一种基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法与流程

1.本发明公开了一种基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法，属于海洋测量技术领域。


背景技术：

2.随着水上水下一体化测量技术的发展及应用，对于水上点云数据与水下点云数据的一致性提出不同的要求，测量人员对于如何快速高效的进行水上、水下点云间距的评估，水上、水下点云的系统偏移量评估逐渐重视起来。现有技术的点云一致性评估方法均要求两片点云有重叠部分，因此水上水下点云一致性评估方法比较匮乏，只能通过手工量取标志物的方法进行评估。手工量取标志物时，首先从不同的区域中选取大量均匀且易于区分的水上和水下点云组，使用点云可视化软件手动进行间距的测量。手工量取标志物的方法主要采用人工交互的形式，使用点云可视化软件依赖于岸边和水中的标志物对拼接缝进行手动测量，受人的主观意识强，特征点的选取具有很大的随机性，产生随机误差。采集的点云数据经过数据后处理后可能会造成一些数据的缺失，点云数据变薄不均匀，一些特征点会出现扭曲，使测量结果偏大，水上和水下接缝附近的起伏和陡峭也会对选取特征点产生影响。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法，解决现有技术的水上水下点云的一致性评估方法精度低、误差大的问题。
4.一种基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法，包括：s1.将至少5个多靶标共线连接装置竖直安置在水中，获得装置的水上水下一体化点云；s2.利用基于半径约束的球型拟合算法拟合靶标球球心；s3.利用间接平差对拟合出的水上靶标球球心坐标进行点位平差并拟合直线方程；s4.求算水上水下点云一致性评估参数。
5.优选地，所述多靶标共线连接装置由多个靶标球和一个连接杆组成，所述连接杆竖直放置，所述靶标球沿连接杆长度方向依次固定在连接杆上，至少一个靶标球设在水下。
6.优选地，所述步骤s2包括：s2.1.通过步骤s1中采集的水上水下点云数据，手动提取出点云中靶标球的球面，通过基于半径约束的球型拟合算法拟合出靶标球的球心坐标；s2.2.手工测量出点云中，连接杆在水上消失处与水下消失处的坐标。
7.优选地，所述靶标球球心坐标的求解过程具体为：球面方程表示为：
其中，为球心坐标，为球的半径,为球面上的点；对(1)式展开并移项可得：记：记：为系数矩阵，为参数矩阵，为观测值矩阵，按式(3)求解式（2），将该方程的解记为靶标的球心近似值，将靶标球的设计半径作为半径近似值当作约束条件：构造如下函数：对(4)式在处线性化可得：式中：表示球面点的编号；；为靶标球半径的设计值；；为观测值；为观测值的改正数；；写作矩阵形式：写作矩阵形式：为第个球面点到近似球心的改正数；使用间接平差方法求解(6)式，定义如下矩阵：
是该定义的矩阵的系数矩阵，是该定义的矩阵的权阵，是该定义的矩阵的观测值矩阵，得到参数的改正数：从而平差结果为：优选地，步骤s4包括：将个装有个靶标球的多靶标共线连接装置安置在试验场中，设水上靶标球球心进行点位平差和拟合直线方程得到空间参考直线方程为：，a和b是直线方程的系数，则其单位方向向量，竖直方向单位向量为；设水上靶标球的平差后球心坐标为：，水下多波束点云拟合靶标球球心坐标为：，以水上靶标球平差后的球心坐标为参考值对水下靶标球球心进行推算，求得水下靶标球球心坐标参考值为：}，其中，为多靶标共线连接装置标号，为靶标球标号；设s2.2中连接杆在水上消失处的坐标为：，连接杆在水下失处的坐标为：，水上靶标球球心与水下球心的真实距离为，计算水上水下点云间距为：多靶标共线连接装置在试验场水中与竖直方向存在偏差，按照连接杆的实际长度在实际安置方向上对水下靶标球球心参考值进行推算：
水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：。
8.与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明提出的新型水上水下一体化点云一致性评估方法，通过靶标球的三维激光点云进行基于半径约束的球型拟合的方式减小了随机误差，由于其球面和连接杆形状规则，点云数据后处理不会造成有效点的缺失，点云厚度均匀。多靶标共线连接装置的三维点云特征明显，易于提取，克服了特征点识别、精确拾取方面的困难，避免了特征点提取不精确造成的评估结果不可靠、不准确的局限性，同时提高了工作效率和评估质量。由于实验时各个靶标球之间的刚性连接，相对空间位置固定，保证了其实地空间位置一致，避免了地势起伏造成的影响；多靶标共线连接装置便于移动和安置，使水上水下一体化的点云一致性评估不再局限于岸边的特定标志物。
附图说明
9.图1为本发明的技术流程图；图2为本发明的多靶标共线连接装置；图3为本发明的多靶标共线连接装置放置后的示意图；附图标记包括：1-水上靶标球，2-水下靶标球，3-连接杆，4-海平面，5-偏差角，6-实际放置位置，7-理想放置位置，8-水下靶标球实际位置，9-点云中的水下靶标球位置。
具体实施方式
10.下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：本发明由多个靶标球和位于各个球之间的连接杆3组成，靶标球以及连接杆3需固连在一起。根据此装置的各个球心之间的真实相对位置与点云中拟合的靶标球中心坐标对比，可以确定水上与水下点云的间距大小以及点云的系统偏移量。一方面通过靶标球的之间刚性连接解决了由扫描仪只能对水上部分进行扫描和多波束只能扫水下部分造成的没有重叠点云而导致无法使用传统点云评估方法进行评估的问题。另一方面，靶标球以及连接杆3特征明显，使手工提取标志物不再对依赖于岸边的标志物，解决了点云有效数据缺失的问题，避免了不同选定的标志物由于陡峭和起伏存在的误差。
11.本发明试验场地的建立较为简单，并且不依赖于其他标志物，仅需要已知相对位置关系的靶标球和连接杆3均匀摆放在实验场内即可。激光点云中靶标球和连接杆3的空间特征明显，没有明显起伏，不会在数据后处理的过程中缺失，更加容易识别，球面提取的过程中受人的主观意识较小，提取过程也较为简单。靶标球之间刚性连接使各个球心有了确定的相对位置关系，在确保水上靶标球1和水下靶标球2的一致性的同时也解决了两个传感器不能采集重叠点云的局限性。
12.本技术方案是通过基于半径约束球型拟合算法拟合出的球心为基准点进行点云一致性评估，通过其他靶标的固连也可以拟合出特征点实现本发明，因此靶标球的替换即为替代方案。靶标球个数的增加也是替代方案。
13.如图2，实施例的连接杆3设有四个靶标球，上面三个位于水上，最下面的位于水下，当然也可以设置多个，本发明的计算过程是包括球个数这个参数的。如图3，在海平面4以上的靶标球为水上靶标球1，海平面4以下的为水下靶标球2，多靶标共线连接装置包括实际放置位置6和理想放置位置7，二者之前存在偏差角5，另外由于测量误差的存在，水下靶标球2的位置包括水下靶标球实际位置8和点云中的水下靶标球位置9。
14.基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法，如图1，包括：s1.将至少5个多靶标共线连接装置竖直安置在水中，获得装置的水上水下一体化点云；s2.利用基于半径约束的球型拟合算法拟合靶标球球心；s3.利用间接平差方法对拟合出的水上靶标球球心坐标进行点位平差并拟合直线；s4.求算水上水下点云一致性评估参数。
15.所述多靶标共线连接装置包括多个靶标球和一个连接杆3，所述连接杆3竖直设置，所述靶标球沿连接杆3依次固定在连接杆3上，至少一个靶标球设在水下。
16.所述步骤s2包括：s2.1.通过步骤s1中采集的点云数据，手工提取出点云中靶标球的球面，通过基于半径约束的球型拟合算法拟合出靶标球的球心坐标；s2.2. 手工测量出点云中水上连接杆消失处与水下连接杆消失处的坐标。
17.所述球面方程和球心坐标的求解过程具体为：所述球面方程表示为：
其中，为球心坐标，为球的半径,为球面上的点；对(1)式展开并移项可得：记：记：为系数矩阵，为参数矩阵，为观测值矩阵，按式(3)求解此超定方程，将该方程的解记为靶标的球心近似值，将靶标球的设计半径作为半径近似值当作约束条件：构造如下函数：对(4)式在处线性化可得：式中：表示球面点的编号；；为靶标球半径的设计值；；为观测值；为观测值的改正数；；写作矩阵形式：写作矩阵形式：为第个球面点到近似球心的改正数；使用间接平差方法求解(6)式，定义如下矩阵：
是该定义的矩阵的系数矩阵，是该定义的矩阵的权阵，是该定义的矩阵的观测值矩阵，得到参数的改正数：从而平差结果为：步骤s4包括：将个装有个靶标球的多靶标共线连接装置安置在试验场中，设水上靶标球球心进行点位平差和拟合直线方程得到空间参考直线方程为：，a和b是直线方程的系数，则其单位方向向量，竖直方向单位向量为；设水上靶标球的平差后球心坐标为：，水下多波束点云拟合靶标球球心坐标为：，以水上靶标球平差后的球心坐标为参考值对水下靶标球球心进行推算，求得水下靶标球球心坐标参考值为：}，其中，为多靶标共线连接装置标号，为靶标球标号；设s2.2中连接杆在水上消失处的坐标为：，连接杆在水下失处的坐标为：，水上靶标球球心与水下球心的真实距离为，计算水上水下点云间距为：多靶标共线连接装置在试验场水中与竖直方向存在偏差，按照连接杆的实际长度在实际安置方向上对水下靶标球球心参考值进行推算：
水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：水下点云相对于水上点云在轴方向上的偏移量及其标准差为：。
18.步骤s3具体为：空间直线方程为：可以化简为：其中设通过扫描仪点云拟合出的各球心坐标为：}，选取1、2球的球心坐标值以及其余球心的坐标作为参数，，，，，，
……
。
19.将参数代入直线方程可以求得：
则可以建立参数与观测值之间的函数关系式：令，对于式(18)中线性平差方程式可以简写为：令代入上式可得误差方程对于式(18)中非线性平差方程式进行线性化，将：按照泰勒公式展开可得：令， 则上式可以写为式(20)。
20.令
于是可得矩阵形式误差方程式：使用间接平差求参数改正数：将上式代入误差方程(23)即可求得改正数，平差结果为：将平差结果代入式(16)、式(17)即可求得直线方程。
21.本发明公开的一种基于多靶标共线连接的水上水下点云一致性评估方法，最终以水上水下点云间距、水下点云相对于水上点云在xyz轴方向上的偏移量一共四个参数，作为一致性评估的结果，即设置了上述四个参数来评判水上水下点云的一致情况，实施例的原始数据如表1至表5，一共五个装置。
22.表1 装置一坐标（单位：m）表2 装置二坐标（单位：m）表3 装置三坐标（单位：m）表4 装置四坐标（单位：m）
表5 装置五坐标（单位：m）通过以上原始数据的计算，得到的一致性评估参数如表6，点云间距为0.18m。
23.表6 一致性评估参数（单位：m）xyz偏移量0.137-0.1240.109标准差0.0110.0120.015当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。