[发明专利]一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法

权利要求书

1.一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)使用扫描仪在多个站点对物方空间中不同位置的点与面目标进行扫描作为扫描观测值，并使用高精度全站仪三维测量系统获得点与面目标三维坐标作为参考真实值，采用刚体转换的布尔萨模型将扫描观测点集与参考真实点集进行目标到目标的三维配准，将多个扫描站获得的本体坐标系下三维点云转换到物方空间的外部坐标系，将两坐标系间的转换关系作为初始位姿参数；这里获得第j扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵ΔX_j和旋转矩阵作为初始的位姿参数；同时对点与面目标上的配准点集进行粗差探测，根据3倍的中误差为阈值，将观测值与参考值间距离大于阈值的目标点作为粗差点进行剔除；

(2)以同时布设点状与面状目标为参考目标，参考点与面目标的高精度坐标作为参考真实值，通过比较配准后的三维激光扫描仪观测值与参考值间的所有偏差量，分析扫描仪原始观测量中径向距离ρ、水平角θ和垂直角α所带有的偏差分布情况，发现系统性的偏差，利用系统误差模型对系统性偏差量进行准确描述并用来改正原始观测量，表示为：

Δρ＝a₀+a₁ρ

Δθ＝b₀/cosα+b₁tanα

Δα＝c₀+c₁α

式中，Δρ为径向距离ρ的改正量，a₀为测距加常数，a₁为测距乘常数；Δθ为水平角θ的改正量，b₀为激光光束不垂直于扫描棱镜旋转轴的误差，b₁为棱镜旋转轴的倾斜误差；Δα为垂直角α的改正量，c₀为垂直角偏差，c₁为垂直角尺度误差；

(3)利用最小二乘法对无系统误差参数的配准点集进行最小二乘估计，获得优化的位姿参数和观测量权重；具体包括以下内容：

(3―1)根据同时参考点和面目标的几何约束条件，建立了点到面的距离、点到点的距离的几何模型，构建三维激光扫描仪同时参考点与面特征的联合观测条件方程为：

式中，为第j扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，为第i个点目标的外部坐标系的坐标向量，为第j个扫描站在外部坐标系的位置坐标向量，为第j个扫描站的第i个扫描点本体坐标向量；为第k个面目标的法向量，d_k为扫描原点到目标面的正交距离；

(3―2)同时考虑目标点和基准面中带有误差和扫描仪中存在系统误差情况，采用同时以点与面为约束条件的条件平差模型，利用最小二乘准则，对系统误差参数与位姿参数进行总体最优估计；通过联合点目标到外部坐标转换模型和面目标到外部坐标转换模型，构成点与面约束的检校平差模型为：

式中，为平差观测量，即扫描仪最初极坐标ρ、θ和α的观测值；为平差的未知数，包括扫描仪的系统误差参数和位姿参数；ΔX_j为第j扫描站坐标系到外部坐标系的平移矩阵，为第j扫描站坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，是3个旋转角的函数，ω_j,κ_j分别为第j扫描站坐标系中绕X轴、Y轴和Z轴的旋转量；为第j扫描站中第i个扫描点本体直角坐标，采用实际测量带有误差的对应的径向距离、水平角和竖直角来表示，为第i个点目标在外部坐标系中的直角坐标；(a_k,b_k,c_k)为第k个目标面的法向量，d_k为扫描原点到目标面的正交距离；将联合的检校平差模型分别对观测量和所有参数求偏导，并线性化后得到基于点与面的混合检校平差的误差方程，进而根据最小二乘准则采用条件平差模型解算获得扫描仪观测量ρ、θ和α中系统误差参数和扫描测站的位姿参数；

(3―3)该过程中利用步骤(1)中的初始位姿参数，将步骤(2)中扫描仪原始观测量的系统误差模型中参数设置为零，通过点与面约束的检校平差模型，根据平差过程中每个观测量的残差量来获得对应的权重，同时获得最新估计的位姿参数；

(4)根据无参数检校平差估计的位姿参数和观测量权重，利用同时参考点与面为约束条件的附有参数的条件平差模型，加入系统参数对观测量中的系统误差参数与扫描仪测站的位姿参数进行总体最优估计，并采用t分布检验对系统误差参数的显著性进行测试，剔除不显著的参数；

(5)利用估计的参数值对扫描仪的观测量进行改正，经检校平差估计并改正后的目标点直角坐标、原值观测极坐标与采用高精度测量的参考值进行比较，得到检校前后各值的偏差作为该观测量的误差，通过图形方式描述误差与观测量间的关系分布来定性表示误差分布情况，通过数理统计方法对改正前后观测值与参考值间的偏差的平均值、中位数及均方根统计指标对各误差量进行定量描述，评价估计参数的提高精度与提高程度。