激光掃描測量標靶平差方程式構建方法
【專利摘要】本發明提供一種激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，采用以下步驟：1)在布設定向標靶的掃描區域進行多掃描站掃描，每個掃描站保證布設3個以上標靶，相鄰掃描站最少有兩個公共標靶，用GNSS或全站儀測定各標靶中心的工程測量坐標系坐標；2)掃描數據，整理標靶的工程測量坐標系數據；3)根據標靶和掃描站構建區域網，對區域網進行整體平差；4)列立i掃描站射向單標靶h的單激光束的附有未知數平差值方程；5)單標靶附有未知數條件平差的線性化；6)i掃描站和j掃描站(j≠i)指向公共標靶k，以兩掃描站坐標轉換后公共標靶k的坐標相等為限制條件，列立約束方程，對公共標靶方程式進行線性化，求解定向參數，實現點云坐標轉換。
【專利說明】激光掃描測量標靶平差方程式構建方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，屬于工程測量領域。
【背景技術】
[0002] 在測量中，客觀地理對象是在統一的工程測量坐標系下進行表達和研究的。地面 三維激光掃描（Terrestrial Laser Scanning, TLS)可以快速地獲取地理對象三維幾何信 息，然而掃描儀每站掃描點云的坐標系是掃描設備坐標系，因此就會有把工程范圍所有測 站點云轉換到工程指定測量坐標系中（工程測量坐標系原點及坐標軸已經定義好的，稱為 指定坐標系）的問題，即掃描時儀器在工程測量坐標系的位置點和姿態（稱為點云定向）。 對每站點云單獨定向的方法叫獨立模型法，目前國內外點云定向在用獨立模型法的同時， 還采用少量約束條件，如對大物體掃描一周，產生閉合條件（張劍清等）、相鄰站布設連接 標靶提高拼接精度。獨立模型法定向相對于連續拼接（ICP法）精度較高、標祀分布合理、 容易操作，其不足之處有以下幾點：①外業工作量大。②用相鄰各站參數計算的其公共標靶 中心的坐標相互有差異，是相互矛盾的，理論上不嚴密。③各站精度不均勻，差異較大，精度 評價時缺乏整體說服力。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種能克服上述缺陷、消除獨立模型在公共標靶上坐標的矛 盾、提高點云定向精度的激光掃描測量標靶平差方程式構建方法。其技術方案為：
[0004] 一種激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，其特征在于采用以下步驟：
[0005] 1)在布設定向標靶的掃描區域進行多掃描站掃描，每個掃描站保證布設3個以上 標靶，相鄰掃描站最少有兩個公共標靶，用GNSS或全站儀測定各標靶中心的工程測量坐標 系坐標；
[0006] 2)掃描數據，整理標靶的工程測量坐標系數據；
[0007] 3)根據標靶和掃描站構建區域網，對區域網進行整體平差；
[0008] 4)列立i掃描站射向單標靶h的單激光束的附有未知數平差值方程；
[0009] 5)單標靶附有未知數條件平差的線性化；
[0010] 6) i掃描站和j掃描站（j尹i)指向公共標靶k，以兩掃描站坐標轉換后公共標靶 k的坐標相等為限制條件，列立約束方程，對公共標靶方程式進行線性化，求解定向參數， 實現點云坐標轉換。
[0011] 所述的激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，步驟4)中，根據基于羅德里格的 三維坐標轉換公式點云定向模型，推導單標靶和公共標靶的平差方程式，其推導過程為：
[0012]
【權利要求】
1. 一種激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，其特征在于采用以下步驟： 1) 在布設定向標靶的掃描區域進行多掃描站掃描，每個掃描站保證布設3個以上標 靶，相鄰掃描站最少有兩個公共標靶，用GNSS或全站儀測定各標靶中心的工程測量坐標系 坐標； 2) 掃描數據，整理標靶的工程測量坐標系數據； 3) 根據標靶和掃描站構建區域網，對區域網進行整體平差； 4) 列立i掃描站射向單標靶h的單激光束的附有未知數平差值方程； 5) 單標靶附有未知數條件平差的線性化； 6. i掃描站和j掃描站（j尹i)指向公共標靶k，以兩掃描站坐標轉換后公共標靶k的 坐標相等為限制條件，列立約束方程，對公共標靶方程式進行線性化，求解定向參數，實現 點云坐標轉換。
2. 根據權利要求1所述的激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，其特征在于：步驟 4)中，根據基于羅德里格的三維坐標轉換公式點云定向模型，推導單標靶和公共標靶的平 差方程式，其推導過程為：
(1) 式中xs、Ys、zs表示掃描儀中心的三維坐標在指定坐標系的位置，R矩陣反映了掃描時 的點云在指定坐標系的姿態，可由反對稱矩陣
構成，R與S及單位矩陣I 的關系為
(2) 只有一個掃描站的激光束射向的標祀稱為單標祀，多掃描激光束射向同一標祀，此時， 各站的激光束稱為同名光束，該標靶稱為公共標靶；依公式（1)，i掃描站射向單標靶h的單 激光束的附有未知數平差值方程為 給公式⑶兩邊同乘以蠢·*=(/ +焉·ι(Ι-?),得 (3) (5) (4) 給公式⑷兩邊同乘以(/+·§),得 對公式（5)進行移項，得
(6) 公式（6)即為單標靶附有未知數和條件平差值方程式。
3. 根據權利要求1或2所述的激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，其特征在于： 步驟5)中，根據（6)式，線性化方程為 4^,+4^2 +Bi + w = 0 (7) 掃描站定位與定向參數的平差值3 I a if.參數近似值 r°=k if y if、參數改正數.1 = 1 4 ?3 i4 is ?e bf,標靶中心 在指定坐標系下的坐標1^ = [X Υ Ζ]τ、掃描坐標系下的坐標L2 = [X y ζ]τ，標靶在指 定坐標系的坐標改正數'的系數
，標靶掃描坐標系 的坐標改正數V2的系數.
，定向參數改正數系數
*閉合差
4. 根據權利要求1或2所述的激光掃描測量標靶平差方程式構建方法，其特征在于： 步驟6)中，根據公式（3)，i站和j站（j尹i)指向公共標靶k，限制條件是兩站坐標轉換 后公共標靶k的坐標相等，于是有公式（8)所示的約束方程 (9) (8) 公式（8)的線性化形式為 式中Ai和?為i站和j公共標靶坐標改正數的系數Vi和 '的系數
、匕分別為i、j站定向參數?和#;改正數，其系數(；=[I Cia Cib Cie CA]，C」=-[I Caj Cbj C。」CJ，而縮放參數的系數<
， a的改正數系數為
，b的 改正數系數為
，c的改 正數系數為
?閉合差
，然后求解定向參數，實現點云坐標轉換。
【文檔編號】G01B11/00GK104048605SQ201410289105
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】姚吉利, 張大富, 劉科利, 馬寧, 賈象陽, 徐廣鵬, 李彩林, 郭寶云 申請人:山東理工大學
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