[發明專利]一種基于掃描點云測距、測角的定權方法

在審

• 申請號: 201810582543.7
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108732587A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 劉超;賈雪;蔣榮華;趙興旺
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種基于掃描點云測距、測角的定權方法，涉及掃描點云建模領域中點云擬合部分，其包括：首先，根據三維激光掃描儀的測量原理，由測量斜距、激光光束的水平角和豎直角得到掃描點云的坐標公式；接著，將坐標公式兩邊微分，通過微分表達式和協方差傳播率求出點云的協方差陣；然后，將掃描點云的直角坐標系轉換為相應的極坐標系，用已知的坐標值表示掃描點云的測量距離和角度；最后，由一個點位的協方差陣寫出N個掃描點云的協方差陣，并根據協方差陣與協因數的關系，求解掃描點云的協因數陣。三維激光掃描點云不僅是不等精度的而且是相關的，一般的定權方式沒有考慮點云間的相關性。本發明重點探討了觀測向量和系數矩陣完全相關性條件下的定權方式，與以往的定權方式相比，本發明的定權方式更完善、精度更高。

技術領域

本發明涉及三維激光掃描技術領域，重點研究三維建模中點云擬合參數求解問題，具體是一種基于掃描點云測距、測角的定權方法，以期提高點云擬合精度、強化建模效果。

背景技術

隨著現代科技信息的飛速發展，人們對于三維數字產品精度的要求越來越高，三維激光掃描儀獲取的點云數據的質量直接影響三維數字產品的質量。因此，如何將點云數據處理成為高精度的三維數字產品是研究的熱點和難點。數據處理主要流程包括點云降噪、點云配準和三維建模等，其中如何利用點云數據建立精確的三維模型，是三維激光掃描技術應用的一個關鍵問題。

點云擬合是三維建模的一個重要方面，對其研究要追溯于18世紀，從開始帶有誤差的觀測值中求得最優參數估值的最小二乘算法(TLS)，到后來的同時考慮觀測方程和系數矩陣誤差的整體最小二乘算法(WTLS),研究者們進行了大量的研究，但因三維激光掃描是通過發射和接收激光來獲取被掃描物體的距離和角度，從而獲取目標物三維坐標信息，因此，三維激光掃描儀獲取的點云數據不僅是不等精度的而且具有相關性，通常進行點云擬合時，將協方差陣看作是等精度的單位陣，不符合點云數據的特性，當考慮點云相關性時，即觀測向量與系數矩陣是相關的，系數矩陣的權陣將不再是對角陣且系數矩陣與觀測向量之間的協因數陣不為零。所以，在研究點云擬合定權方式時應考慮點云的相關性，建立一種更完善的定權方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種掃描點云測距、測角的定權方法，該方法將觀測向量與系數矩陣之間的相關性考慮在內、可有效解算出點云數據的擬合參數，并提高點云的擬合精度。

本發明所采用的技術方案是：

一種基于掃描點云測距、測角的定權方法，具體包括以下步驟：

步驟1，根據三維激光掃描儀的測量原理，由測量斜距、激光光束的水平角和豎直角構建點云的坐標公式；

步驟2，將求出的點云坐標公式進行微分，通過微分表達式和協方差傳播定律求出坐標點云的協方差陣；

步驟3，將掃描點云的直角坐標系轉換為相應的點云極坐標系，用已知的x、y、z坐標值表示出掃描點云的測量距離和角度；

步驟4，由步驟2得到的一個點位的協方差陣，根據掃描點云的性質，進一步寫出N個掃描點云的協方差陣；

步驟5，根據掃描點云的協方差陣，以及掃描點云協方差陣和協因數陣的關系，求出掃描點云的協因數陣。

作為優選，本發明提供的一種基于掃描點云測距、測角的定權方法，所述的由測量斜距、激光光束的水平角和豎直角構建點云的坐標公式，其具體實現在步驟1中，以儀器中心為原點的三維坐標系中，已知激光光束的測量斜距ρ、激光光束的水平角和豎直角θ，根據三維激光掃描原理得到點云坐標公式：

作為優選，一種基于掃描點云測距、測角的定權方法，所述的通過微分表達式和協方差傳播定律求出坐標點內的協方差陣，其具體過程在步驟2中，將步驟1中的點云坐標公式兩邊進行微分，通過微分表達式和協方差傳播定律求出點云坐標的方差陣如式(2)～(4)所示：