顾及尺度转换参数的3维激光扫描数据配准方法研究

作者:王婷婷;靳奉祥;陈绍杰 刊名:测绘与空间地理信息 上传者:陈宏

【摘要】利用3维激光扫描仪对变形区域进行变形监测时,同期观测数据需要拼接到同一坐标系下,同时多期观测数据需要在同一外部坐标系下。在分析现有坐标系转换方法和3维激光扫描数据特点的基础上提出了参数优化法。利用参数优化法对三个以上公共点计算,求取转换参数,从而将观测数据转换到外部坐标系下。实验结果表明,该转换方法获取的数据精度有明显的提高,因此具有较高的实际应用价值。

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0引言地面3维激光扫描是一种直接记录物体3维模型的测量手段,扫描获得的点云是包含被扫物体表面细节的3维图像,由密集的点组成,每个点包含(xi,yi,zi,i)值,其中x,y,z是以仪器坐标系表示的该点坐标,i为接收到的反射信号的强度[1]。由于扫描系统在不同位置扫描时其坐标系不一致,因此需要将多个测站扫描的点云数据进行拼接,并转换到统一的坐标系下,才能获得物体表面完整的形状信息,整个过程就是点云数据的配准[2]。将3维激光扫描技术应用在变形监测领域,不止需要同一期数据各个局部坐标系的统一,还需要不同期数据坐标系的统一。目前,点云配准[3]常用的方法是在两个坐标系下选取一定数量的公共点(个数大于等于3),通过这组公共点利用七参数转换法计算出转换参数,然后进行拼接和转换[4],如3维激光扫描仪GX200自带的软件RealworksSurvey就是采用该方法。但该方法要求所转换的数据最好在公共点所包含的网形内,若所转换的数据不在公共点所包含的网形内时,该方法转换的数据误差较大。对变形区域进行变形监测时,若选择公共点在变形区域上,则需要每期都要利用如工业测量系统、全站仪等高精度的观测仪器对这些公共点进行精确定位,以将扫描仪观测数据转换到外部坐标系下。为改善此问题,现在新推出的TrimbleGX仪器增加了整平、对中功能,可以架设在远离变形区域的已知点上,利用极坐标法直接获取外部坐标系下的点云数据,但由于扫描仪观测精度随距离增大而下降,而稳定点又要求与变形区域距离越大越好,再加上扫描时环境要求遮挡少,这就给已知测站点的选择带来一定的难度,而且实验表明此方法精度也不是很高。因此,我们需要根据3维激光扫描数据的特点来寻求一种新的坐标系转换方法以解决以上问题。本文在研究现有坐标系转换方法及3维激光扫描数据特点的基础上提出顾及尺度参数的九参数优化法,用三个以上公共点,解算出3维激光扫描仪自身坐标系与外部坐标系的转换参数,然后进行坐标系的转换。1现有数据转换方法1.1相关坐标系介绍与3维激光扫描仪工作相关的坐标系主要有以下三种。图13维激光扫描仪自身坐标系统Fig.1Coordinatesystemofthree-dimensionallaserscanner图23维工业测量系统确定的外部绝对坐标系Fig.2Coordinatesystemofthree-dimensionalindustrialmeasurement1)仪器坐标系坐标原点在扫描仪的中心,Y轴在仪器固定方向上,为激光扫描平面的起始位置,Z轴是仪器的竖轴,X轴由右手坐标系确定,如图1所示。2)统一坐标系一般选择某个测站的仪器坐标系作为统一坐标系,其他测站的点云坐标系都转换到此坐标系中。3)外部绝对坐标系如国家坐标系或地方独立测量坐标系[5]本文实验应用3维工业测量系统确定外部绝对坐标系,如图2所示,其坐标系是以测站A经纬仪三轴的交点即仪器中心为坐标原点(0,0,0),以过原点的铅垂向上的方向为z轴,以两仪器三轴交点A和B的连线在水平面上的投影为x轴,xyz构成右手测量坐标系。1.2七参数坐标系转换方法X新=X0+(1+k)X旧+zY旧-YZ旧Y新=Y0+(1+k)Y旧+zX旧-YX旧Z新=Z0+(1+k)Z旧+YX旧-XY旧(1)x=r/cosy=r/sin(2)3维激光扫描仪GX200自带的软件RealworksSurvey是采用七参数转换方法,利用扫描空间三个公共点求取坐标转换参数,完成坐标系的转换,其转换公式式(1)。其中,公式中存在七个参数:三个平移参数X0,Y0和Z0;三个旋转参数X,Y,Z和

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