一种用于点云配准的新型标靶及其提取算法的制作方法

本发明涉及三维激光扫描测量技术领域，具体涉及一种用于点云配准的新型标靶及其提取算法。

背景技术：

因工程体量大、测区范围广等原因，为获取测区整体点云数据，需提取标靶中心作为特征点，从而实现多测站的点云配准。

目前应用于实际工程中常用的标靶有球型标靶和纸质标靶两种，其中球型标靶离扫描仪较远时，可提供于球型标靶拟合的有效点数量减少，从而导致获取球型标靶中心坐标的准确性下降，并随着离扫描仪距离的增大，其精度损失越严重；而纸质标靶离扫描仪较远时，其点云密度、反射强度会衰弱，获取标靶中心坐标精度下降，并随着离扫描仪距离的增大，其精度损失越严重。标靶中心的提取误差增大，会造成两个相邻测站拼接误差较大，从而导致整个扫描点云配准累积误差更大。为了得到良好的配准精度，急需设计一种新型标靶，实现高精度、高准确性的获取标靶中心坐标。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种用于点云配准的新型标靶，该新型标靶包括固定连接于圆环形支架上的三块相交固定的反光板，且三块反光板的固定交点与圆环形支架的圆心重合，圆环形支架的两侧通过支架转轴可旋转式连接于支架承座的两个端部，使得圆环形支架旋转过程中固定交点的空间位置不变；该提取算法通过对点云数据进行平面拟合，然后去除偏差过大的异常点，最后联立三块反光板所在平面的平面方程求得所述固定交点，从而利用该固定交点完成点云配准。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于点云配准的新型标靶，其特征在于所述新型标靶包括至少三块相交于固定交点的反光板，所述反光板固定连接于支架内，所述支架的两侧通过支架转轴可旋转式连接于支架承座的两个端部，所述支架承座通过连接柱与底座相连，所述连接柱的中轴线（）和所述支架转轴的中轴线（）的交点与所述固定交点重合。

所述连接柱为一竖向转轴，所述支架承座可绕所述连接柱的中轴线做360度旋转。

所述反光板的数量为三块，且所述反光板之间相交于固定交点。

一种涉及权利要求1-3任一所述的用于点云配准的新型标靶的提取算法，其特征在于所述提取算法包括以下步骤：

步骤1.利用激光扫描仪在多个站点对放置有所述新型标靶的扫描区域进行扫描，然后对得到的扫描点进行平面拟合,设扫描点坐标为，考虑其误差值得到坐标方程：，式中：、、分别为扫描点坐标在x轴、y轴、z轴上的误差值，a、b、c为待定参数，将上式整理得：，其中：，，，，，，然后求待定参数的整体最小二乘解：，式中：为增广矩阵的最小特征值，a^t为矩阵a的转置，i为单位矩阵；

步骤2.利用整体最小二乘法计算上述待定参数a、b、c的初值，然后计算每个扫描点到拟合平面的距离及其标准偏差，当时，判定此点为异常点并将其删除，反之则保留，利用保留下来的点再次利用最小二乘法重新计算参数a、b、c；

步骤3.设三个反光板所在平面的平面方程分别为：；；，根据步骤（1）、（2）获取三个平面方程的待定参数；；，联立上述三个平面方程即可求出三个所述反光板的固定交点。

每个扫描点到拟合平面的距离的计算公式为：；标准偏差的计算公式为：，其中，，n为正整数。

利用所述激光扫描仪在多个站点对放置有所述新型标靶的扫描区域进行扫描的具体方法包括以下步骤：在扫描区域设置多个站点，并将多个用于点云配准的所述新型标靶放置在扫描区域内；利用所述激光扫描仪依次在多个站点对扫描区域进行扫描，在所述激光扫描仪换站进行扫描时旋转所述新型标靶，确保所述新型标靶的固定交点位于所述激光扫描仪的扫描视野内。

本发明的优点是：（1）标靶布设灵活简单，适用于任意方向的观测，可放置在地面等平面上；（2）可提供较大的扫描范围，当标靶离激光扫描仪距离较远时精度损失较少，有利于提高整个测区的配准精度。

附图说明

图1为本发明实施例1中用于点云配准的新型标靶的正视图；

图2为本发明实施例1中用于点云配准的新型标靶的俯视图；

图3为本发明实施例1中三块反光板相交的示意图；

图4为本发明实施例2中用于点云配准的新型标靶的正视图；

图5为本发明实施例2中用于点云配准的新型标靶的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-6分别为：反光板1、圆环形支架2、支架转轴3、支架承座4、连接柱5、底座6。

实施例1：如图1-3所示，本实施例具体涉及一种用于点云配准的新型标靶及其提取算法，该新型标靶通过将至少三块反光板1可旋转式设置于圆环形支架2上，并使得圆环形支架2旋转过程中反光板1的固定交点空间位置不变；该用于点云配准的新型标靶的提取算法通过对点云数据进行平面拟合，然后去除偏差过大的异常点，最后联立三块反光板1所在平面的平面方程求得所述固定交点。

如图1-3所示，用于点云配准的新型标靶包括至少三块相交固定的反光板1，反光板1的反光面上涂覆有反光材料，可保证测量时识别清晰准确，提高扫描精度，本实施例中的具体选用三块反光板1，且三者之间互相垂直并形成有固定交点；三块反光板1作为一个固定的整体固定连接于圆环形支架2内，且三块反光板1的固定交点与圆环形支架2的圆心重合；圆环形支架2的两侧则通过支架转轴3可旋转式连接于支架承座4的两个端部，本实施例中支架承座4呈凹字形，当然也可以是弯弓形或其他可允许圆环形支架2做360度旋转的形状及构造；支架承座4还通过连接柱5与底座6连接，连接柱5可以是一竖向转轴，即支架承座4通过该竖向转轴可旋转式与底座6相连接，使得支架承座4可绕竖向转轴的中轴线做360度旋转；其中连接柱5的中轴线（）和支架转轴3的中轴线（）的交点与上述固定交点重合，使得圆环形支架2在绕支架转轴3做360度旋转、以及支架承座4绕连接柱5的中轴线做360度旋转的过程中固定交点的空间位置仍能保持不变；底座6的下端面上设置有螺丝孔，可方便将底座6固定于三角架。

如图1-3所示，本实施例中用于点云配准的新型标靶的提取算法包括以下步骤：

（1）利用激光扫描仪在多个站点对放置有所述新型标靶的扫描区域进行扫描，具体的扫描过程包括：在扫描区域划定多个站点，然后将多个用于点云配准的上述新型标靶放置在扫描区域内；利用激光扫描仪依次在多个站点位置处对扫描区域进行扫描，从而获取扫描区域的点云数据，在激光扫描仪进行换站扫描的过程中应及时旋转上述新型标靶，确保上述新型标靶的固定交点位于激光扫描仪的扫描视野内；

（2）对扫描得到的扫描点点云数据进行平面拟合：设空间平面方程为：，而某一平面内扫描得到的扫描点坐标设为，考虑到点云数据在上都存在一定的误差值，则将空间平面方程改为：，式中：、、分别为扫描点坐标在x轴、y轴、z轴上的误差值，a、b、c为待定参数，将上式进一步整理成以下的形式：，其中：，，，，，，然后求上式中待定参数的整体最小二乘解：，式中：为增广矩阵的最小特征值，a^t为矩阵a的转置，i为单位矩阵；

（3）异常点的去除：利用整体最小二乘法计算上述参数a、b、c的初值，然后计算每个扫描点到拟合平面的距离，计算公式为：，然后计算其标准偏差，计算公式为：，其中，，n为正整数，当时，判定此点为异常点并将其删除，反之则保留，然后利用保留下来的点再次利用最小二乘法重新计算参数a、b、c；

（4）求取三个相交平面的固定交点：设三个反光板所在平面的平面方程分别为：

；

；

，

根据步骤（1）、（2）获取三个平面方程的待定参数；；，联立上述三个方程即可求出三个所述反光板的固定交点。

本实施例的有益效果是：（1）标靶布设灵活简单，适用于任意方向的观测，可放置在地面等平面上；（2）可提供较大的扫描范围，当标靶离激光扫描仪距离较远时精度损失较少，有利于提高整个测区的配准精度。

实施例2：本实施例与实施例1中的不同之处在于用于点云配准的新型标靶的三块反光板1的相交角度不同，具体的，本实施例中其中一块反光板1与水平面成0~30度夹角，而另外两块反光板1之间则成大于90度夹角，同样确保反光板1的固定交点依旧严格位于圆环形支架2上，且与连接柱5的中轴线和支架转轴3的中轴线的交点重合，保证旋转时固定交点空间位置不变。

本实施例的有益效果是：可以增加激光扫描仪扫到的新型标靶的有效面积，进一步提高整个测区的配准精度。