一种地面激光扫描仪彩色点云生成方法

摘要

本发明公开了一种地面激光扫描仪彩色点云生成方法，通过在地面激光扫描仪基础上外置相机，采用空间后方交会方法对相机内参数进行标定、采用直接线性变换方法对相机的外参数标定、通过标定的方法确定内外方位元素、通过扫描仪旋转平台准确控制相机获取场景影像的角度，最后通过公式：对后续转换关系进行计算，将外业采集的点云和影像纹理信息准确融合、配准，实现彩色点云的自动获取。

主权项

一种地面激光扫描仪彩色点云生成方法，通过在地面激光扫描仪基础上外置相机，对相机内外参数进行标定标定、控制相机获取场景影像的角度以及对后续转换关系进行计算，实现彩色点云的自动生成，其特征在于，包括以下步骤：(1)相机内参数的标定采用后方交会方法在控制场中拍摄若干影像后，在图像上选取若干控制点并通过全站仪测量出控制点在同一个坐标系的物方坐标；相机内参数标定后将获得x₀(像主点x坐标)、y₀(像主点y坐标)、f_xf_y(焦距)、k₁k₂(径向畸变参数)、p₁p₂(切向畸变参数)等参数；(2)相机与扫描仪中心相对位置的标定采用直接线性变换(DLT)方法在标定场中采集的点云和影像上分别选取同名控制点，通过DLT的计算方法获得相机的六个外方位元素(X₀，Y₀，Z₀，roll，pitch，yaw)，X₀、Y₀和Z₀称为相机外参数的线元素；roll、pitch和yaw称为相机外方位元素的角元素，DLT的计算公式如下：$x+\frac{l_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4}{l_{9}X+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0$$y+\frac{l_{5}X+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8}{l_{9}X+l_{10}Y+l_{11}Z+1}=0$其中，l₁，…l₁₁为相机内外方位元素的函数；(3)扫描仪旋转平台控制相机拍摄照片并记录角度参数扫描仪设备在经过内外参数的标定后进行点云和影像数据的采集，地面激光扫描仪LS300设定的采集模式为先进行点云的扫描，完成之后再进行影像的拍摄；扫描仪进行点云的采集时从X轴开始发射第一条扫描线，基座平台经过360°的旋转后回到X轴；之后LS300控制相机分别在与X轴呈60°、180°和300°三个位置进行拍摄并将角度参数记录到影像文件中，在后续的操作过程中，角度参数直接通过文件名解析得到；旋转矩阵计算是由相机的三个外参数的角元素得到，计算公式如下：$R=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]$其中，a₁＝cosαcosγ‑sinαsinβsinγ；a₂＝‑cosαsinγ‑sinαsinβcosγ；a₃＝‑cosαcosβ；b₁＝cosβsinγ；b₂＝cosβcosγ；b₃＝sinβ；c₁＝sinαcosγ+cosαsinβsinγ；c₂＝‑sinαsinγ+cosαsinβcosγ；c₂＝cosαcosβ；(4)解求旋转矩阵，并根据共线方程解求点云对应的图像上的像素坐标获取旋转矩阵后，三维空间中每个物方点即能够和一个像素坐标对应起来，通过共线方程得到每个点云对应的一个像素坐标，通过该像素坐标根据插值方法进行卷积运算，得到一个RGB值，将RGB值赋给点云后即完成彩色点云的制作，共线方程公式如下：$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ -f\end{array}\right]=R(\alpha ,\beta ,\gamma )\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right]$