[发明专利]一种用3个三维平面基元直接求解扫描点云地理化参数的方法

说明书

一种用3个三维平面基元直接求解扫描点云地理化参数的方法，包括如下步骤：步骤1：以三维平面转换方程为基础方程，以扫描仪坐标系中三维平面基元的姿态参数和位置参数为观测值，求解未知的地理化参数。由于平面转换方程中地理化的姿态参数和位置参数没有同时在一个方程出现，因此解算面基元的姿态参数的方程为第一组，以面基元的姿态参数为观测值，解算旋转矩阵中三个独立参数；其余方程为第二组，解算地理化的位置参数。步骤2：获取地理化参数的方差阵，建立地理化参数误差模型。本发明可得到完整点云地理化数学模型、地理化参数及其方差阵，为研究和利用地理化后点云质量评估提供支持。

技术领域

本发明涉及三维平面不同坐标系之间的转换，用3个三维平面基元直接求解扫描点云地理化参数及其精度评定的方法，属于工程测量领域。

背景技术

人们总是习惯性的将客观对象放在以铅垂线为基准线、以北方向为基本方向的地理空间中去观察、表达和研究，这种地理空间坐标系就是测绘领域的地理参考坐标系，也称为工程测量坐标系。不同传感器平台获取的点云，需要将其坐标系转换到统一的地理坐标系中，这个过程在点云处理理论中称为点云地理化，其关键是地理化参数求解。学术界针对点云地理化提出了大量点云地理化方法和地理化精度的评定方法。直接求解法在工程测量领域很常见，它是用最少的已知点直接计算测站仪器中心在地理坐标系中的3维位置坐标和姿态的方法。在三维激光扫描测量中，用于解算扫描仪在地理坐标系中6个地理化参数的基本元素称为基元，按其几何特征可分为点基元、线基元和面基元。点基元就是传统意义的控制点，三维激光扫描技术出现后，线基元和面基元作为点云拼接/地理化的基本单元，已然成为地理化参数/坐标转换参数的基元。然而用线基元和面基元解算地理化参数的方法还没有完善，例如没有线基元和面基元的地理化参数直接求解方法，本专利就是发明一种用3个三维平面基元求解扫描点云地理化参数的方法，本发明的意义在于：

(1)在受地形限制的某些情况下进行设站扫描，扫描视场内没有已知点基元、或只已知一个或两个点基元，此时无法解算6个地理化参数，可寻求扫描物体上的已经过地理化的点云与本站点云公共的三维平面，来解算地理化参数。

(2)全站仪是一种高精度三维坐标测量仪器，用于无合作目标法测定已知平面特征参数，本专利方法更容易使扫描仪与全站仪进行联合测量。

(3)直接解算地理化参数的结果可作为平差法计算6个地理化参数时的可靠初始值。

(4)能获取地理化参数的方差阵，使建立地理化参数的误差模型更容易。

在建筑物等目标的扫描点云中有大量的平面对象，所以本专利在三维激光扫描的数据处理和应用中有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供用3个三维平面基元直接求解扫描点云地理化参数的方法，包括如下步骤：

步骤1：以三维平面转换方程为基础方程，以扫描仪坐标系中三维平面基元的姿态参数和位置参数为观测值，求解未知的地理化参数。由于平面转换方程中地理化的姿态参数和位置参数没有同时在一个方程出现，因此解算面基元的姿态参数的方程为第一组，以面基元的姿态参数为观测值，解算旋转矩阵中三个独立参数；其余方程为第二组，解算地理化的位置参数。在三维笛卡尔o-xyz坐标系内(如扫描仪坐标系)，三维平面E分3类，用于表达物体的正面、侧面和水平面，其方程为

式中E_x代表第一类不平行于x轴的三维平面，E_y代表第二类不平行于y轴的三维平面，E_z代表第三类不平行于z轴三维平面，a_i,b_i,c_i(i＝x,y,z)为三维平面的特征参数。已知地理化参数称T_S＝[X_S Y_S Z_S]^T为地理化的位置参数；ω、κ为地理化的姿态参数，由其构成旋转矩阵