激光扫描测量标靶平差方程式构建方法
【专利摘要】本发明提供一种激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，采用以下步骤：1)在布设定向标靶的扫描区域进行多扫描站扫描，每个扫描站保证布设3个以上标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定各标靶中心的工程测量坐标系坐标；2)扫描数据，整理标靶的工程测量坐标系数据；3)根据标靶和扫描站构建区域网，对区域网进行整体平差；4)列立i扫描站射向单标靶h的单激光束的附有未知数平差值方程；5)单标靶附有未知数条件平差的线性化；6)i扫描站和j扫描站(j≠i)指向公共标靶k，以两扫描站坐标转换后公共标靶k的坐标相等为限制条件，列立约束方程，对公共标靶方程式进行线性化，求解定向参数，实现点云坐标转换。
【专利说明】激光扫描测量标靶平差方程式构建方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，属于工程测量领域。

【背景技术】
[0002] 在测量中，客观地理对象是在统一的工程测量坐标系下进行表达和研究的。地面 三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS)可以快速地获取地理对象三维几何信 息，然而扫描仪每站扫描点云的坐标系是扫描设备坐标系，因此就会有把工程范围所有测 站点云转换到工程指定测量坐标系中（工程测量坐标系原点及坐标轴已经定义好的，称为 指定坐标系）的问题，即扫描时仪器在工程测量坐标系的位置点和姿态（称为点云定向）。 对每站点云单独定向的方法叫独立模型法，目前国内外点云定向在用独立模型法的同时， 还采用少量约束条件，如对大物体扫描一周，产生闭合条件（张剑清等）、相邻站布设连接 标靶提高拼接精度。独立模型法定向相对于连续拼接（ICP法）精度较高、标祀分布合理、 容易操作，其不足之处有以下几点：①外业工作量大。②用相邻各站参数计算的其公共标靶 中心的坐标相互有差异，是相互矛盾的，理论上不严密。③各站精度不均匀，差异较大，精度 评价时缺乏整体说服力。


【发明内容】

[0003] 本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、消除独立模型在公共标靶上坐标的矛 盾、提高点云定向精度的激光扫描测量标靶平差方程式构建方法。其技术方案为：
[0004] 一种激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，其特征在于采用以下步骤：
[0005] 1)在布设定向标靶的扫描区域进行多扫描站扫描，每个扫描站保证布设3个以上 标靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定各标靶中心的工程测量坐标 系坐标；
[0006] 2)扫描数据，整理标靶的工程测量坐标系数据；
[0007] 3)根据标靶和扫描站构建区域网，对区域网进行整体平差；
[0008] 4)列立i扫描站射向单标靶h的单激光束的附有未知数平差值方程；
[0009] 5)单标靶附有未知数条件平差的线性化；
[0010] 6) i扫描站和j扫描站（j尹i)指向公共标靶k，以两扫描站坐标转换后公共标靶 k的坐标相等为限制条件，列立约束方程，对公共标靶方程式进行线性化，求解定向参数， 实现点云坐标转换。
[0011] 所述的激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，步骤4)中，根据基于罗德里格的 三维坐标转换公式点云定向模型，推导单标靶和公共标靶的平差方程式，其推导过程为：
[0012]

【权利要求】
1. 一种激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，其特征在于采用以下步骤： 1) 在布设定向标靶的扫描区域进行多扫描站扫描，每个扫描站保证布设3个以上标 靶，相邻扫描站最少有两个公共标靶，用GNSS或全站仪测定各标靶中心的工程测量坐标系 坐标； 2) 扫描数据，整理标靶的工程测量坐标系数据； 3) 根据标靶和扫描站构建区域网，对区域网进行整体平差； 4) 列立i扫描站射向单标靶h的单激光束的附有未知数平差值方程； 5) 单标靶附有未知数条件平差的线性化； 6. i扫描站和j扫描站（j尹i)指向公共标靶k，以两扫描站坐标转换后公共标靶k的 坐标相等为限制条件，列立约束方程，对公共标靶方程式进行线性化，求解定向参数，实现 点云坐标转换。
2. 根据权利要求1所述的激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，其特征在于：步骤 4)中，根据基于罗德里格的三维坐标转换公式点云定向模型，推导单标靶和公共标靶的平 差方程式，其推导过程为：
(1) 式中xs、Ys、zs表示扫描仪中心的三维坐标在指定坐标系的位置，R矩阵反映了扫描时 的点云在指定坐标系的姿态，可由反对称矩阵
构成，R与S及单位矩阵I 的关系为
(2) 只有一个扫描站的激光束射向的标祀称为单标祀，多扫描激光束射向同一标祀，此时， 各站的激光束称为同名光束，该标靶称为公共标靶；依公式（1)，i扫描站射向单标靶h的单 激光束的附有未知数平差值方程为 给公式⑶两边同乘以蠢·*=(/ +焉·ι(Ι-?),得 (3) (5) (4) 给公式⑷两边同乘以(/+·§),得 对公式（5)进行移项，得
(6) 公式（6)即为单标靶附有未知数和条件平差值方程式。
3. 根据权利要求1或2所述的激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，其特征在于： 步骤5)中，根据（6)式，线性化方程为 4^,+4^2 +Bi + w = 0 (7) 扫描站定位与定向参数的平差值3 I a if.参数近似值 r°=k if y if、参数改正数.1 = 1 4 ?3 i4 is ?e bf,标靶中心 在指定坐标系下的坐标1^ = [X Υ Ζ]τ、扫描坐标系下的坐标L2 = [X y ζ]τ，标靶在指 定坐标系的坐标改正数'的系数
，标靶扫描坐标系 的坐标改正数V2的系数.
，定向参数改正数系数
*闭合差
4. 根据权利要求1或2所述的激光扫描测量标靶平差方程式构建方法，其特征在于： 步骤6)中，根据公式（3)，i站和j站（j尹i)指向公共标靶k，限制条件是两站坐标转换 后公共标靶k的坐标相等，于是有公式（8)所示的约束方程 (9) (8) 公式（8)的线性化形式为 式中Ai和?为i站和j公共标靶坐标改正数的系数Vi和 '的系数
、匕分别为i、j站定向参数?和#;改正数，其系数(；=[I Cia Cib Cie CA]，C」=-[I Caj Cbj C。」CJ，而缩放参数的系数<
， a的改正数系数为
，b的 改正数系数为
，c的改 正数系数为
?闭合差
，然后求解定向参数，实现点云坐标转换。
【文档编号】G01B11/00GK104048605SQ201410289105
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】姚吉利, 张大富, 刘科利, 马宁, 贾象阳, 徐广鹏, 李彩林, 郭宝云 申请人:山东理工大学