隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法

摘要

本发明属于激光扫描测绘领域，提供了一种隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法，能够解决隧道区域非刚体变形的点云几何纠正问题，从而满足高精度点云采集的需求。本发明中，首先沿隧道延伸方向分组布设标靶；其次，通过车载扫描系统测绘获取点云数据，通过实测获取各标靶的校准点坐标；其三，从车载扫描系统获得的点云数据中提取对应标靶的同名点三维坐标；然后，分组计算实测标靶坐标和点云标靶坐标间的转换参数，对各组标靶对应的车载扫描系统轨迹位置进行纠正，并在其他待纠正的轨迹区域通过插值方法补全移动测量系统轨迹；最后利用纠正后的移动测量系统的准确轨迹重新解算得到高精度的长隧道点云数据。

说明书

技术领域

本发明属于激光扫描测绘领域，具体涉及一种隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法。

背景技术

随着车载移动三维激光测量系统的发展，该技术作为一种地理空间数据获取方式，已成为大场景三维点云数据采集的主要数据来源，具有安全、精确、高效的特点，在道路交通等相关领域的应用中发挥着至关重要的作用，在公路的规划管理、运营维护、数字建模及资产要素提取等方面具有巨大的潜力。

但该技术的点云数据采集精度依赖于良好的连续GNSS信号，所述GNSS即GlobalNavigation Satellite System的简称，中文全称为全球导航卫星系统。因此，在长度大于3千米的长隧道的测绘中，由于GNSS信号的缺失，车载移动测量系统的位姿数据仅能通过惯性导航系统和里程计提供，从而导致序贯式的误差累积，造成所采集的隧道内部点云数据空间位置失准，无法满足高精度点云数据采集的需求。

为解决上述位置失准的问题，在现有技术中，通常在移动扫描点云作业中，通过在作业区域的GNSS缺失区域均匀布设密集的控制点，然后通过在具有误差的点云中提取对应的同名点，进行七参数转换来进行点云的纠正。

但该方法在长隧道GNSS拒止环境下，由于点云扫描测绘过程中，仅通过INS（全称Inertial Navigation System，即惯性导航系统）提供车载移动扫描系统的瞬时位置，通过其解算得到的点云为非刚体变形，并且隧道区域为条状，因此，并不能满足对点云进行几何纠正的要求，且作业难度大，数据量大，具体实施极为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法，其能有效地解决：在隧道测绘中，尤其是长隧道测绘中，由于测绘过程GNSS信号缺失而导致的所采集点云数据的非刚体变形问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法，包括以下步骤：

S1、在隧道区域内，进行实地的标靶布设，标靶沿隧道延伸方向分组布设，每组包括4个以上的标靶，组间间隔设置；

S2、通过车载扫描系统测绘，获取包括各标靶点云数据在内的隧道点云数据；通过隧道测量控制网，实测各标靶的校准点坐标；

S3、对隧道点云数据进行处理，提取点云数据中对应的各标靶点云数据，并根据提取的各标靶点云数据，进一步获取各标靶点云数据中与实测标靶校准点对应的同名点坐标；

S4、通过实测的各组标靶的校准点坐标及与其对应的标靶点云数据中的同名点坐标，计算得到对应于每组标靶的转换参数，分别利用各组标靶对应的转换参数纠正与其布设位置相对应位置处的车载扫描系统的轨迹位置，获取纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹；

S5、根据纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹，将隧道点云数据从车载扫描系统的激光扫描坐标系解算到世界坐标系，并重新生成隧道点云。

作为进一步优化，步骤S1中，各组标靶间沿隧道延伸方向的间距为200~1000m，组内各标靶沿隧道延伸方向的布设长度小于10m，且组内各标靶布设于不同水平面；各标靶沿隧道延伸方向的边长d>0.08*f/v，其中，f为车载扫描系统的激光扫描频率，v为车载扫描系统的行驶速度。

作为进一步优化，步骤S1布设标靶所采用材料的反射率高于隧道场景的反射率，两者反射率的差异应满足基于强度值的点云数据提取；标靶的形状具备满足基于形状的点云标靶模板匹配所要求的形状特征。

作为进一步优化，步骤S3中，对隧道点云数据进行处理，提取点云数据中对应的各标靶点云数据，并根据提取的各标靶点云数据，进一步获取各标靶点云数据中与实测标靶校准点对应的同名点坐标，具体包括：

S31、对点云数据进行强度采样：在车载扫描系统获取的点云数据中，随机选取部分标靶的点云数据进行强度值采样，确定标靶点云数据的强度值范围；

S32、对点云数据进行信息增强：通过S31确定的标靶点云数据的强度值范围，对点云数据进行强度值拉伸；

S33、标靶点云数据的粗提取；通过对S32增强后的点云数据进行直方图统计，根据强度信息剔除点云数据中异于所确定标靶点云数据强度值范围的其他点云数据，得到粗提取的标靶点云数据；

S34、将粗提取获得的标靶点云数据与预制的标准点云标靶模板进行形状匹配，得到精提取的标靶点云数据；

S35、根据精提取的标靶点云数据，提取标靶点云数据中与实测标靶校准点对应的同名点坐标。

作为进一步优化，步骤S4具体包括：

S41、通过实测的各组标靶的校准点坐标及与其对应的标靶点云数据中的同名点坐标，分别计算每组实测校准点坐标及与其对应的点云同名点坐标的转换参数；

S42、通过对应于每组标靶的转换参数，对与其布设位置相对应位置处的车载扫描系统的轨迹位置进行纠正；

S43、通过插值方法对相邻各组标靶间的车载扫描系统的轨迹位置进行补全，获取纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹。

作为进一步优化，步骤S41中，所述计算每组实测校准点坐标及与其对应的点云同名点坐标的转换参数，具体包括：通过奇异值分解的方法计算每组实测校准点坐标及与其对应的点云同名点坐标的旋转矩阵

作为进一步优化，步骤S42中，所述通过对应于每组标靶的转换参数，对与其布设位置相对应位置处的车载扫描系统的轨迹位置进行纠正，具体包括：

S421、根据每组标靶点云数据的激光扫描时刻，在待纠正的车载扫描系统的POS数据中，确定扫描该组标靶时的车载扫描系统的轨迹位置

S422、通过对应组标靶的转换参数，对对应的待纠正车载扫描系统轨迹位置

作为进一步优化，步骤S42中，针对各组标靶，根据组内各标靶对应的扫描时刻，在待纠正的车载扫描系统的POS数据中，查找与该标靶扫描时刻时间相邻的轨迹位置采样时刻：

若存在标靶扫描时刻与对应轨迹位置采样时刻相同，则以该轨迹位置采样时刻所采样的轨迹位置，作为该组标靶对应的待纠正的车载扫描系统的轨迹位置

若不存在标靶扫描时刻与对应轨迹位置采样时刻相同，则确定该标靶扫描时刻时间前后两侧的轨迹位置采样时刻，以满足于

的轨迹位置扫描时刻作为该标靶扫描时刻所对应的轨迹位置采样时刻，其中，

作为进一步优化，步骤S43中，通过线性内插方法对相邻各组标靶间的车载扫描系统的轨迹位置进行补全，具体包括：

S431、根据相邻两组标靶所对应的轨迹位置的采样时刻

S432、通过纠正后的相邻车载扫描系统的轨迹位置的三维坐标

作为进一步优化，步骤S5具体包括：

S51、将点云数据从激光扫描坐标

其中，

S52、将点云数据从车载系统坐标

其中，

在轨迹位置数据两帧之间采用均匀采样的方法得到每个原始点云对应的轨迹姿态和位置。

本发明的有益效果是：通过少量标靶组对车载移动测量系统的轨迹进行校正，然后根据校正后的轨迹重新生成高精度点云，有效地解决了GNSS长时间缺失的隧道区域点云非刚体变形的问题，为道路的数字化应用提供了可靠且精确的数据支撑；本发明中的点云纠正方法对不同隧道都保持良好的鲁棒性，尤其是针对长隧道，且算法流程简单，并具有较高的纠正精度和效率。

附图说明

图1是本发明实施例中的扫描点云几何纠正方法整体流程图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法，提高隧道，尤其是长隧道区域非刚体变形的点云纠正精度，从而满足高精度点云采集的需求。

由于车载扫描系统的激光扫描系统坐标系到世界坐标系的计算简式如下：

式中，

在GNSS拒止环境下，

因此，在本发明中，首先，针对隧道环境制作标靶，并在长隧道区域往返两侧进行分组布设，标靶的设计应满足于标靶点云数据提取的需要，具体的与其提取算法有关，在本发明的实施例中通过强度值和形状提取，因此，标靶应具备与隧道场景的反射率的较大差异，并具备一定的形状特征；其次，实测布设标靶校准点的三维坐标，并从车载扫描系统获得的点云数据中提取对应标靶校准点的同名点三维坐标；然后分组计算实测标靶校准点坐标和点云标靶同名点坐标间的转换参数，对各组标靶对应位置处的车载扫描系统轨迹位置进行纠正，并在其他待纠正的轨迹区域通过插值方法获得纠正后的移动测量系统轨迹；最后利用纠正后的移动测量系统的准确轨迹重新解算得到高精度的隧道点云数据，整体流程如图1所示。

实施例：

本实施例提出的隧道GNSS拒止环境下车载扫描点云的几何纠正方法，包括以下步骤：

S1、在隧道区域内，进行实地的标靶布设，标靶沿隧道延伸方向分组布设，每组包括4个以上的标靶，组间间隔设置；

S2、通过车载扫描系统测绘，获取包括各标靶点云数据在内的隧道点云数据；通过隧道测量控制网，实测各标靶的校准点坐标；

S3、对隧道点云数据进行处理，提取点云数据中对应的各标靶点云数据，并根据提取的各标靶点云数据，进一步获取各标靶点云数据中与实测标靶校准点对应的同名点坐标；

S4、通过实测的各组标靶的校准点坐标及与其对应的标靶点云数据中的同名点坐标，计算得到对应于每组标靶的转换参数，分别利用各组标靶对应的转换参数纠正与其布设位置相对应位置处的车载扫描系统的轨迹位置，获取纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹；

S5、根据纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹，将激光点云数据从车载扫描系统的激光扫描坐标系解算到世界坐标系，并重新生成隧道点云。

步骤S1，布设标靶，包括：

步骤S11，标靶制作：

为了便于实地量测以及从点云中提取标靶，布设标靶所采用材料的反射率高于隧道场景的反射率，两者反射率的差异应满足基于强度值的点云数据提取；标靶的形状具备满足基于形状的点云标靶模板匹配所要求的形状特征。

具体的，在本实施例中，标靶采用白色A4纸拼接构成背景板，并在背景板上通过粘贴十字交叉的铝箔形成反射率差异足够的标靶，以十字交叉点构成校准点方便测量。除本实施例的形状外，也可以采用圆形带中心点的标靶、顶点相交的两三角形构成的标靶等，其设计主要依据于测量及点云提取的方便；其材质的选取主要依据于反射率差异，可根据经验进行选择，本实施例选择A4纸及铝箔主要是方便获得。

步骤S12，标靶实地布设：

其一，由于计算转换参数至少需要4对以上的三维坐标，因此，进行实地的标靶布设时，标靶沿隧道延伸方向分组布设，每组包括4个以上的标靶，组间间隔设置。

其二，为保证隧道点云纠正的均匀分布，标靶沿隧道延伸方向分组布设，组间间距根据需求精度指标决定，精度需求越高，则间隔越短，根据实验，每200米间距下各方向均方根误差不超过15厘米，足以满足高精度要求，因此，推荐的，各组标靶间沿隧道延伸方向的间距为200~1000m。所述各组标靶间沿隧道延伸方向的间距，即相邻两组标靶的相邻标靶沿隧道延伸方向，两者校准点之间的间距。

其三，为保证转换参数的准确性，标靶应避免因间隔较远导致的非刚体变形，也即组内标靶的首次扫描时刻和末次扫描时间的时间差应足够小，比如在1秒以内，具体距离的设置与组内标靶数量、车载扫描系统的激光扫描频率和行驶速度有关。根据实验，在常规车载扫描系统下，推荐的，组内各标靶沿隧道延伸方向的布设长度小于10m。

其四，为保证计算结果的鲁棒性，组内各标靶布设于不同水平面。

其五，标靶的大小规格应根据车载扫描系统实际允许的行驶速度决定，以保证采集后落在标靶上的点云足够密集，因此，最优的，各标靶沿隧道延伸方向的边长d>0.08*f/v，其中，f为车载扫描系统的激光扫描频率，v为车载扫描系统的行驶速度。

具体的，在本实施例中，每组包括4个标靶，当然，为了避免无效测量的干扰，最好的，可以设置为每组6个标靶。沿隧道延伸方向，各组标靶间的间距为200m，各组标靶组内布设的长度为1m，且布设于不同一水平面，沿隧道延伸方向由两张A4纸拼接构成。

步骤S2，测量，包括：

步骤S21，通过车载扫描系统测绘，获取包括各标靶点云数据在内的隧道点云数据。

步骤S22，通过隧道测量控制网，实测各标靶的校准点坐标：

步骤S221，测量隧道内地面控制点的三维坐标：根据每组标靶在隧道内的布设位置，在隧道内选取地面控制点，并通过隧道测量控制网测量地面控制点的三维坐标。

步骤S222，测量隧道两侧布设标靶校准点的三维坐标：在地面控制点的基础上，通过碎步测量获取在隧道两侧墙壁实际布设标靶的校准点的三维坐标。

步骤S3，坐标提取，包括：

S31、对点云数据进行强度采样：在车载扫描系统获取的点云数据中，随机选取部分标靶的点云数据进行强度值采样，确定标靶点云数据的强度值范围。

S32、对点云数据进行信息增强：通过S31确定的标靶点云数据的强度值范围，对点云数据进行强度值拉伸。

S33、标靶点云数据的粗提取；通过对S32增强后的点云数据进行直方图统计，根据强度信息剔除点云数据中异于所确定标靶点云数据强度值范围的其他点云数据，得到粗提取的标靶点云数据。

S34、将粗提取获得的标靶点云数据与预制的标准点云标靶模板进行形状匹配，得到精提取的标靶点云数据。

具体而言，根据布设的标靶位置分布的特性，按照距离阈值

S35、根据精提取的标靶点云数据，提取标靶点云数据中与实测标靶校准点对应的同名点坐标。

同名点坐标可以采用计算机自动提取，但由于载体行驶非匀速行驶及遮挡等影响，采集得到的标靶点云不会完全保持原有形状，自动提取的坐标会导致转换精度存在一定程度的降低，因此，为保证精度，在本实施例中，对匹配后提取得到的点云标靶手动提取同名点的三维坐标并进行编号和分组，然后找到对应实测的标靶校准点坐标。

步骤S4，轨迹纠正，包括：

S41、通过实测的各组标靶的校准点坐标及与其对应的标靶点云数据中的同名点坐标，分别计算每组实测校准点坐标及与其对应的点云同名点坐标的转换参数：

令点云标靶同名点三维坐标为

其中，

S42、通过对应于每组标靶的转换参数，对与其布设位置相对应位置处的车载扫描系统的轨迹位置进行纠正。

S421、根据每组标靶点云数据的激光扫描时刻，在待纠正的车载扫描系统的POS数据（车载扫描系统的位置姿态数据）中，确定扫描该组标靶时的车载扫描系统的轨迹位置

由于原始的激光扫描点云时间分辨率（扫描频率）通常高于车载扫描系统轨迹的时间采样分辨率（采样频率），为保证每组标靶与车载扫描系统的轨迹位置一一对应。在本实施例的上述步骤中，针对各组标靶，根据组内各标靶对应的扫描时刻，在待纠正的车载扫描系统的POS数据中，查找与该标靶扫描时刻时间相邻的轨迹位置采样时刻：

若存在标靶扫描时刻与对应轨迹位置采样时刻相同，则以该轨迹位置采样时刻所采样的轨迹位置，作为该组标靶对应的待纠正的车载扫描系统的轨迹位置

若不存在标靶扫描时刻与对应轨迹位置采样时刻相同，则确定该标靶扫描时刻时间前后两侧的轨迹位置采样时刻，以满足于

的轨迹位置扫描时刻作为该标靶扫描时刻所对应的轨迹位置采样时刻，其中，

当然由于组内标靶的扫描始终存在一定的时间区间，因此，在该时间区间内的车载扫描系统的轨迹上的位置，均可以作为待纠正的车载扫描系统的轨迹位置

S422、通过对应组标靶的转换参数，对对应的待纠正车载扫描系统轨迹位置

S43、通过插值方法对相邻各组标靶间的车载扫描系统的轨迹位置进行补全，获取纠正后的车载扫描系统的整体移动轨迹。

插值方法可以是现有的任意插值方法，但应当注意的是轨迹误差的累计特性和变形特点。根据惯性导航系统误差积累的特点，可认为相邻两组标靶间车载扫描系统的轨迹误差呈线性偏差状态，因此，在本实施例中，利用纠正后的相邻车载扫描系统的轨迹位置的三维坐标

S431、根据相邻两组标靶所对应的轨迹位置的采样时刻

S432、通过纠正后的相邻车载扫描系统的轨迹位置的三维坐标

步骤S5，隧道点云重生成，包括：

S51、将点云数据从激光扫描坐标

其中，

S52、将点云数据从车载系统坐标

其中，

需要说明的是，本发明中的“较大”、“较远”均是相对于阈值而言，即以相应的阈值作为比对基础，比如：某材料的反射率与隧道场景反射率的差异值大于一个阈值（可以根据经验设置），则称该材料的反射率与隧道场景反射率差异“较大”。