[发明专利]一种3D直线广义模型在扫描仪坐标系和工程测量坐标系间的转换方法

说明书

本发明提供一种3D直线广义模型在扫描仪坐标系（坐标系1）和工程测量坐标系（坐标系2）间的转换方法，称为三维线（3D直线）转换，步骤是：1)在三维笛卡尔坐标系内，按3D直线的方向向量的绝对值的最大分量所在坐标轴，将3D直线分成3类，并用最少的4个特征参数。2）在两个坐标系转换参数已知的情况下，建立两个坐标系下3D直线方程特征参数和转换参数之间的关系的3D直线转换方程。3）建立由转换参数方差阵和坐标系1中3D直线特征参数方差阵，计算坐标系2中3D直线特征参数方差阵的3D直线误差传播律。本发明能将扫描仪坐标系内物体上3D直线的位置和姿态参数及其误差，转换到工程测量坐标系下，从而方便对物体的直线几何形态进行分析和研究。

技术领域

本发明涉及点云对象特征参数及其误差传播，属于工程测量领域。

背景技术

目前，点云已成为摄影测量与遥感、计算机视觉、机器学习等多个领域常见数据源，且类型多样，除机载激光雷达点云外，还有摄影测量等方法获取的点云、静态地面扫描点云、地面移动扫描点云、同步定位与制图点云。人们总是习惯将客观对象放在以铅垂线为基准线、北方向为基本方向的地理空间去观察、表达和研究，这种地理空间坐标系经常是测绘领域的地理参考坐标系或工程测量坐标系。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。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。在建筑物等目标的扫描点云中，除了点以外，还有大量平面对象和直线对象等。这些对象是点云的基本特征，特别是目标物上的3D直线是目标的骨架线，是建筑设计、建筑施工的基本线，是物体面积、体积等基本量测单元的边界线，是建模的基本线，因此3D直线是重要的研究对象，建立3D直线的通用、广义模型具有非常重要的意义。目前点云对象的研究成果中对几何模型及拼接的研究较多，对3D直线几何模型参数的坐标转换、随机模型、模型参数的误差传播规律等方面并未进行深入研究。本专利就是针对3D线对象的特征参数转换及其误差传播而发明的。

发明内容

本发明的目的是提供点云中的3D直线对象在扫描仪坐标系下的特征参数转换到工程测量坐标系下的方法及其误差传播规律。其技术方案为：一种3D直线广义模型在扫描仪坐标系和工程测量坐标系间的转换方法，其特征在于：

1)在三维笛卡尔坐标系内，将空间3D直线用最少的特征参数(4个)进行表达，即描述3D直线的方程中有4个参数，同时该3D直线方程必须满足3个条件：①能表示所有直线；②4个直线特征参数具有明确的几何意义；③4个直线特征参数不仅能表达直线的空间位置，还能表达直线的姿态。3D直线方程称为3D直线函数模型，共有3种形式。直线4个特征参数的4阶方差阵构成3D直线的随机模型(也称为误差模型)，3D直线的函数模型和随机模型共同构成3D直线的广义模型。

2)在两个坐标系转换参数已知的情况下，建立两个坐标系下3D直线方程特征参数之间的关系，即推导出3种形式的3D直线转换方程。

3)在已知两个坐标系转换参数方差阵的情况下，推导出在扫描仪坐标系下3D直线特征参数的误差传播规律，简称3D直线误差传播律。

根据权利要求1所述的3D直线广义模型在扫描仪坐标系和工程测量坐标系间的转换方法，其特征在于步骤1)中，三维笛卡尔坐标系o-xyz中3D直线函数模型应符合步骤1)中规定的3个条件。3D直线函数模型有3种形式。坐标系o-xyz中3D直线上任意一点p(x,y,z)满足方程