一种移动激光扫描系统参数标定方法及标定装置

1.本发明涉及参数标定领域，更具体地，涉及一种移动激光扫描系统参数标定方法及标定装置。


背景技术：

2.移动激光雷达技术在无人机等移动平台中集成gnss、imu、激光扫描仪等传感器，采用直接地理定向技术，实现在平台的运动过程中高效获取地物的三维空间信息和属性信息，广泛应用于农林业调查、军事勘察、水利水电勘察设计、道路设计、国土资源与气象环境调查、国家基础测绘、城市规划、煤矿地质环境动态监测等各大领域中，是目前最先进的地理空间信息获取技术之一。
3.在移动激光扫描系统中，激光扫描仪与惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)刚性的安装于平台中，激光扫描仪坐标系与惯导坐标系之间存在的平移和旋转角度称为移动激光扫描系统的外参数。外参数的不准确是影响移动激光扫描系统定位精度的重要因素，在移动激光扫描系统正式投入使用前，需对外参数进行精确标定。
4.外参数的平移参数可通过设计图纸精确获得或通过直接量测获得较精确值，而旋转参数无法测量，而设计值往往存在移动的偏差。通常，通过反复解算激光点云并手动不断调整旋转角度的直到不同航线间的点云“完美”重合为止获得“精确”的旋转角度参数。手动标定过程中，roll角的检校需要飞行方向相反的两条航线对应的点云，由于roll角的存在，来回航线点云在横截面上会存在交叉的错位，如图1所示，调整roll角的标定角度直至两种颜色点云重合。
5.pitch角的检验需要来回两条航带对应的点云。由于pitch角的存在，平行于航带方向的截面上，高出平均地面的物体会存在错位，且越高错位越明显。如图2所示，调整pitch角的标定角度值直至两种颜色点云重合。
6.heading角的检验需要同向两条航带对应的点云。由于heading角的存在，平行于航带方向的截面上，高出平均地面的物体会存在错位，且越高错位越明显。如图3中所示，调整heading角的标定角度直致两种颜色点云重合。
7.上述反复解算激光点云并手动不断调整旋转角度的直到不同航线间的点云“完美”重合为止获得“精确”旋转角度参数的方法费时费力、效率低下，同时受到不同作业人员主观判断误差的影响，急需自动外参数标定方法提高作业效率。


技术实现要素：

8.针对通过人工调整参数标定移动激光扫描系统外参数存在的效率低、工作量大、精度难以保证等问题，本发明提出一种移动激光扫描系统参数标定方法，不需要人工反复调整角度大小，免去大量人工操作，极大地提高了效率并在一定程度上减少了人为操作造成的误差。
9.根据本发明的第一方面，提供了一种移动激光扫描系统参数标定方法，所述移动
激光扫描系统包括激光扫描仪、惯性测量单元和组合定位定姿系统，所述方法包括：
10.步骤1，获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云；
11.步骤2，基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云；
12.步骤3，对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对；
13.步骤4，通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵；
14.步骤5，基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行步骤2～步骤4，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
15.根据本发明的第二方面，提供一种移动激光扫描系统参数标定装置，包括：
16.获取模块，用于获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云；
17.解算模块，用于基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云；
18.配准模块，用于对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对；
19.求解模块，用于通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵；基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行解算模块、配准模块和求解模块，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
20.根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现移动激光扫描系统参数标定方法的步骤。
21.根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现移动激光扫描系统参数标定方法的步骤。
22.本发明提供的一种移动激光扫描系统参数标定方法及标定装置，可实现对移动激光扫描系统参数的全自动高效标定，有效节省人力和提高效率；标定过程无需外部控制场，不受飞行场地限制，可随时随地方便地完成移动激光扫描系统外参数的标定。
附图说明
23.图1为手动标定过程中，由于roll角的存在来回航线点云在横截面上会存在交叉的错位的示意图；
24.图2为手动标定过程中，由于pitch角的存在，平行于航带方向的截面上，高出平均地面的物体会存在错位的示意图；
25.图3为手动标定过程中，由于heading角的存在，平行于航带方向的截面上，高出平均地面的物体会存在错位的示意图；
26.图4为移动激光扫描系统中各传感器及坐标系之间关系示意图；
27.图5-1为不存在误差时航带间点云示意图；
28.图5-2为存在明显误差时航带间点云示意图；
29.图6为本发明提供的一种移动激光扫描系统参数标定方法流程图；
30.图7为本发明的移动激光扫描系统参数标定的整个流程示意图；
31.图8为本发明提供的一种移动激光扫描系统参数标定装置的结构示意图；
32.图9为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
33.图10为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
35.无人机激光扫描系统在无人机的飞行过程中，激光扫描仪连续对地物进行扫描，同时gnss/ins组合定位定姿系统高频率的记录gnss观测数据与惯性测量数据，经后处理得到平台的位置与姿态信息。在无人机激光扫描系统中，gnss/ins组合定位定姿系统提供平台的绝对位置与姿态，激光扫描仪提供地物相对于激光扫描仪坐标系的相对测量信息，无人机激光扫描系统中各传感器测量数据之间的关系如下图4所示。
36.如上图4所示，激光扫描仪测得的地面点p在激光扫描仪坐标系下的坐标为p
l
，激光扫描仪与惯性测量单元imu之间的关系刚性固定，地物点p在激光扫描仪坐标系、惯导坐标系以及世界坐标系中的坐标可通过下式得到：
[0037][0038][0039]
将式(1)代入式(2)可得：
[0040][0041]
式(1)、式(2)、式(3)中：p
l
＝[x
l y
l z
l
]
t
为地面点p在激光扫描仪坐标系下的空间直角坐标；p
imu
为地面点p在惯导坐标系下的坐标；pw为地面点p在wgs84地心地固坐标系下的坐标；为激光扫描仪坐标系原点在惯导坐标系中的位置；为激光扫描仪坐标系变换到惯导坐标系的旋转矩阵；为惯导坐标系原点在wgs84地心地固空间直角坐标系中的位置；为惯导坐标系变换到在wgs84地心地固空间直角坐标系的旋转矩阵。
[0042]
在理想情况下，无人机激光扫描系统不存在任何误差，则无人机激光扫描系统多次对同一地物扫描的激光点云理论上完全重合，如图5-1所示，无人机激光扫描系统对地物两次扫描的激光点云能够完全重合；实际情况中，由于gnss/ins系统的定位定姿误差、激光扫描仪的测量误差以及激光扫描仪外参数的不准确等，使激光扫描系统对地物的多次扫描结果并不能完全重合，如图5-2所示，两次扫描的地物点之间存在偏移。
[0043]
无人机激光扫描系统不存在gnss信号的遮挡和多路径效应，在惯导姿态精度有保障的情况下，可认为航带间点云的相对位置误差主要由激光扫描仪的测量误差以及外参数误差引起，因此可通过最小化航带间点云的相对误差求解激光扫描仪的测量误差以及外参数。
[0044]
基于此，本发明提供一种移动激光扫描系统参数标定方法，参见图6，该标定方法主要包括以下步骤：
[0045]
步骤1，获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云。
[0046]
可以理解的是，本发明中移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云至少包括往返航带或者平行航带的多条航带的地物激光点云数据。
[0047]
步骤2，基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云。
[0048]
步骤3，对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对。
[0049]
作为实施例，为了方便后续处理，对所解算的大地坐标系下的点云进行分块，通过定位数据中的转弯信息对点云划分航带；随后对每一块中的不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点。
[0050]
作为实施例，所述步骤3，对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对，包括：基于vgicp算法对不同航带的点云进行匹配，获得不同航带间的同名点对。
[0051]
其中，所述基于vgicp算法对不同航带的点云进行匹配，获得不同航带间的同名点对，包括：基于待配准点云和参考点云，通过最近邻点搜索进行配准，所述待配准点云为其中一条航带的点云，参考点云为另一条航带的点云；基于激光点云所在的表面服从高斯分布，定义配准误差；基于所述配准误差，通过最大化似然概率的对数获得待配准点云和参考点云之间的配准参数；基于配准参数，对待配准点云进行变换，对变换后的每一个点，均在参考点云中获得最近邻点，将距离小于设定阈值的最近邻点作为同名点，构成两条不同航带的同名点对。
[0052]
可以理解的是，移动激光扫描系统外参数标定方案中，核心是航带间同名点的匹配以及外参数求解方法，本发明采用vgicp(voxelized general iterative closestpoint)算法获得航带间的同名点，采用基于lm(levenberg-marquardt)非线性优化的方法求解激光扫描仪外参数。
[0053]
vgicp同名点快速匹配的具体方法为：
[0054]
使用初始激光扫描仪内参数以及初始外参数解算的点云虽然存在误差，但不同航带间点云的误差大小已足够直接使用精配准算法进行配准。现已有icp(iterative closest point)及其变种、ndt(normal distribution transform)及其变种等多种可用于精配准的算法，icp配准算法通过迭代寻找待配准点云各点在参考点云中的最近邻点，通过最小化最近邻点之间的误差和获得配准参数，由于需要迭代获得待配准点云各点在参考点云中的最近邻点，通常效率较低；ndt算法格网化参考点云并使用高斯分布拟合各格网中点的分布，通过最大化待配准点云在参考点云分布中的似然概率获得变换参数，ndt算法的配准效果与格网大小的选择密切相关，不合适的格网大小将使配准效果大打折扣。
[0055]
在多传感器系统的联合标定中，需要高效地获得不同航带间的稳健的同名匹配点，本项目综合icp算法和ndt算法的优势，采用vgicp算法实现不同航带间点云的高效稳健匹配。
[0056]
待配准点云和参考点云用以及表示，n为待配
准点云和参考点云的点数。在经典icp配准中，通过最近邻点搜索，使得bi＝tai，t为待配准点云与参考点云之间的变换矩阵。gicp(generalized-icp)假设激光点云所在的表面服从高斯分布，即在该假设下，配准误差可定义为：
[0057][0058]
通过高斯分布的性质可知，di服从如下高斯分布：
[0059][0060]
gicp通过最大化似然概率的对数获得最佳变换矩阵t：
[0061][0062]
vgicp算法对公式(4)进行扩展，不仅仅计算ai与其最近点bi之间的距离，而是计算ai与其在中的距离小于r的邻域点{bj|||a
i-bj||＜r}之间的距离和：
[0063][0064]
公式(7)可认为是对目标点分布的平滑，与公式(5)一样，d
′i的分布为：
[0065][0066][0067][0068]
最后通过最大化式(8)似然概论的对数获得最佳变换t：
[0069][0070]
为了更高效地计算式(11)，将式(11)变为：
[0071][0072]
式(12)中，ni为点ai在参考点云中的邻域点个数。
[0073]
通过vgicp获得航带间的配准参数后，使用配准参数对待配准点云进行变换，对变换后的每一个点，均在参考点云中获得其最近邻点，将距离小于阈值的最近邻点对作为航带间的同名点对。
[0074]
步骤4，通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵。
[0075]
作为实施例，所述步骤4，通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，包括：基于不同航带间的同名点对，建立定位方程；基于每一对同名点对的定位方程，构建目标函数，所述目标函数为所有同名点对之间的距离平方和最小；基于lm非线
性优化算法获得移动激光扫描系统标定参数的最小二乘解。
[0076]
具体的，通过上文a)中的方法获得不同航带间的同名点，对于从不同航带扫描得到的同一地物点p进行，其定位方程如下式(13)和(14)所示。
[0077][0078][0079]
式(13)和(14)中，以及是两次扫描中p在激光扫描仪坐标系下的测量值，为已知值，以及是航带一扫描p时刻pos的位置值以及姿态值组成的旋转矩阵，的位置值以及姿态值组成的旋转矩阵，以及是航带二扫描p时刻pos的位置值以及姿态值组成的旋转矩阵，它们均为已知值，只有与是未知的，即只有需要解求的激光扫描仪外参数是未知的。
[0080]
用式(13)减去式(14)则可得式(15)，根据前文的分析，应使式(15)等号的左边最小。
[0081][0082]
式(15)中，与未知，代表三个平移参数，是三个分别绕x轴、y轴以及z轴旋转的角度表示的旋转矩阵，因此式(15)中共有六个互相独立的未知数，如式(16)所示。
[0083][0084]
用f(x)表示式(15)，可得：
[0085][0086]
当存在m个同名点对时，可列出m个方程，则可采用lm(levenberg-marquardt)非线性优化算法通过最小m个方程的平方和获得标定参数的最小二乘解。求解中的目标函数如下式(18)所示
[0087][0088]
lm(levenberg-marquardt)非线性优化算法通过迭代的方式获得最终解，第k+1次迭代与第k次迭代解的关系为：
[0089]
x
k+1
＝x
k-(j
t
j+λi)-1jtfꢀꢀꢀ
(19)；
[0090]
式(19)中，j为雅可比矩阵，在已知初值的情况下(可通过设计参数获取)，可通过迭代获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0091]
步骤5，基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行步骤2～步骤4，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0092]
具体的，基于上述步骤2～步骤4，求解得到的移动激光扫描系统的外参数，重复执行步骤2～步骤4，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0093]
可以理解的是，基于多条航带的激光点云，比如，存在三条航带的激光点云，可以先将第一条航带的激光点云与第二条航带的点云进行配准求解，计算出相应的移动激光扫描系统的外参数。可以根据由第一条航带的点云与第二条航带的点云计算出的外参数，对第三条航带的点云进行变换，然后，将第三条航带的点云变换后的数据与第一条航带的点云进行配准，得到同名点对，如果配准效果比较好，那么表明由第一条航带的点云与第二条航带的点云计算出的外参数比较精确，以该方法得到最终比较稳定且精确的激光扫描系统的外参数。
[0094]
参见图7，为本发明提供的一种移动激光扫描系统参数标定方法的整体流程图，本发明采用最小化航带间相对误差、无需外部控制的方法进行激光扫描仪外参数的标定，该标定方法的流程如下图所示。首先采用初始外参数以及定位数据进行激光点云解算，获得大地坐标系下的点云；为了方便后续处理，对所解算的大地坐标系下的点云进行分块，通过定位数据中的转弯信息对点云划分航带；随后对每一块中的不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点，最后通过最小化同名点之间的距离，求解激光扫描仪的外参数。使用解算获得的激光扫描仪外参数重新解算点云，如果解算前后同名点之间的平均误差变化量小于阈值，说明激光扫描仪外参数已经稳定，结束标定，否则使用获得的激光扫描仪外参数对点云重新解算，再次进行航带间同名点匹配并再次解算激光扫描仪外参数，直到所获得的参数使同名点间的平均误差不再减小为止，获得激光扫描系统的最终外参数。
[0095]
参见图8，本发明实施例提供了一种移动激光扫描系统参数标定装置，该标定装置包括获取模块801、解算模块802、配准模块803和求解模块804。
[0096]
其中，获取模块801，用于获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云；解算模块802，用于基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云；配准模块803，用于对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对；求解模块804，用于通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵；基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行解算模块、配准模块和求解模块，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0097]
可以理解的是，本发明提供的一种移动激光扫描系统参数标定系统与前述各实施例提供的移动激光扫描系统参数标定方法相对应，移动激光扫描系统参数标定系统的相关技术特征可参考移动激光扫描系统参数标定方法的相关技术特征，在此不再赘述。
[0098]
请参阅图9，图9为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图9所示，本发明实施例提了一种电子设备900，包括存储器910、处理器920及存储在存储器910上并可在处理器920上运行的计算机程序911，处理器920执行计算机程序911时实现以下步骤：步
骤1，获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云；步骤2，基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云；步骤3，对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对；步骤4，通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵；步骤5，基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行步骤2～步骤4，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0099]
请参阅图10，图10为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图10所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1000，其上存储有计算机程序1011，该计算机程序1011被处理器执行时实现如下步骤：步骤1，获取移动激光扫描系统扫描的多个航带的激光点云；步骤2，基于移动激光扫描系统的初始外参数和定位数据，对所述激光点云进行解算，获得多个航带的大地坐标系下的点云；步骤3，对不同航带的点云，两两之间进行匹配，获得不同航带点云之间的同名点对；步骤4，通过最小化同名点对之间的距离，求解移动激光扫描系统的外参数，所述移动激光扫描系统的外参数为激光扫描仪相对于惯性测量单元的平移矩阵和旋转矩阵；步骤5，基于计算的移动激光扫描系统的外参数，重复执行步骤2～步骤4，直到解算前后同名点对之间的平均误差变化量小于阈值，获得移动激光扫描系统的最终外参数。
[0100]
本发明实施例提供的一种移动激光扫描系统参数标定方法及标定装置，可实现对移动激光扫描系统参数的全自动高效标定，有效节省人力和提高效率；标定过程无需外部控制场，不受飞行场地限制，可随时随地方便地完成移动激光扫描系统外参数的标定。
[0101]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0102]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0103]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0104]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0105]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0106]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0107]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。