一种适用于快速扫描场景的靶标及其控制点的提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于快速扫描场景的靶标及其控制点的提取方法，所述靶标由三个互不平行的平面X、Y、Z组成，在其靶标面上涂有银白色涂料。所述方法包括以下步骤：S1、使用激光扫描系统扫描靶标并对多获得的点云数据进行坐标解算；S2、对三维点云数据中靶标点云数据进行识别、截取以获得点云子空间；S3、对点云子空间进行平面模型估计并以二分法去噪获得基础点云，剔除噪声；S4、对基础点云进行迭代去噪处理，最终获得精准的平面参数；S5、使用所获得的最终平面参数，联立组成非齐次线性方程组，求解靶标控制点。本发明提供的靶标及其靶标控制点的提取方法适用于载体平台快速移动的场景，能快速准确地确定靶标控制点在点云中的坐标，从而提高点云数据的准确度，具有广泛的应用价值。
【专利说明】
-种适用于快速扫描场景的卽标及其控制点的提取方法
技术领域
[0001] 本发明设及点云数据精准定位领域，具体的说是一种适用于快速扫描场景的祀标 及其控制点的提取方法。
【背景技术】
[0002] Ξ维激光扫描技术是一项新兴的技术，利用Ξ维激光扫描技术采集数据具有高 效、数据量大，快速等诸多优点，已成为记录环境空间分布及表面特性的一种重要技术手 段，被广泛应用于工程测量、电力巡线、轨道监测、森林调查等用途，依其载体平台常见的主 要有机载、车载和地面激光扫描等。
[0003] 影响Ξ维激光扫描技术获得的点云数据精度的因素较多，包括祀标控制点拟合误 差、GPS定位误差、激光测距误差、测角误差及系统集成误差等，其中，祀标扫描误差是影响 点云数据精度的最直接、最主要的因素之一。
[0004] 祀标通常是具有特殊材质，特殊形状的具有参考价值的典型物体，W便容易地从 点云数据中被提取确认出来，W用来确定实际的Ξ维点云坐标与测量出的点云Ξ维坐标之 间对应关系的一种参照物;控制点则是从祀标物体上提取出来的特定单一点，并且能够通 过处理得到运个特定单一点在所述特定坐标系下的精确的Ξ维坐标，借助祀标控制点可W 实现激光扫描点云数据的转换及坐标的统一。
[0005] 传统的祀标主要为球形祀标、圆柱形祀标及平面祀标，其中，球形祀标与圆柱形祀 标具有W下缺点：1、均需进行曲面拟合，数据计算量大，效率低;2、在车载或机载扫描的应 用场景下，由于载体平台的高速运行特性，所能扫描到的点云数据极为有限，而拟合曲面所 需的点云数据多，限制了其应用;3、制作球形祀标与圆柱形祀标时，祀标尺寸偏小则不能够 一次性扫描收集到全部表面点云数据信息，祀标尺寸偏大则其制作难度大，所获得为低精 度的球面或柱面，扫描误差大。平面祀标的缺点主要在于平面祀标的控制点的准确度受到 多重反射效应影响而准确度低。
[0006] 因此，提供一个能克服传统祀标缺点的祀标，并提供其祀标控制点的提取方法，W 提高祀标控制点拟合精度，对于提高点云数据的准确性有着实质意义。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种适用于快速扫描场景的祀标及其控制点的提取方法， 能够快速准确的确定祀标控制点在点云中的坐标。
[000引为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0009] -种适用于快速扫描场景的祀标，包括祀标及连接柱，祀标的祀标面由Ξ个互不 平行的平面Χ、Υ、Ζ组成，Χ、Υ、Ζ平面相交于一点，该点即为祀标的控制点，所述连接柱用W支 撑所述祀标W避开祀标背景区域中的干设物。
[0010] 优选地，所述X平面与Υ平面相交于一条直线，所述直线与所述Ζ平面间的夹角为纯 角。
[0011] 优选地，X平面与Υ平面间的夹角为纯角。
[0012] 优选地，所述Ξ平面祀标的祀标面上涂有银白色涂料。
[OOU] -种提取权利要求1所述祀标在点云中祀标控制点坐标的方法，包括W下步骤：
[0014] S1、使用激光扫描系统扫描各祀标，获得系列的非线性点云数据，并结合相应时刻 的激光扫描系统的扫描距离参数、姿态参数及差分全球定位系统对点云数据进行坐标解 算，获得具有统一坐标系的=维点云数据；
[0015] S2、对Ξ维点云数据进行识别、截取，根据给定的祀标模型从所述Ξ维点云数据中 分离出缩小的含更少噪音点的用于参数估计的点云子空间；
[0016] S3、对所述点云子空间进行平面模型估计，并采用W最大似然估计为原理的二分 法并将点云子空间分成符合平面方程参数的基础点云和不符合平面模型的噪声点云；
[0017] S4、对S3所获得的Ξ个基础点云进行去噪处理，最终获得精准的平面参数；
[0018] S5、使用S4所获得的参数向量，联立平面方程组，求解祀标控制点坐标。
[0019] 进一步地，步骤S2包括W下步骤：
[0020] S21、对所述Ξ维点云数据进行分析，找到祀标点云数据的Ξ维中Z值最大的点 Zmax;
[0021] S22、WZmax为基准，W祀标已知的外形尺寸及构成祀标面的各平面间的角度值作 为约束值将与祀标有关的点云数据从所述Ξ维点云数据中分离出来获得用于参数估计的 点云子空间。
[0022] 进一步地，步骤S3包括W下步骤：
[0023] S31、根据已知祀标模型的Z平面的参数分别对所述点云子空间进行平面模型估 计：
[0024]
[00巧]式中为测量值经过处理转化得到的值，Θ及α为根据已知的祀标模型Z平面给出 的假设猜想；
[00%] S32、分别计算点云子空间中点云到所述Ζ平面模型的马氏距离，判定各点云是否 属于Ζ平面；
[0027]假设点云中某个点yi的Ξ维坐标Xi=(x、y、z)T，则所述马氏距离可W表示为下式：
[002引
[0029] 其中目Τχ广α为点yi到Z平面的距离，出是听1的协方差矩阵，规定满足下式的点在平 面上：
[0030] di>0并且d' =arg max(di)
[0031] 如果点yi到ζ平面的马氏距离约等于零，则认为点yi属于ζ平面，否则认为该点yi是 噪声点；
[0032] S33、采用W最大似然估计为原理的二分法将点云子空间分成符合平面方程参数 的基础点云和不符合平面模型的噪声点云；
[0033] S34、重复步骤S31-S33,分别对构成祀标的其余两个平面进行平面模型估计，获得 其余两个平面的基础点云。
[0034] 进一步地，所述点yi到Z平面的马氏距离约等于零的误差范围为0.01米。
[0035] 进一步地，步骤S4所述的去噪处理采用的是迭代去噪法，具体做法为:对于第i个 平面的基础点云（i = l，2,3)，再次进行平面参数估计，得到新的平面参数值αι和θι，然后用 新得到的参数值更新之前的参数值，并且会得到两个点云子集数据，其中一个为认为属于 运个平面的点云子集，另一个则是噪声点云数据，取运个认为属于运个平面的点云数据子 集再次重复W上的做法，直到获得的噪声点云个数小于标准设定值为止;继续对下一个平 面进行迭代去噪，直到Ξ个平面都去噪完成，得到各平面最终的Θ值和α值。
[0036] 进一步地，当步骤S3中所获得的某个平面的基础点云集中仅有1或2个点云数据而 无法拟合平面时，W已确定的其余两个平面的平面方程及祀标各平面(Χ、γ、ζ)间已知夹角 关系联立方程求解祀标控制点。
[0037] 采用上述技术方案后，本发明与【背景技术】相比，具有如下优点：
[0038] 1、相对于曲面拟合方法，平面拟合数据处理量小，可W快速地解析出祀标控制点 的坐标，更易于提升计算效率与准确性；
[0039] 2、拟合平面所需的点云数据少，在本发明的控制点拟合中最少只需7个点云数据， 从而在载体平台高速移动的场景下具备应用优势-当扫描到的祀标的某个平面的只有一个 点云数据，而其余两个平面的点云数据符合平面构建要求时，不会因为数据缺失而无法拟 合，依然能有效完成祀标的控制点求解过程，适用性及可靠性更高；
[0040] 3、由于拟合所需的点云数据少，因此可W合理控制祀标的尺寸，且平面加工的难 度低于球面及柱面加工，有利于提高祀标制作精度；
[0041] 4、本发明的祀标控制点定义为形成祀标的Ξ个平面的交点，克服了平面祀标中的 控制点受到多重反射效应影响而导致的准确度低的缺点；
[0042] 5、构成本发明祀标的各个平面间的夹角为纯角，在激光扫描时能获得更多的点云 数据。
【附图说明】
[0043] 图1为祀标示意图；
[0044] 图2本发明的工作流程图；
[0045] 图3为扫描系统获得的原始点云；
[0046] 图4为采用本发明方法所确定的祀标点。
【具体实施方式】
[0047] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[004引实施例
[0049] 下面结合附图对本实施例进行详细说明。
[0050] 如图1所示，Ξ平面祀标包括祀标1及连接柱2,所述连接柱2将祀标1托起使其离开 地面W获得适宜的高度W便于激光扫描系统的扫描，并且在连接柱2的作用下祀标1避开了 背景区域中可能存在的干设物，便于扫描后的点云数据中属于祀标的点云数据的识别、提 取。所述祀标1的祀标面由Ξ个互不平行的平面Χ、Υ、Ζ组成，Χ、Υ、Ζ平面相交于一点，该点即 为祀标的控制点。Χ、Υ平面间的夹角为纯角，Χ、Υ平面的交线与Ζ平面间的夹角也为纯角，W 利于增加激光扫描系统扫描时的扫描面积及扫描角度，W便于在实际扫描过程中获得更多 的点云数据，提高激光扫描精度。在所述Ξ平面祀标的祀标面上涂有银白色涂料(银白色对 激光光束的反射效果好，有利于激光扫描系统接收器对反射光束的收集）。
[0051] 如图2、图3及图4所示，一种祀标控制点的提取方法，包括W下步骤：
[0052] S1、使用激光扫描系统扫描各祀标，获得系列的非线性点云数据，并结合相应时刻 的激光扫描系统的扫描距离参数、姿态参数及差分全球定位系统对点云数据进行坐标解 算，获得具有统一坐标系的=维点云数据；
[0053] S2、对Ξ维点云数据进行识别，根据给定的祀标模型从所述Ξ维点云数据中分离 出缩小的含更少噪音点的用于参数估计的点云子空间；
[0化4]具体做法为：
[0055] S21、对所述Ξ维点云数据进行分析，找到祀标点云数据的Ξ维中Ζ值最大的点 Zmax;
[0056] S22、WZmax为基准，W祀标已知的外形尺寸(长宽高)及构成祀标面的各平面间的 角度值作为约束值将与祀标有关的点云数据从所述Ξ维点云数据中分离出来获得用于参 数估计的点云子空间。
[0057] S3、对所述点云子空间进行平面模型估计，并采用W最大似然估计为原理的二分 法并将点云子空间分成符合平面方程参数的基础点云和不符合平面模型的噪声点云，具体 做法为：
[0058] S31、根据已知祀标模型的Z平面的参数分别对所述点云子空间进行平面模型估 计：
[0059] 对于每个祀标面，我们可认为它是光滑的二维平面，并且适用平面方程公式:ax+ by+cz+d = 0，其中 a、b、C满足关系式 a2+b2+c2 = 1。
[0060] 对于上式还可W用一组非线性相关的向量θ，α表示为下式：
[0061]
[0062] 式中XI为测量值经过处理转化得到的值，Θ及α初始时为根据已知的祀标模型Ζ平 面给出的假设猜想，η是符合运个平面关系的所有的点云的总数，即测量系统发射接收到的 来自祀标某一平面上的全部反射激光点总点数。
[0063] S32、分别计算点云子空间中点云到所述Ζ平面模型的马氏距离，判定各点云是否 属于Ζ平面；
[0064] 假设点云中某个点yi的Ξ维坐标Xl=(x、y、z)τ，则该点到所述Z平面的马氏距离可 W表示为下式：
[00 化]
[0066] 其中目Τχι-α为点yi到Z平面的距离，出是θΤχι的协方差矩阵，规定满足下式的点在平 面上：
[0067] di>0并且d' =arg max(di)
[0068] 如果点yi到Ζ平面的马氏距离约等于零（本实施例中约等于的范围误差设定为 0.01米），则认为点yi属于Z平面，否则认为点yi为噪声。
[0069] S33、采用W最大似然估计为原理的二分法将点云子空间分成符合平面方程参数 的基础点云和不符合平面模型的噪声点云。
[0070] 最大似然估计的基本原理是：当从模型总体中随机抽取N组样本观测值后，最合理 的参数估计量应该使得从模型中抽取该腺且样本观测值的概率最大
[0071] S34、重复步骤S31-S33,分别对构成祀标的其余两个平面进行平面模型估计，获得 其余两个平面的基础点云。
[0072] 由于步骤S31中来自同一平面的基础点云对于另外两个平面上的基础点云便是噪 声点，因而需要进行步骤S34W对各平面进行分别处理。
[0073] S4、对S3所获得的Ξ个基础点云进行迭代去噪处理，最终获得精准的平面参数；
[0074] 具体做法为:对于第i α = 1，2，3)个平面的基础点云再次进行平面参数估计，得到 新的平面参数值和01，然后用新得到的参数值更新之前的参数值，并且会得到两个点云子 集数据，其中一个为认为属于运个平面的点云子集，另一个则是噪声点云数据，取运个认为 属于运个平面的点云数据子集再次重复W上的做法，直到测得噪声点云数据中的噪声点总 数小于标准设定值为止，本实施例中标准值设定为10个，继续对下一个平面进行迭代去噪， 直到Ξ个平面都去噪完成，并且得到了最终的Θ值和α值。
[0075] S5、使用S4所获得的参数向量，联立各平面方程组成方程组，求解祀标控制点：
[0076] 所述的平面方程为：
[0077]
[0078] 其中义1^3为测量值经过处理转化得到的值，0，α为步骤S6中所获得的最终的立个 平面的参数向量。
[0079] 当步骤S3中所获得的符合某个平面方程参数的基础点云集中只有1或2个点云数 据而无法拟合平面时，而其余两个平面的点云数据符合平面构建要求时，W步骤S4中其余 两个平面最终确定的平面参数值结合祀标模型参数(Χ、Υ、Ζ平面之间的夹角)联立求解祀标 控制点。
[0080] 具体做法如下：
[0081] 假设Ζ平面上的点云子集只有一个点云，已知祀标Ξ个平面Χ，Υ，Ζ之间的夹角，定 义为：ΖΧΥ = α;ΖΥΖ = β;ΖΖΧ= 丫，
[0082] 贝1J:平面X上的点云子集{巧}(1 = 1，2,3· · - n);
[0083] 平面Y上的点云子集{Pi](j = l，2,3. · -m);
[0084] 平面Z上的点云子集{Pit}(k = l，2,3. · - w);
[0085] 其中 n>3，m>3，w>l
[0086] 拟合祀标时，首先通过Χ，Υ上的点云子集(各Ξ个点即可)拟合平面方程:ax+by+cz +d 二 0
[0087] 由于已知Χ，Υ与Z的夹角γ和目，则设 [008引 平面X的方程为：axx+bxy+cxz+1二0
[0089] 平面Υ的方程为：aYX+b巧+c化+1 =0
[0090] 平面Z的方程为:azx+b巧+CZZ+1 =0
[00W]则az，bz，C功未知变量，可通过下列解方程组求得祀标控制点。
[0092] azx+b 巧+czz+l=0;
[00M]由上可看出，最少只需要7个点云数据便可拟合出祀标控制点。
[0096] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种适用于快速扫描场景的靶标，包括靶标及连接柱，其特征在于:靶标的靶标面由 三个互不平行的平面Χ、γ、ζ组成，X、Y、Z平面相交于一点，该点即为靶标的控制点，所述连接 柱用以支撑所述靶标以避开靶标背景区域中的干涉物。2. 根据权利要求1所述的一种适用于快速扫描场景的靶标，其特征在于:所述X平面与Υ 平面相交于一条直线，所述直线与所述Ζ平面间的夹角为钝角。3. 根据权利要求1所述的一种适用于快速扫描场景的靶标，其特征在于:Χ平面与Υ平面 间的夹角为钝角。4. 根据权利要求1所述的一种适用于快速扫描场景的靶标，其特征在于:所述靶标的靶 标面上涂有银白色涂料。5. -种基于权利要求1所述靶标的靶标控制点的提取方法，其特征在于，包括以下步 骤： 51、 使用激光扫描系统扫描各靶标，获得系列的非线性点云数据，并结合相应时刻的激 光扫描系统的扫描距离参数、姿态参数及差分全球定位系统对点云数据进行坐标解算，获 得具有统一坐标系的三维点云数据； 52、 对三维点云数据进行识别、截取，根据给定的靶标模型从所述三维点云数据中分离 出缩小的含更少噪音点的用于参数估计的点云子空间； 53、 对所述点云子空间进行平面模型估计，并采用以最大似然估计为原理的二分法并 将点云子空间分成符合平面方程参数的基础点云和不符合平面模型的噪声点云； 54、 再次对S3所获得的三个基础点云进行去噪处理，最终获得精准的平面参数； 55、 使用S4所获得的参数向量，联立平面方程组，求解靶标控制点坐标。6. 根据权利要求5所述的一种靶标控制点的提取方法，其特征在于，步骤S2包括以下步 骤： 521、 对所述三维点云数据进行分析，找到靶标点云数据的三维中Ζ值最大的点Zmax; 522、 以Zmax为基准，以靶标已知的外形尺寸及构成靶标面的各平面间的角度值作为约 束值将与靶标有关的点云数据从所述三维点云数据中分离出来获得用于参数估计的点云 子空间。7. 根据权利要求5所述的一种靶标控制点的提取方法，其特征在于，步骤S3包括以下步 骤： 531、 根据已知靶标模型的Z平面的参数分别对所述点云子空间进行平面模型估计：式中为测量值经过处理转化得到的值，Θ及α为根据已知的靶标模型Z平面给出的假 设猜想； 532、 分别计算点云子空间中点云到所述Ζ平面模型的马氏距离，以判定各点云是否属 于Ζ平面： 假设点云中某个点y:的三维坐标^二^"^彡^则所述马氏距离可以表示为下式：其中θτΧι-α为点yjljZ平面的距离，出是0\1的协方差矩阵，规定满足下式的点在平面 上： di^^O并且d' =arg max(di) 如果点ygljZ平面的马氏距离约等于零，则认为点yi属于Z平面，否则认为该点71是噪声 占. 533、 采用以最大似然估计为原理的二分法将点云子空间分成符合平面方程参数的基 础点云和不符合平面模型的噪声点云； 534、 重复步骤S31-S33,分别对构成靶标的其余两个平面进行平面模型估计，获得其余 两个平面的基础点云。8. 根据权利要求7所述的一种靶标控制点的提取方法，其特征在于:所述点ygljZ平面的 马氏距离约等于零的误差范围为0.01米。9. 根据权利要求5所述的一种靶标控制点的提取方法，其特征在于:步骤S4所述的去噪 处理采用的是迭代去噪法，具体做法为:对于第i(i = l，2,3)个平面的基础点云再次进行平 面参数估计，得到新的平面参数值〇1和01，然后用新得到的参数值更新之前的参数值，并且 会得到两个点云子集数据，其中一个为认为属于这个平面的点云子集，另一个则是噪声点 云数据，取这个认为属于这个平面的点云数据子集再次重复以上的做法，直到获得的噪声 点云个数小于标准设定值为止;继续对下一个平面进行迭代去噪，直到三个平面都去噪完 成，得到各平面最终的Θ值和 α值。10. 根据权利要求5所述的一种靶标控制点的提取方法，其特征在于：当步骤S3中所获 得的某个平面的基础点云集中仅有1或2个点云数据而无法拟合平面时，以已确定的其余两 个平面的平面方程及靶标各平面(Χ、Υ、Ζ)间已知夹角关系联立方程求解靶标控制点。
【文档编号】G01B11/00GK106066154SQ201610355307
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月25日 公开号201610355307.2, CN 106066154 A, CN 106066154A, CN 201610355307, CN-A-106066154, CN106066154 A, CN106066154A, CN201610355307, CN201610355307.2
【发明人】王程, 程明, 李军
【申请人】厦门大学