点云，车载扫描系统点云，全站仪点。
1)对比不同来源数据拟合出的多类球状标靶的半径
表6不同来源数据拟合多类球状标靶半径
不同来源数据拟合出的多类球状标靶半径如表6所示，可知：
1.站载三维激光扫描仪数据拟合的标靶参数和高精度全站仪数据拟合的标靶参数的差别较小，一般不超过1mm；
2.车载三维激光扫描系统数据拟合的标靶参数和高精度全站仪数据拟合的标靶参数的差别一般不超过5mm；
3.考虑标靶点云比较紧凑，对应数据采集时的车载激光扫描系统的姿态相近，数据误差在同一水平。
2)对比不同来源数据拟合出的球状标靶中心点间距
表7不同来源数据拟合出的球状标靶中心点的间距对比
不同来源数据拟合出的球状标靶中心点的间距对比如表7所示，可知：
1.站载三维激光扫描仪数据拟合的标靶中心点的间距与全站仪的误差在2mm以下；
2.车载激光扫系统数据标靶中心点的间距与全站仪的差别在8mm以下，与站载三维激光扫描仪的差别在8mm以下。
3)对比不同来源数据中的地物特征点间距进行精度分析
表8不同来源数据中的地物特征点的间距对比
不同来源数据中的地物特征点的间距对比如表8所示，可知：
1.特征点间距比较的差异明显，是因为特征点选取有一定的人工误差，并且受点间距大小的影响，尤其是车载激光扫描系统的点间距较大，尽量采用特征面拟合再交汇求特征点的方法；
2.站载三维激光扫描仪数据中的特征点间距与全站仪的误差在7mm以下；
3.车载激光扫系统数据中的特征点间距与全站仪的差别在12mm以下，与站载三维激光扫描仪的差别在12mm以下。
4)对比柱状标靶进行精度分析
表9不同来源数据中的柱状标靶参数对比
不同来源数据中的柱状标靶参数对比如表9所示，可知：
车载激光扫描系统数据在一个方向上最大有5mm误差的情况。
车载激光扫描系统成果数据的相对精度能有效反映车载激光扫描系统的测距精度，从而能反映小范围的数据质量，对于成果数据分析、应用等有重要意义。
通过上述精度分析实验可知，本研究的实验车载系统相对精度分析结果如下：
①标靶球的半径拟合精度可达5mm；
②120m长距离的相对精度可达8mm；
③小范围数据的相对精度较高，基本满足一般对快速数据采集手段的要求。
车载激光三维扫描成像系统是集激光扫描仪、gps、ins等为一体的多传感器系统，系统检校是提高测量精度的必要步骤。本发明提出了一种车载扫描系统控制点检校方法，并且对车载三维激光扫描检校场的布设和数据处理以及对检校后的车载测量系统的精度评定进行了说明。与传统方法比较，本方法能够提高车载扫描系统获取三维空间信息的精度与准确性，检校方法对实际使用具有重要的参考价值，适用性及实用性更强。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。