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基于IGGⅢ方案的加权总体最小二乘点云球面拟合

欧江霞 刘伟诚

引用本文:
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基于IGGⅢ方案的加权总体最小二乘点云球面拟合

    作者简介: 欧江霞(1989-), 男, 硕士, 工程师, 主要从事地面3维激光扫描数据处理方法的研究。E-mail:oujiangxia666@163.com.
  • 中图分类号: TN247;O241.5

Fitting of sphere point clouds by weighted total least squares based on IGGⅢ scheme

  • CLC number: TN247;O241.5

  • 摘要: 为了减少测量粗差对球标靶拟合精度的影响,在加权总体最小二乘法基础上,针对地面3维激光扫描球标靶数据特点,采用了权函数IGGⅢ方案,自适应地修正拟合权阵,构建了新的点云球面拟合方法。利用新方法分别拟合了模拟球面数据、实际扫描球面数据。结果表明,该方法在同时考虑拟合模型系数矩阵误差与观测向量误差基础上,通过合理定义及优化拟合权阵,获得了更为精确的球面参量。其拟合评价指标均优于常规方法。
  • Figure 1.  Simulation of sphere point clouds

    Figure 2.  Real scanning datas of sphere point clouds

    a—spherical Ⅰ b—spherical Ⅱ

    Table 1.  Fitting precision without gross errors

    methods Δ|a|/m Δ|b|/m Δ|c|/m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m ${{\hat \sigma }_{\rm{s}}} $ /m
    LS method 0.0002 0 0.0016 0.0014 0.08004 0.00282
    TLS method 0.0002 0 0.0015 0.0014 0.08004 0.00282
    IGGⅢ-WTLS method 0.0005 0 0 0.0008 0.00112 0.00285
    下载: 导出CSV

    Table 2.  Fitting precision with gross errors

    methods Δ|a|/m Δ|b|/m Δ|c|/m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m ${{\hat \sigma }_{\rm{s}}} $ /m
    LS method 0.0670 0.0285 0.1754 0.2409 5.21910 0.20223
    TLS method 3.5674 0.9320 11.1511 7.7432 34.33430 2.39240
    IGGⅢ-WTLS method 0.0026 0.0008 0.0035 0.0717 0.00530 0.20114
    下载: 导出CSV

    Table 3.  Real spherical parameters and fitting precision

    samples methods $ {\hat a}$ /m ${\hat b} $ /m $ {\hat c}$ /m $ {\hat r}$ /m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m $ {{\hat \sigma }_{\rm{s}}}$ /m
    spherical Ⅰ LS method 0.0099 5.8443 -1.6388 0.0735 0.0010 7.7080×10-5 5.0800×10-3
    TLS method 0.0099 5.8443 -1.6388 0.0735 0.0010 7.7080×10-5 5.0800×10-3
    IGGⅢ-WTLS method 0.0083 5.8454 -1.6357 0.0724 0.0001 1.0440×10-6 9.4506×10-4
    spherical Ⅱ LS method 1.3982 3.7690 -1.6291 0.0736 0.0011 8.2813×10-4 5.4274×10-3
    TLS method 1.3982 3.7691 -1.6291 0.0736 0.0011 8.2813×10-4 5.4278×10-3
    IGGⅢ-WTLS method 1.3963 3.7694 -1.6247 0.0717 0.0008 1.0084×10-5 7.0619×10-4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-02-01
  • 录用日期:  2016-09-13
  • 刊出日期:  2017-09-25

基于IGGⅢ方案的加权总体最小二乘点云球面拟合

    作者简介: 欧江霞(1989-), 男, 硕士, 工程师, 主要从事地面3维激光扫描数据处理方法的研究。E-mail:oujiangxia666@163.com
  • 广州市地质调查院, 广州 510440

摘要: 为了减少测量粗差对球标靶拟合精度的影响,在加权总体最小二乘法基础上,针对地面3维激光扫描球标靶数据特点,采用了权函数IGGⅢ方案,自适应地修正拟合权阵,构建了新的点云球面拟合方法。利用新方法分别拟合了模拟球面数据、实际扫描球面数据。结果表明,该方法在同时考虑拟合模型系数矩阵误差与观测向量误差基础上,通过合理定义及优化拟合权阵,获得了更为精确的球面参量。其拟合评价指标均优于常规方法。

English Abstract

    • 利用地面3维激光扫描仪进行扫描作业时,若遇扫描范围过大或扫描视角被其它物体遮挡等情况,应增加测站来完成全部扫描。即在扫描之前将3个或3个以上的球标靶(白球)合理布设至被扫描物体周围,之后利用球标靶的球心坐标通过刚体变换公式实现坐标转换,将所有扫描数据统一至同一坐标系下,为后期数据处理提供完整的研究对象点云坐标数据。其中,球标靶球心坐标通过球面拟合得到,因此,球面拟合精度直接影响到球心坐标精度,进而对整个坐标转换精度及之后数据处理、数据分析、数据建模的精度产生极大影响。

      传统最小二乘(least squares,LS)法[1]、总体最小二乘(total least squares,TLS)法[2-3]等球面拟合方法在拟合过程中,均将点云各点当做等独立精度观测值处理,由于受观测环境、系统误差等因素影响,地面3维激光扫描获取的空间3维坐标x, y, z这3个方向上均含有误差且各点点位精度均不相同,若采用上述方法对球面点云数据进行拟合,所得参量解并非球面参量的最或然值。作者在总体最小二乘法的基础上引入加权总体最小二乘(weighted total least squares,WTLS)模型[4-11],结合权函数中国科学院大地测量与地球物理研究所(Institute of Geodesy and Geophysics, IGG)Ⅲ方案[12-13],新的加权总体最小二乘点云球面拟合算法(weighted total least squares combined with IGGⅢ scheme,IGGⅢ-WTLS),其通过对系数矩阵及观测向量的权阵进行合理定义及设计,在参量迭代解算过程中根据IGGⅢ方案确定的点位精度,自适应地对拟合权阵进行修正,提高拟合精度。

    • 加权总体最小二乘球面拟合的变量误差(error-in-variables, EIV)模型为:

      $ \mathit{\boldsymbol{Y}} - {\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}} = \left( {\mathit{\boldsymbol{A}} - {\mathit{\boldsymbol{E}}_\mathit{\boldsymbol{A}}}} \right) \cdot \mathit{\boldsymbol{X}} $

      (1)

      式中,Y为含偶然误差eYn×1维观测向量,A为含偶然误差EAn×4维系数矩阵,X为待求球面参量:

      $ \begin{array}{*{20}{c}} {\mathop {\mathit{\boldsymbol{Y}}}\limits_{n \times 1} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {x_1^2 + y_1^2 + z_1^2}\\ {x_2^2 + y_2^2 + z_2^2}\\ \vdots \\ {x_n^2 + y_n^2 + z_n^2} \end{array}} \right],\mathop {\mathit{\boldsymbol{A}}}\limits_{n \times 4} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {2{x_1}}&{2{y_1}}&{2{z_1}}&1\\ {2{x_2}}&{2{y_2}}&{2{z_2}}&1\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots \\ {2{x_n}}&{2{y_n}}&{2{y_n}}&1 \end{array}} \right],\mathop {\mathit{\boldsymbol{X}}}\limits_{4 \times 1} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} a\\ b\\ c\\ {{r^2} - {a^2} - {b^2} - {c^2}} \end{array}} \right],}\\ {\mathop {{\mathit{\boldsymbol{E}}_A}}\limits_{n \times 4} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_{{x_1}}}}&{{v_{{y_1}}}}&{{v_{{z_1}}}}&1\\ {{v_{{x_2}}}}&{{v_{{y_2}}}}&{{v_{{z_2}}}}&1\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots \\ {{v_{{x_n}}}}&{{v_{{y_n}}}}&{{v_{{z_n}}}}&1 \end{array}} \right],\mathop {{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}}\limits_{n \times 3} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {2\left( {{x_1}{v_{{x_1}}} + {y_1}{v_{{y_1}}} + {z_1}{v_{{z_1}}}} \right)}\\ {2\left( {{x_2}{v_{{x_2}}} + {y_2}{v_{{y_2}}} + {z_2}{v_{{z_2}}}} \right)}\\ \vdots \\ {2\left( {{x_n}{v_{{x_n}}} + {y_n}{v_{{y_n}}} + {z_n}{v_{{z_n}}}} \right)} \end{array}} \right]} \end{array} $

      (2)

      式中,eY舍去了$ \left( {{v_{{x_i}}}^2, {v_{{y_i}}}^2, {v_{{z_i}}}^2} \right)(i = 1, 2, \ldots , n)$等极小的二次项。

      随机误差eYEA的统计性质如下:

      $ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}}\\ {{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{A}}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}}\\ {{\rm{vec}}\left( {{\mathit{\boldsymbol{E}}_\mathit{\boldsymbol{A}}}} \right)} \end{array}} \right] $

      (3)

      (3) 式服从的正态分布。式中,vec()为矩阵拉直变换,σ02为未知方差分量; QY, QAeYeA的对称、非奇异协因数阵,且有:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}} = \mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}^{ - 1}\\ {\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{X}}} = \mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{X}}^{ - 1}\\ {\mathit{\boldsymbol{Q}}_0} = \mathit{\boldsymbol{P}}_0^{ - 1}\\ {\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{A}}} = {\mathit{\boldsymbol{Q}}_0} \otimes {\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{X}}} = \mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{A}}^{ - 1} \end{array} \right. $

      (4)

      式中,PY为观测值权阵,PA为系数矩阵A的权阵,PXP0分别为系数矩阵A的行向量权阵及列向量矩阵,“ $ \otimes $ ”为Kronecker积。

      加权总体最小二乘的参量估计准则为:

      $ {\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}} + {\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{A}}}^{\rm{T}}{\mathit{\boldsymbol{P}}_0} \otimes {\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{X}}}{\mathit{\boldsymbol{e}}_\mathit{\boldsymbol{A}}} = \min $

      (5)
    • 根据加权总体最小二乘球面拟合EIV模型,令:

      $ \left\{ \begin{array}{l} u = 2x\\ w = {x^2} + {y^2} + {z^2} \end{array} \right. $

      (6)

      由于x, y, z独立等精度,则有:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {\sigma _u} = {\sigma _{2x}} = {\sigma _{2y}} = {\sigma _{2z}}\\ {\sigma _x} = {\sigma _y} = {\sigma _z}\\ {\sigma _w} = {\sigma _{{x^2} + {y^2} + {z^2}}} \end{array} \right. $

      (7)

      式中,${\sigma _x}, {\sigma _y}, {\sigma _z}, {\sigma _u}, {\sigma _w} $分别为$ x, y, z, u, w$的方差。

      由协因素传播定律得:

      $ \sigma _u^2 = 4\sigma _x^2 = 4\sigma _y^2 = 4\sigma _z^2 $

      (8)

      $ \begin{array}{*{20}{c}} {\sigma _w^2 = {{\left( {\frac{{{\rm{d}}w}}{{{\rm{d}}x}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{{\rm{d}}w}}{{{\rm{d}}y}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{{\rm{d}}w}}{{{\rm{d}}z}}} \right)}^2} = }\\ {4{x^2}\sigma _x^2 + 4{y^2}\sigma _y^2 + 4{z^2}\sigma _z^2 = }\\ {4\left( {{x^2} + {y^2} + {z^2}} \right)\sigma _x^2} \end{array} $

      (9)

      令单位权方差σ02=1,则有:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{Q}}_u} = \sigma _u^2/\sigma _0^2 = 4\sigma _x^2\\ {\mathit{\boldsymbol{Q}}_w} = \sigma _w^2/\sigma _0^2 = 4\left( {{x^2} + {y^2} + {z^2}} \right)\sigma _x^2 \end{array} \right. $

      (10)

      式中,Qu, Qw分别为u, w的协方差阵。

      由(10)式可得:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{Q}}_w} = \left( {{x^2} + {y^2} + {z^2}} \right){\mathit{\boldsymbol{Q}}_u} = w{\mathit{\boldsymbol{Q}}_u}\\ {\mathit{\boldsymbol{P}}_w} = {\mathit{\boldsymbol{P}}_u}/w \end{array} \right. $

      (11)

      式中,Pw为EIV模型的观测向量权阵, 即PYPu为系数矩阵的行向量矩阵, 即PX

      根据(11)式定义系数矩阵A的列向量权阵P0、行向量矩阵初始权阵PX、观测向量Y的初始权阵PY如下:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{P}}_0} = {\rm{diag}}\left( {1,1,1,0} \right)\\ {\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{X}}} = {\rm{diag}}\left( {{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{X}}_1}}},{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{X}}_2}}}, \cdots ,{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{X}}_n}}}} \right)\\ {\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}} = {\rm{diag}}\left( {{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{Y}}_1}}},{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{Y}}_2}}}, \cdots ,{\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{Y}}_n}}}} \right) \end{array} \right. $

      (12)

      式中,$ {\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{Y}}_i}}} = {\mathit{\boldsymbol{P}}_{{\mathit{\boldsymbol{X}}_i}}}/\left( {{x_i}^2 + {y_i}^2 + {z_i}^2} \right)(i = 1, 2, \ldots , n)$。

    • 由于点云数据受环境影响大,粗差点较多,顾及IGGⅢ方案在测绘领域较好的适用性[14-15],选取IGGⅢ方案对点云参量迭代解算过程中的拟合权阵(A的行向量矩阵的初始权阵PX、观测向量Y的初始权阵PY,且有$ \mathit{\boldsymbol{\bar P}} = \mathit{\boldsymbol{P\omega }}$ [13]PPX, PY总称, $ {\mathit{\boldsymbol{\bar P}}}$为修正后权值,ω为权因子)进行修正,其权因子计算公式为:

      $ {\omega _i} = \left\{ \begin{array}{l} 1,\left( {\left| {{V_i}/\sigma } \right| < {k_0}} \right)\\ \frac{{{k_0}}}{{\left| {{V_i}/\sigma } \right|}}\left( {\frac{{{k_1} - \left| {{V_i}/\sigma } \right|}}{{{k_1} - {k_0}}}} \right),\left( {{k_0} \le \left| {{V_i}/\sigma } \right| < {k_1}} \right)\\ 0,\left( {\left| {{V_i}/\sigma } \right| > {k_1}} \right) \end{array} \right. $

      (13)

      式中,Vi为残差,σ为中误差,k0k1为调节权因子的阈值。根据中误差分布概率理论[13],一般有:k0=1.0~1.5,k1=2.5~3.0。本文中令Vi=didi为点M(xi, yi, zi)到拟合模型表面的距离(见(14)式),根据IGG Ⅲ方案在测绘领域的适用性研究[12-13, 16],令k0=1.5, k1=2.5,即认为当观测值Vi < 1.5σ时,则可认为该点不含误差,其权因子ωi不变; 当Vi>2.5σ时,则可认为该观测值为粗差,予以剔除。

      $ \begin{array}{*{20}{c}} {{d_i} = }\\ {\left| {\sqrt {{{\left( {{x_i} - a} \right)}^2} + {{\left( {{y_i} - b} \right)}^2} + {{\left( {{z_i} - c} \right)}^2}} - r} \right|} \end{array} $

      (14)

      式中,$ a, b, c, r$为球面参量。

    • 在加权总体最小二乘模型的基础上,通过合理定义权阵,结合1.3节中所定义的权函数IGGⅢ方案提出了新的加权总体最小二乘点云球面拟合算法(IGGⅢ-WTLS法),根据(5)式所示的参量估计准则,定义算法的具体思路及模型解算步骤如下。

      (1) 利用LS法求得拟合模型参量估值,之后根据1.2节中所述方法定义系数矩阵A的列向量权阵P0及其行向量初始权阵PX(1)、观测向量初始权阵PY(1)(上标加括号表示迭代)。

      (2) 求取参量$ \mathit{\boldsymbol{X}} = {\left[ {a, b, c, {r^2} - {a^2} - {b^2} - {c^2}} \right]^{\rm{T}}}$的迭代初始值:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {{\hat v}^{\left( 0 \right)}} = 0\\ {{\hat X}^{\left( 0 \right)}} = {\left( {{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{\left( 1 \right)}\mathit{\boldsymbol{A}}} \right)^{ - 1}}{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{\left( 1 \right)}\mathit{\boldsymbol{Y}}\\ {{\hat \mu }^{\left( 0 \right)}} = {\left\{ {{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{\left( 1 \right)} + \left[ {{{\left( {{{\hat X}^{\left( 0 \right)}}} \right)}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{Q}}_0}{{\hat X}^{\left( 0 \right)}}} \right]{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{X}}}^{\left( 1 \right)}} \right\}^{ - 1}}\\ {{\hat X}^{\left( 1 \right)}} = \left[ {{{\left( {{{\hat \mu }^{\left( 0 \right)}}\mathit{\boldsymbol{A}}} \right)}^{ - 1}}{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{{\hat \mu }^{\left( 0 \right)}}} \right]\mathit{\boldsymbol{Y}} \end{array} \right. $

      (15)

      式中,Q0P0的广义逆。

      (3) 计算$ {{\hat \mu }^{(i)}}, {{\hat \lambda }^{(i)}}$及$ {{\hat v}^{(i)}}$:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {{\hat \mu }^{\left( i \right)}} = {\left\{ {{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{\left( i \right)} + \left[ {{{\left( {{{\hat X}^{\left( i \right)}}} \right)}^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{Q}}_0}{{\hat X}^{\left( i \right)}}} \right]{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{X}}}^{\left( i \right)}} \right\}^{ - 1}}\\ {{\hat \lambda }^{\left( i \right)}} = {{\hat \mu }^{\left( i \right)}} \cdot \left( {\mathit{\boldsymbol{Y}} - \mathit{\boldsymbol{A}}{{\hat X}^{\left( i \right)}}} \right)\\ {{\hat v}^{\left( i \right)}} = {\left( {{{\hat \lambda }^{\left( i \right)}}} \right)^{\rm{T}}}{\mathit{\boldsymbol{Q}}_\mathit{\boldsymbol{X}}}^{\left( i \right)}{{\hat \lambda }^{\left( i \right)}} \end{array} \right. $

      (16)

      (4) 计算$ {{\hat X}^{\left( {i + 1} \right)}}$:

      $ {{\hat X}^{\left( {i + 1} \right)}} = {\left( {{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{{\hat \mu }^{\left( i \right)}}\mathit{\boldsymbol{A}} - {{\hat v}^{\left( i \right)}} \cdot {\mathit{\boldsymbol{Q}}_0}} \right)^{ - 1}} \cdot \left( {{\mathit{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}}{{\hat \mu }^{\left( i \right)}}\mathit{\boldsymbol{Y}}} \right) $

      (17)

      (5) 利用(14)式各点到拟合模型表面的距离。

      (6) 根据(13)式计算权因子ω(i),令$ {\mathit{\boldsymbol{P}}^{(i + 1)}} = {\mathit{\boldsymbol{P}}^{\left( i \right)}}{\omega ^{(i)}}$,之后根据权阵定义准则重新设定权阵$ {\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{X}}}^{(i + 1)}, {\mathit{\boldsymbol{P}}_\mathit{\boldsymbol{Y}}}^{(i + 1)}$。

      (7) 重复步骤(3)~步骤(6),直到$\parallel {{\hat X}^{(i + 1)}} - {{\hat X}^{(i)}}\parallel < {\delta _0}({\delta _0}$为给定阈值,本文中取为10-6)。

      (8) 计算单位权重中误差${{\hat \sigma }_0} $及球面拟合精度${{\hat \sigma }_{\rm{s}}} $,进行精度评定:

      $ \left\{ \begin{array}{l} {{\hat \sigma }_0} = \sqrt {\frac{{{{\left( {{\lambda ^{\left( i \right)}}} \right)}^{\rm{T}}}\left( {\mathit{\boldsymbol{Y}} - \mathit{\boldsymbol{A}}\hat X} \right)}}{{n - t}}} \\ {{\hat \sigma }_{\rm{s}}} = \sqrt {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {d_i^2} } \end{array} \right. $

      (18)
    • 为了对本文中所构建球面拟合方法的适用性及优越性进行验证,分别利用其对模拟球面数据、实际扫描球面数据进行拟合。

    • 对于球面方程:

      $ {\left( {x - 10} \right)^2} + {\left( {y - 10} \right)^2} + {\left( {z - 1} \right)^2} = 200 $

      (19)

      其坐标球心为(10, 10, 1),半径为$ 10\sqrt 2 $ m,利用MATLAB在x, y∈[0, 20]范围内随机生成500个点,并将第12, 第15, 第53, 第67和第465号点替换成粗差点,如图 1所示。

      Figure 1.  Simulation of sphere point clouds

      分别利用LS法、TLS法、IGGⅢ-WTLS法对不含粗差、加入随机粗差的两组球面点云数据进行拟合,结果如表 1表 2所示。

      Table 1.  Fitting precision without gross errors

      methods Δ|a|/m Δ|b|/m Δ|c|/m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m ${{\hat \sigma }_{\rm{s}}} $ /m
      LS method 0.0002 0 0.0016 0.0014 0.08004 0.00282
      TLS method 0.0002 0 0.0015 0.0014 0.08004 0.00282
      IGGⅢ-WTLS method 0.0005 0 0 0.0008 0.00112 0.00285

      Table 2.  Fitting precision with gross errors

      methods Δ|a|/m Δ|b|/m Δ|c|/m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m ${{\hat \sigma }_{\rm{s}}} $ /m
      LS method 0.0670 0.0285 0.1754 0.2409 5.21910 0.20223
      TLS method 3.5674 0.9320 11.1511 7.7432 34.33430 2.39240
      IGGⅢ-WTLS method 0.0026 0.0008 0.0035 0.0717 0.00530 0.20114

      表 1中,由于数据取位的原因,各方法所得参量与实际参量之间存在一定偏差,但各参量值非常接近实际参量值,单位拟合权重中误差与球面拟合精度较小,各方法拟合效果均比较好。其中,LS法忽视了系数矩阵误差,TLS法虽同时考虑了观测向量与系数矩阵误差,但未考虑各观测值的点位精度,以上两种算法的单位权重中误差$ {{\hat \sigma }_0}$均大于IGGⅢ-WTLS法,拟合效果相对较差。

      表 2可得,LS法受粗差影响,拟合效果明显下降;TLS法过多考虑到系数矩阵不含误差部分,拟合效果最差;IGGⅢ-WTLS法考虑了系数矩阵误差与观测向量误差的同时,根据点与拟合球面的相关关系,成功进行了粗差探测与合理权值替换,较好抵抗了粗差干扰,各项拟合指标均优于其它算法,拟合效果最好。

    • 利用徕卡Scanstation C10地面3维激光扫描仪对真实场景进行扫描,获取实际球面点云数据(半径为0.0725m),如图 2所示。分别利用LS法、TLS法、IGGⅢ-WTLS法对两组球面点云数据进行拟合,拟合结果如表 3所示(表中,$ \hat a, \hat b, \hat c, \hat r$为球面参量$ a, b, c, r$的最或然值)。

      Figure 2.  Real scanning datas of sphere point clouds

      Table 3.  Real spherical parameters and fitting precision

      samples methods $ {\hat a}$ /m ${\hat b} $ /m $ {\hat c}$ /m $ {\hat r}$ /m Δ|r|/m $ {{\hat \sigma }_0}$ /m $ {{\hat \sigma }_{\rm{s}}}$ /m
      spherical Ⅰ LS method 0.0099 5.8443 -1.6388 0.0735 0.0010 7.7080×10-5 5.0800×10-3
      TLS method 0.0099 5.8443 -1.6388 0.0735 0.0010 7.7080×10-5 5.0800×10-3
      IGGⅢ-WTLS method 0.0083 5.8454 -1.6357 0.0724 0.0001 1.0440×10-6 9.4506×10-4
      spherical Ⅱ LS method 1.3982 3.7690 -1.6291 0.0736 0.0011 8.2813×10-4 5.4274×10-3
      TLS method 1.3982 3.7691 -1.6291 0.0736 0.0011 8.2813×10-4 5.4278×10-3
      IGGⅢ-WTLS method 1.3963 3.7694 -1.6247 0.0717 0.0008 1.0084×10-5 7.0619×10-4

      由于实验中所用球面点云数据经过粗差剔除等处理,因此所含误差较少,由表 3可知,各算法所求参量较为接近,单位权重中误差、球面拟合精度较小,拟合效果较为理想。其中,由于数据纯度较高,因此LS法与TLS法计算结果基本一致,仅球2参量b相差了0.0001m;LS法、TLS法、IGGⅢ-WTLS法所得球标靶1半径r相对误差分别为1.38%, 1.38%, 0.14%,LS法、TLS法、IGGⅢ-WTLS法所得球标靶2半径r相对误差分别为1.52%, 1.52%, 1.10%,同时IGGⅢ-WTLS法两项精度评定指标均小于LS法及TLS法,因此,IGGⅢ-WTLS法拟合效果优于其它两种算法,所得参量解更可靠。

    • (1) 由于地面3维激光扫描点云各点精度不等,依据广义极大似然估计各权函数特点及其适用范围,选用IGGⅢ方案对加权总体最小二乘球面拟合算法进行改进,提出了IGGⅢ-WTLS点云拟合算法。该算法同时考虑了拟合模型系数矩阵误差与观测向量误差,并可在模型参量解算过程中,通过计算点与模型的相关关系,自适应地调整各点拟合权值,优化拟合权阵。模拟球面数据及实际扫描球面数据的拟合实例表明,该算法具备较好的可行性及优越性,利用该算法拟合得到的球心坐标可靠性更高。

      (2) 基于IGGⅢ方案的加权总体最小二乘点云拟合算法较最小二乘法、总体最小二乘法更为稳健,但在解算过程中,当数据量过大时,由于权值的自适应修正过程较为复杂,迭代计算较为繁琐,解算所需时间较多,如何提高解算效率值得进一步深入研究。

参考文献 (16)

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