地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究

摘要

随着科学技术的不断发展，各行各业对空间数据的需求日益增长，常规的数据获取方式远远不能满足信息化需要。地面三维激光扫描技术作为一种先进的数据获取技术，因其能快速获取研究对象表面大量点的三维坐标，称为点云数据，而引起人们的广泛关注。 地面三维激光扫描技术也称为“实景复制技术”，与传统的测量手段相比，具有数据获取速度快、外业作业时间短、自动化程度高、操作方便等优点，引起了测绘界的广泛关注，探讨地面三维激光扫描仪的测量精度、点云数据处理理论与方法是该仪器应用于测绘领域的关键。本文详细介绍了地面三维激光扫描仪的组成、工作原理，总结了地面三维激光扫描的测量步骤。在分析和阐述地面三维激光扫描技术若干关键问题研究现状的基础上，从测绘角度出发，对点云数据处理涉及的部分问题进行了研究，包括标靶定位算法，点云数据质量，地面三维激光扫描仪检校，多站点云数据配准等。 标靶是地面激光扫描仪必不可少的附件之一，标靶的正确定位是点云数据后续处理的关键。根据常用的平面标靶和球形标靶的特点，研究了模糊聚类和稳健估计算法在标靶定位中的应用。提出基于模糊聚类的稳健平面标靶定位算法，探讨了算法中的分类数、聚类中心等初始值的确定问题；针对球标靶，提出了稳健的球标靶定位算法。 数据质量一直以来都是测绘领域关注的重点之一，点云数据质量自然也不例外。由于地面激光扫描仪问世较晚，内部结构复杂，人们对点云数据质量的判断还仪仅依靠厂家给出的标称精度。为了正确认识扫描仪及其测量精度，需要通过实验检核。在介绍地面激光扫描仪结构的基础上，分析了仪器的误差来源，提出了仪器误差检校方案，推导了自检校法仪器系统误差检校公式。以徕卡HDS3000为对象，检定了该仪器的加、乘常数，验证了水平角、垂直角观测精度，同时通过自检校法初步对仪器的系统误差进行了标定，并采用统计检验验证了系统误差参数的显著性。 点云数据配准是地面三维激光扫描数据处理中的关键问题之一。在介绍点云配准概念及存在问题的基础上，针对多站点云数据配准中误差累积较大的缺点，提出了三种多站点云配准算法；考虑到基于点的点云配准中存在的一些问题，提出了基于线特征的点云数据配准方法，推导出计算公式。通过模拟数据和真实点云数据对算法进行验证，表明了算法的可行性与正确性。 最后，对论文的研究工作进行了总结，并讨论了进一步研究方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2研究目的

1.3国内外研究概况

1.3.1标靶定位算法

1.3.2激光扫描仪的精度检校

1.3.3点云数据配准

1.4论文结构及研究内容

第2章地面三维激光扫描技术基础

2.1概述

2.2地面三维激光扫描仪的构成

2.2.1激光测距系统

2.2.2激光扫描系统

2.2.3控制系统

2.3地面三维激光扫描仪工作原理

2.4地面三维激光扫描作业过程

2.4.1扫描前的准备工作

2.4.2扫描

2.4.3数据处理

2.5地面三维激光扫描技术应用

2.6本章小结

第3章标靶定位算法

3.1概述

3.2标准平面标靶定位

3.2.1现有定位方法

3.2.2模糊C-均值聚类

3.2.3基于模糊C-均值聚类的稳健标靶定位

3.2.4实验与结果

3.3无强反射材料的平面标靶定位

3.4球标靶定位算法

3.4.1代数定位法

3.4.2最小二乘定位法

3.4.3稳健定位法

3.4.4实验与结果

3.5本章小结

第4章地面激光扫描误差分析与仪器检校

4.1地面激光扫描误差分析

4.1.1按误差产生的原因分类

4.1.2按测量误差的性质分类

4.2仪器误差

4.2.1测距系统误差

4.2.2测角系统误差

4.3点云数据质量分析

4.3.1理论精度

4.3.2实际精度

4.4测距、测角误差检校

4.4.1测距误差检校

4.4.2水平角误差检校

4.4.3垂直角误差检校

4.5自检校法系统误差标定

4.5.1白检校法公式推导

4.5.2参数显著性检验

4.5.3参数验证

4.5.4实验及结果分析

4.6本章小结

第5章点云数据配准

5.1点云配准介绍

5.1.1概念

5.1.2配准方法分类

5.1.3几种经典的配准算法介绍

5.2多站点云配准

5.2.1无控制点的非线性改正配准

5.2.2基于控制点的单站配准

5.2.3有少量控制点的区域网整体配准

5.3多站点云配准实验

5.3.1无控制点的非线性改正配准实验

5.3.2基于控制点的单站配准实验

5.4基于线特征的点云数据配准

5.4.1公式推导

5.4.2变换参数的解算

5.4.3算例

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2进一步的研究工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果