机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法及系统与流程

本发明属于激光扫描数据处理技术领域，尤其涉及移动测量系统安置参数检校以及点云数据位置精度改善问题，针对移动测量系统采集的激光点云测量数据处理自动化研究。

背景技术

移动测量系统(Mobile Mapping System,MMS)已经在越来越多的应用中发挥作用，其搭载的三维激光扫描仪可以快速的采集带有强度、颜色等信息的三维激光点云，成为数字化现实场景的有效手段。作为关键的三维地理信息数据，其在多个领域都有广泛应用，如精细农业、数字建筑物模型生成、室内室外模型生成、城市交通检测等。促成了移动激光扫描测量设备的发展与应用。

移动测量系统通常会搭载激光扫描仪、GNSS/IMU(Global Navigation Satellite System/Inertial Measurement Unit)组合导航系统、相机等多种传感器。其多个传感器之间安置参数的误差导致移动测量系统采集的点云质量不够理想。例如，当前搭载多线激光扫描仪的移动测量系统受激光扫描仪竖直角度与出场值存在微小差异，以及扫描仪与GNSS/IMU集成时无法准确按照要求值进行安置的影响，都使安置参数存在误差，致使获取的点云质量无法达到理想状态。安置参数存在误差，导致激光点云解算出现偏差，其反应在点云中的表征就是点云场景中具有平面特征的点云有变形或漂移，点云构成的平面较为粗糙。因此，为保证移动测量系统采集的点云可以在后续的应用，如城市三维建模、高清地图更新、城市路侧管理与监测等处理步骤中点云处理的准确性与鲁棒性，需要对点云质量有所要求。需要对移动测量系统的安置参数进行检校，实现对点云质量的提升。

传统安置参数标定方法，需要人工布设大量靶标或者人为通过可视化软件进行点云特征的联选，依赖人工标定的方法耗时费力。除此之外，三维点云具有离散性的特点，现实的角点坐标不能被直接捕获到，人工点选角点坐标会出现偏差。因此，针对移动测量系统安置参数存在误差的问题，提出一种无需布设人工控制点或靶标的自动求取安置参数估计方法。机载点云不仅可以提取准确且方向丰富的平面特征，而且省去了人工布设标定设施的步骤。本方法利用已有同区域高精度机载点云，对移动测量系统进行安置参数估计，实现对移动测量系统获取的点云进行质量改善。

技术实现要素：

本文针对移动测量系统激光扫描仪竖直角度与出场值存在微小差异，以及扫描仪与GNSS/IMU集成时无法准确按照要求值进行安置的影响，提出一种以机载点云平面特征为参考，无需传统人工布设控制靶标的巨大成本，自动实现安置参数的求解，完成对移动测量系统所获取点云的质量提升。

本发明的技术方案提出一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法，包括以下步骤：

步骤1，利用原始安置参数对移动测量系统进行解算，得到原始点云；将原始点云作为参考点云，与在同一测图坐标系的同区域高质量点云利用Trimmed ICP方法进行配准，将同一区域总平面特征进行对齐；

步骤2，对机载点云按预设大小划分体素，对体素利用主成分分析方法和随机采样一致性方法进行平面特征的提取以及参数计算，并将原始点云与平面特征进行对应；

步骤3，将激光坐标系轴向与IMU坐标框架轴向对齐，构建虚拟激光坐标系，转换后将安置参数表示为安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，安置角Δω、Δφ、Δκ；

步骤4，联合步骤2所得平面特征以及对应的原始点观测值，根据平面特征参数，建立观测方程，利用Gauss-Helmert平差模型求解安置参数，实现移动测量系统安置参数检校。

而且，步骤1中，根据激光扫描仪采集的激光数据、GNSS/IMU提供的位姿信息以及原始的安置参数，求解出MMS原始点云。

而且，步骤1采用Trimmed ICP以MMS为参考点云，将机载点云作为源点云进行配准。

而且，步骤2采用主成分分析方法进行平面特征的提取，包括给定点云体素大小r，将机载点云划分为体素，对已划分的体素进行主成分分析，将体素内的所有点云坐标构建协方差矩阵并做特征值分解；根据矩阵特征值计算几何特征，得到平面特征显著的体素。

而且，步骤2采用随机采样一致性方法计算平面特征，包括将在点云空间中采用随机采点的方法，提取特定的几何特征，实现如下，

随机选点后，点云将被划分为平面的内点和外点，迭代至平面的内点残差和最小，得到该体素内的平面对应的所有点；

在三维空间中，平面特征的参数用平面方程表示并求取。

而且，步骤3采用了虚拟激光单元坐标系，

其中，定义为激光单元坐标系Lu到IMU坐标系的旋转矩阵，其可以由旋转矩阵和得到，其中定义为虚拟激光单元坐标系Lu′到IMU坐标系的旋转矩阵，定义为激光单元坐标系Lu到虚拟激光单元坐标系Lu′的旋转矩阵；

当虚拟激光单元坐标系已近似平行于IMU坐标系，两坐标系间用安置角Δw、Δφ、Δκ关联，表示如下，

设(x′、y′、z′)为激光点在虚拟激光坐标系中的坐标的三分量，考虑到安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，激光点在测图坐标系中的计算由下式得到，

其中，表示激光点由坐标系统F1的关联到坐标系统F2中的坐标值，表示将向量从坐标系统F1转换到坐标系统F2的旋转矩阵，F1和F2为m、b或Lu，t表示时间，则待求解的安置参数被表达为安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，以及安置角Δw、Δφ、Δκ。

而且，步骤4利用Gauss-Helmert平差模型求解安置参数，根据平面特征参数，列立观测方程，实现方式如下，

对于位于平面特征上的激光点(Xi，Yi，Zi)应该满足平面方程，联合步骤2中求得机载点云中稳健的平面特征及其对应的MMS采集的激光点，列立观测方程，并利用Gauss-Helmert平差模型求解安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ以及安置角度参数Δω、Δφ、Δκ。

本发明还提供一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校系统，用于实现如上所述的一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法。

而且，包括以下模块，

第一模块，用于利用原始安置参数对移动测量系统进行解算，得到原始点云；将原始点云作为参考点云，与在同一测图坐标系的同区域高质量点云利用Trimmed ICP方法进行配准，将同一区域总平面特征进行对齐；

第二模块，用于对机载点云按预设大小划分体素，对体素利用主成分分析方法和随机采样一致性方法进行平面特征的提取以及参数计算，并将原始点云与平面特征进行对应；

第三模块，用于将激光坐标系轴向与IMU坐标框架轴向对齐，构建虚拟激光坐标系，转换后将安置参数表示为安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，安置角Δω、Δφ、Δκ；

第四模块，用于联合第二模块所得平面特征以及对应的原始点观测值，根据平面特征参数，建立观测方程，利用Gauss-Helmert平差模型求解安置参数，实现移动测量系统安置参数检校。

或者，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法。

本发明利用机载点云对移动测量系统的安置参数进行估计，可以实现对移动测量系统获取的点云质量进行提升，是点云数据预处理中关键一步。本发明的技术方案针对移动测量系统中激光扫描仪与GNSS/IMU难以按照要求值进行安置以及受当前移动测量系统中搭载多线激光扫描仪竖直角度与标称值存在微小差异的现象，以机载点云为参考，对上述现象造成的安置参数误差进行估计，实现对移动测量系统安置参数的检校，提升移动测量系统获取点云的质量。

相比现有技术中对移动测量系统安置参数的检校方法，本技术无需采用人工布设标靶或测量控制点，节省人力物力，充分发挥机载点云平面质量较高、平面特征丰富的优势，实现自动化的移动测量系统安置参数的检校，改善移动测量获取的点云质量，为后续点云数据应用提供便利。

附图说明

图1是本发明实施例的整体流程图；

图2是本发明实施例的具体步骤示意图；

图3是本发明实施例中激光点云坐标系转换示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例说明本发明的技术方案。

本发明不依赖于传统移动测量系统安置参数检校时需要人工布设靶标或人工选点的工作，以机载点云作为辅助，利用机载点云以及移动测量系统所采集同区域点云中的平面特征，以改善移动测量系统采集的点云质量为目的，对移动测量系统的安置参数进行估计检校。本发明实施例针对移动测量系统安置参数检校问题，以机载点云中平面特征为参考，完成对安置参数的估计，实现对移动测量系统获取的点云质量提升。本发明的整体技术流程由图1所示。本发明实施例提供的一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法，包括利用原始安置参数依据移动测量系统采集数据获取MMS原始点云，并利用Trimmed ICP算法以MMS原始点云为参考将机载点云对齐；对机载点云划分体素，利用主成分分析方法筛选具有平面特征的体素，并利用随机采样一致性方法计算平面特征；利用原始安置参数转换为虚拟激光扫描坐标系，将安置参数表达为安置偏移量与小角度安置角；根据得到的平面特征参数联合MMS激光点列立观测方程，利用Gauss-Helmert平差模型估计安置参数。

本发明实施例的具体实施流程步骤示意图由图2所示，包括以下步骤：

步骤1，利用原始安置参数对移动测量系统采集的激光点进行解算，得到原始点云。将原始点云作为参考点云，与在同一测图坐标系的同区域高质量点云利用改进的迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)方法进行配准，目的是将同一区域总平面特征进行对齐；

实施例的步骤1中，由移动测量系统采集的得到的原始数据，包括激光扫描仪记录的每时刻激光的测距值、水平角度、竖直角度，以及GNSS/IMU联合解算出的每时刻位姿信息，同时联合初始安置参数解算出原始点云。给定重叠度阈值设置，以原始点云为参考点云，利用改进的ICP算法(Trimmed ICP)将同区域机载点云与原始点云对齐。

实施例中，步骤1实现如下：

1)移动测量系统通常搭载有激光扫描仪，GNSS/IMU组合导航系统，因此在获取点云时一般涉及三种坐标框架：测图坐标系(记为坐标系统m，三轴标记为Xm、Ym、Zm)、IMU坐标系(记为坐标系统b，三轴标记为Xb、Yb、Zb)、激光单元坐标系(记为坐标系统Lu，三轴标记为XLu、YLu、ZLu)。因此由移动测量系统获取的点I，在测图坐标系中可以用公式1表示，其坐标系转换示意图由图3所示：

其中，符号表示激光点由坐标系统F1的关联到坐标系统F2中的坐标值，表示将向量从坐标系统F1转换到坐标系统F2的旋转矩阵，F1和F2可为m、b或Lu，t表示时间，和后加(t)时表示坐标值、转换矩阵随时间t变化。对于激光扫描单元坐标框架，坐标原点定义在激光发射的位置，Z轴为激光单元的旋转轴。

对于Velodyne系统，每个激光束对应固定的竖直角β，水平角α由旋转单元决定，距离ρ()是发射点到激光脚点的距离。3D点到激光坐标系统的坐标可以由公式(2)定义：

其中，(x，y，z)表示坐标的三个分量。

GNSS/IMU组合导航单元提供时变的位置和旋转矩阵描述测图坐标系统到IMU坐标系统的转换。

公式1中，和对应安置参数。

因此，利用公式1，根据激光扫描仪采集的激光数据、GNSS/IMU提供的位姿信息以及原始的安置参数，可以求解出MMS原始点云。

2)为了获取MMS点云中对应的准确的平面参数，需要对MMS点云与机载点云进行对齐。利用改进的ICP算法(Trimmed ICP)以MMS为参考点云，将机载点云作为源点云进行配准。具体实施时，可以预先给定Trimmed ICP所需的参数：重叠度阈值以及最大迭代次数。实施例中，重叠度阈值优选设置为70％，最大迭代次数优选设置为50。

Trimmed ICP算法将在每次迭代的过程中，根据点集距离残差排序，按照重叠率计算保留的点数。根据保留的点进行计算变换。当满足最大迭代次数或者两次迭代的残差值变化极小时，停止迭代，得到转换后的机载点云。

步骤2，对机载点云按预设的指定大小划分体素，对体素利用主成分分析方法和随机采样一致性方法进行平面特征的提取以及参数计算，并将原始点云与平面特征进行对应；

实施例中步骤2中，给定体素分辨率大小r，将机载点云按照给定值，在三维空间内划分规则的体素，提取基于体素的平面特征。对每个体素内的所有点云利用主成分分析法，构建协方差矩阵，根据矩阵特征值计算体素的球形度、线性度、平面度，筛选出具有平面特征的体素。对具有平面特征的体素利用随机采样一致性精化平面特征，并计算平面特征参数。并将移动测量系统解算的原始点云分别对应机载点云所属的平面特征。

实施例中，步骤2实现如下：

1)给定点云体素大小r，实施例中r设置为5m，将机载点云划分为体素。对已划分的体素进行主成分分析，将体素内的所有点云坐标构建协方差矩阵并做特征值分解。根据矩阵特征值计算几何特征，得到平面特征显著的体素。

设pi(i＝1，2，...，k)为体素内中的k个点，则协方差矩阵M可以通过公式3计算：

其中，均值

做协方差矩阵M的特征值分解，得到对应的特征向量以及三个特征值λ1、λ2、λ3(λ1≥λ2≥λ3＞0)。根据特征值计算体素内点云呈现的几何特征。在实施例中，分别计算平面度Pλ、球形度Sλ、线性度Lλ，利用公式4计算：

当平面度Pλ在三个几何特征中值最大时，则体素内点云呈现平面特征，待进行平面特征参数计算。

2)筛选出具有平面特征的体素后，本技术方案采用随机采样一致性方法计算平面特征的参数。随机采样一致性方法将在点云空间中采用随机采点的方法，提取特定的几何特征。在实施例中，随机选点后，点云将被划分为平面的内点和外点，迭代至平面的内点残差和最小，即得到该体素内的平面对应的所有点。

在三维空间中，平面特征的参数可以用平面方程表示，即公式5：

ax by cz＝d (5)

其中参数a、b、c可以由平面特征对应点集的法向量n求得。对于平面点集{(xi，yi，zi)，1≤i≤k}，由公式6构建矩阵A，并求其对应最小的特征向量即为法向量n。

其中，参数

可由公式7求得平面方程的第四个参数d：

步骤3，将激光坐标系轴向与IMU坐标框架轴向对齐，构建虚拟激光坐标系。转换后将安置参数表示为安置偏移量ΔX、Δy、ΔZ，安置角Δω、Δφ、Δκ；

实施例的步骤3中，利用原始激光扫描仪与GNSS/IMU系统间的安置参数，对激光扫描单元坐标框架进行转换，构建虚拟激光坐标框架。因此，待求解的安置参数可以表达为数值为小角度的安置角Δω、Δφ、Δκ以及安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ。

实施例中，步骤3实现如下：

对于移动测量系统，IMU在安置时，一般使得其X轴对应右方向，Y轴对应行驶方向，Z轴对应竖直方向。因此，IMU坐标系一般平行于车辆坐标系。为了在安置参数的误差估计时，不受激光单元与IMU之间的朝向影响。引入虚拟激光坐标系Lu′，将激光坐标系做调整。引入虚拟坐标系可以避免在安置参数估计时产生万向节死锁的问题。公式1中，项可以由公式8表示：

其中，定义为激光单元坐标系Lu到IMU坐标系的旋转矩阵，其可以由旋转矩阵和得到，定义为虚拟激光单元坐标系Lu′到IMU坐标系的旋转矩阵，定义为激光单元坐标系Lu到虚拟激光单元坐标系Lu′的旋转矩阵。在实施例中，即为原始的安置角参数计算。

因此，最后激光点在测图坐标系中可由公式9计算：

当虚拟激光单元坐标系已近似平行于IMU坐标系，两坐标系间可以用参数(Δω、Δφ、Δκ)关联，其为三个小角度近似值。可以利用公式10表示：

其中，Δω、Δφ、Δκ分别如表示绕IMU坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转，即分别表示俯仰角、滚动角、航向角。

激光点在虚拟激光坐标系中的坐标可以用公式11表示：

其中，(x′、y′、z′)为激光点在虚拟激光坐标系中的坐标的三分量。

最后，考虑到安置偏移参量，即杆臂值偏差ΔX、ΔY、ΔZ，激光点在测图坐标系中的计算可由公式12得到：

则待求解的安置参数被表达为安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，以及安置角Δω、Δφ、Δκ。

步骤4，联合步骤2中已经提取平面特征以及对应的原始点观测值，根据平面特征参数，列立观测方程，利用Gauss-Helmert平差模型求解安置参数。

实施例的步骤4中，利用步骤2中已经获取并计算的平面特征参数，联合移动测量系统中获取的对应平面特征的激光脚点，可以依据平面参数建立函数。利用Gauss-Helmert平差模型，可以求解待估计的安置参数，根据最小二乘法和拉格朗日乘数法可以构造对应函数，求得安置参数数值。

实施例中，步骤4实现如下：

对于移动测量系统来说，当安置角存在偏差时，采集的点云的数据质量将受到影响，主要反应在平面上的点云将出现明显的变形或偏移。因此采用准确的平面特征作为参考，求解移动测量系统的安置参数。对于位于平面特征上的激光点(Xi，Yi，Zi)应该满足公式5，即：

aXi bYi cZi-d＝0 (13)

联合步骤2中求得机载点云中稳健的平面特征及其对应的MMS采集的激光点，可以列立观测方程，并利用Gauss-Helmert平差模型求解安置偏移量ΔX、Δy、ΔZ以及安置角度参数Δω、Δφ、Δκ。

Gauss-Helmert平差模型的一般线性化形式为：

f(l，)＝Ax Bv w＝0 (14)

其中l为观测值，x为安置参数，v为函数模型的改正数，w为函数模型的闭合差向量，A和B均为系数矩阵。

根据公式5和公式12，则函数模型为：

其中未知参数包括安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ以及安置角度参数Δω、Δφ、Δκ，观测值由GNSS/IMU组合导航系统提供的时变的位置以及IMU到测图坐标系的转换矩阵以及有原始安置参数以及扫描仪采集数据解算的坐标x′、y′、z′。

将公式14线性化可得：

其中，x⁰为安置参数初值，为观测值参数，表示观测值的改正数，表示安置参数的改正平差值，A和B为观测方程对观测量求偏导后的系数矩阵，w为观测方程的闭合差向量。根据公式14，根据最小二乘法以及拉格朗日乘数法构造函数并推到法方程，求得安置参数的平差改正值以及观测值改正数

得到估计的安置偏移量以及安置角，即可根据公式12解算移动测量系统采集的激光点云。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校系统，包括以下模块，

第一模块，用于利用原始安置参数对移动测量系统进行解算，得到原始点云；将原始点云作为参考点云，与在同一测图坐标系的同区域高质量点云利用Trimmed ICP方法进行配准，将同一区域总平面特征进行对齐；

第二模块，用于对机载点云按预设大小划分体素，对体素利用主成分分析方法和随机采样一致性方法进行平面特征的提取以及参数计算，并将原始点云与平面特征进行对应；

第三模块，用于将激光坐标系轴向与IMU坐标框架轴向对齐，构建虚拟激光坐标系，转换后将安置参数表示为安置偏移量ΔX、ΔY、ΔZ，安置角Δω、Δφ、Δκ；

第四模块，用于联合第二模块所得平面特征以及对应的原始点观测值，根据平面特征参数，建立观测方程，利用Gauss-Helmert平差模型求解安置参数，实现移动测量系统安置参数检校。

在一些可能的实施例中，提供一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法。

在一些可能的实施例中，提供一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种机载点云辅助的移动测量系统安置参数检校方法。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。