[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

说明书

本发明涉及一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描的检校方法，包括以下步骤：(1)获取点与面目标的扫描观测值和参考真实值，对两目标点集三维配准与粗差探测；(2)将配准转换参数作为初始位姿参数，对观测值与参考值间的系统性偏差采用误差模型描述；(3)将系统误差参数设为零与初始位姿参数进行最小二乘估计，获得优化的位姿参数和观测量权重；(4)以点与面为约束的附有参数条件平差，对系统误差参数与位姿参数进行最优估计；(5)利用估计的参数改正扫描观测值，采用数学统计改正前后观测值与参考值间的偏差，评价提高精度与程度。与现有方法相比，本发明具有综合多种约束，所有参数同时最优估计，准确性好，精度高，易操作特点。

技术领域

本发明涉及三维激光扫描仪的检校方法，尤其是密集点云成像的三维激光扫描仪，同时参考点与面特征目标的高精度坐标，通过比较扫描仪观测值与参考值间的偏差，对扫描仪观测值中的系统误差进行探测、估计并改正的检校方法。

背景技术

三维激光扫描是一种非接触式主动测量技术，通过脉冲式或相位式激光测距和瞬时偏转角来快速获取物体表面的精确、密集三维离散点坐标(点云数据)，被称为“实景复制”。并根据扫描仪的位置和姿态，通过空间坐标转换得到外部坐标系下的三维空间坐标；为三维空间信息获取和三维场景构建提供了一种全新的高精度、高分辨率、高效率的技术手段。适用于对地遥感观测、地形测绘、三维建模、无人车和机器人的避障与导航、航天器对接与制导等应用领域均具有广阔的发展前景和应用需求。由于受仪器构造缺陷、工业制造水平、测量环境限制等因素的影响，其观测和处理过程中受多种因素不同程度的影响，导致扫描获得数据与处理结果中带有很大的数据不确定性，且处理结果的数据质量依赖于原始观测数据的精度。扫描仪的系统误差对观测精度影响显著，且对处理结果的影响具有累积性。另外，随着扫描仪的长时间放置或经常搬运，其关键器件老化或结构变形，都将加大系统误差的影响。因此，为使扫描仪在各测量任务中最佳地发挥作用，满足高精度应用的需求，就必须对扫描仪的表现性能和测量精度及误差影响规律进行测试与评定，对扫描仪的显著系统误差进行探测并改正。其中，系统误差对测量精度的影响非常显著，需要通过检校方法进行系统误差参数进行估计、标定并改正。

根据检校过程中参考目标的形状特征，先后出现的检校方法有：①基于面的检校，能方便地在现场选取参考基准面，且容易获得大量的多余观测值；但仅提供一维方向的约束，即以点到平面的距离最小为条件，缺少角度或方位约束，通常适用于稀疏点云情况。②基于点的检校，能有效地探测距离和两个角度三维方向的偏差，但需要均匀布设并精确测量大量点目标，消耗人力和物力，一般适用于密集点云情况。同时参考点与面特征目标，能提供更全面的约束条件，综合两种约束的优势，既利用高精度点目标又以面目标为补充，一定程度上克服对大量点目标的依赖。另外，同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪的检校方法还尚未见报道，且采用多种特征混合的联合平差还较少。

发明内容

针对现有方法的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种综合多种几何约束，所有参数同时最优估计，准确性好，速度快，易操作的同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪的检校方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种同时以点与面特征约束的三维激光扫描仪系统误差的检校方法，其特点是充分利用点到面的距离、点到点的距离和两个角度上的几何约束，既增加面检校中的约束条件，又克服对大量点目标的依赖，从而达到提高测量精度和成像质量。本发明的目的通过以下技术方案来实现：

(1)构建同时参考点与面特征约束的三维激光扫描仪系统误差检校的观测条件方程和联合平差模型，同时参考点和面目标的几何约束，分别建立点到面的距离、点到点的距离和两个角度的几何模型，构建同时参考多种特征混合的联合观测条件方程，建立点与面特征约束检校的联合平差模型，系统误差参数整体解算；

(1―1)三维激光扫描仪获得点与面特征目标上的三维坐标，通过坐标的旋转与平移，转换到外部参考坐标系中，根据几何约束条件那么同时参考点面特征的联合观测条件方程为