CN104236522A - 三维可视化测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维可视化测量系统，属于工程测量技术领域。该测量系统包括GNSS接收机、惯性定位系统、激光扫描测距仪、3D数码摄像机、备用GNSS基站及发射电台、带有显示屏的数码立体眼镜以及PDA或者平板电脑；GNSS接收机带有移动网络模块与内部电台；PDA或者平板电脑中带有测量系统的数据处理软件。本发明测量系统的使用解决了车载移动测图系统无法用于施工放样的问题，利用设计模型与三维扫描的施工实体模型重合在一起进行对比与测量与施工放样，也可存贮实体模型存档回到室内测量与分析，作可视化测量；施工放样时可戴专用的数码立体眼镜观测标志放样点位的图像可视化放样。

Description

三维可视化测量系统

技术领域

本发明属于工程测量技术领域，具体涉及一种三维可视化测量系统，尤其涉及工程测量的数据采集与现场的施工放样。

技术背景

目前全球导航卫星系统GNSS(GPS)已用于工程测量，三维激光扫描仪用于数字化地形测量及GIS(地理信息系统)的数据采集，而GNSS(GPS)与CCD数码相机和惯性测量系统(简称INS)及激光测距相结合形成了新型测量设备-车载移动式测图系统(目前日本托普康、瑞士徕卡有这种产品出售)。利用车辆行驶过程中采集周围三维坐标点云再利用电脑软件生成三维数字地形图，这种设备可用于地形测量与工程测量中的竣工测量，道路测量中旧路改造工程，新设计道路边有可通行便道可进行带状地形图测量，对于车辆无法通行的悬崖峭壁无法使用，但车载测图系统测图设备装入航模或遥控飞机能够代替航测完成大比例尺地形测量，因为不能将设计模型输入电脑进行比较而无法用于现场实时的施工测量及其放样工作。

发明内容

本发明为了解决车载移动式测图系统及其他移动测量技术无法用于现场施工测量与放样问题，提供一种能够现场实时测量与放样的三维可视化测量系统。

本发明所提供的三维可视化测量系统包括GNSS接收机、惯性定位系统、激光扫描测距仪、3D数码摄像机、备用基站GNSS及发射电台、带有显示屏的数码立体眼镜以及PDA或者平板电脑；所述GNSS接收机带有移动网络模块与内部电台，所述数码立体眼镜能够固定于设备上也能够与设备分离，所述数码立体眼镜及PDA或平板电脑都带兰牙通讯模块；所述PDA或者平板电脑中设所述测量系统的数据处理软件。

为了减少体积将GNSS接收机、惯性定位系统、激光扫描测距阵列、3D数码摄像机做成一体式可戴在头上，带有显示屏数码立体眼镜可固定于设备上并利用兰牙与PDA或平板电脑通讯，数码立体眼镜可调节两眼间距与上下距离，调节器带有标尺可读出眼镜左右上下距离，在放样测量中利用数码立体眼镜观看设计与实体模型。

为了防止兰牙微波辐射对人体伤害，设备的头戴部分采用阻挡电磁辐射的金属保护壳，金属材料保护壳在惯性定位系统下部，中心一个螺孔以便于架在对中杆或者光学对点器上。

所述PDA或者平板电脑除了触摸屏可用手指操作外还带有语音识别软件，所述测量系统的数据处理软件能够进行语音控制，所述惯性定位系统、激光扫描测距仪的数据采集时钟与GNSS时钟同步。

所述激光扫描测距仪的扫描测距阵列绕中心主测距单元作360°旋转扫描测距，各个测距单元除了主测距单元在阵列中心外，从测距单元沿从中向外沿渐开线弧线等间距步置，扫描时测距组件以主测距单元为中心顺时针或者反时针旋转，测距与旋转角度大小通过步进电机控制，每个测距脉冲步进一个角度，旋转速度能够改变。

所述惯性定位系统采用与GPS-RTK(实时动态测量方式)联合测量方式，GPS-RTK测量时从接收卫星信号与CORS或基站载波相位差分信号处理到输出其相位中心坐标占用的时间长，扫描测距仪采集点云速度远快于RTK，随着测量人员工作走动，GNSS相位中心位置坐标在两次输出GPS-RTK结果间隔内采用惯性定位的姿态角与加速度值两次积分计算的位移进行位置改正，扫描测距仪每测一次距离的同时采样一次姿态角与加速度值，通过陀螺仪三轴姿态角和三轴加速度值计算并修正设备相位中心坐标，利用惯性定位系统短期精度高优点，扫描实物模型同时显示于PDA或者平板电脑上，便于测量员补充未测部位。

工程施工开始前先将设计数据通过软件在PDA或平板电脑中建立设计模型，设计模型的建立通过系统自带的建模软件，通用模型先建立设计模板，模板与模板之间可以复制，为了处理普遍与特殊的关系，先建立通用模板，再建立专用模板，专用模板建立可以复制通用模板再作修改、命名与保存，本系统提供常用的设计模板供用户使用；设计模型套用专用模板再作特定的修改，专用模板建立设计模型，对于路基横断面模板，存在不同桩号之间不同的设计模板，插入新的断面桩号的设计模型利用两相邻桩号模板内插解决，如果设计结构变化直接修改设计模板则设计模型自动修改，设计模板与设计模型可以根据所用建筑材料为其配色，使设计模板或设计模型更直观。

本发明外业测量时经过GPS‐RTK测量得到设备GNSS相位中心坐标，再经过惯性系统所采样的设备姿态角加上激光扫描测距仪各测距单元相对设备位置由设备预处理软件计算成测距点的水平方位角与竖直角，将GNSS与惯性定位系统及测距仪测距中心相位差全部换算到统一设备中心，并对于GPS‐RTK输出设备相位中心坐标间隔内利用采样的加速度变化与姿态角变化对相位中心坐标进行修正，再利用激光扫描测距仪测距单元各测点斜距计算扫描点的三维坐标，利用扫描点三维坐标计算3D摄像机视向方位角采集相对应点相应的色彩，扫描点数据包括三维坐标加上色彩数据，就是设备输出到电脑中的数据，通过兰牙将目标点云数据传给PDA或平板电脑的数据处理软件。根据测量的不同目的对于实物的扫描可以采用测量人员走动过程的动态扫描，又可以将本设备用对中杆固定不动进行静态扫描，又可分段采用静态扫描。

本发明对实体模型的扫描是利用GNSS时钟同步的每个测量时钟脉冲所有的扫描测距单元进行一次测距同时步进电机控制扫描组件行走一个微小的扫描角度，同时3D摄像机拍照一次立体像对，同时采集一次陀螺仪姿态角与加速度计的加速度值，系统进行数据处理成各点云的三维坐标加色彩，有多少测距单元则每个测距脉冲就有多少组数据，数据压缩成数据包通过兰牙传入PDA或者平板电脑。为了减少数据通讯量，减少PDA或者平板电脑处理数据时间，本设备内置数据预处理软件，主要功能是每个测距脉冲时段采样RTK实测坐标寄存器数据及时间、惯性定位系统陀螺仪姿态角及加速度值、各测距单元寄存器存贮的斜距、步进电机的转角计数器值、3D摄像机立体像对，将暂存的上次RTK坐标加上惯性系统姿态角与加速度变化值计算相对于上次RTK坐标的位移修正作为本次测距脉冲的设备GNSS相位中心坐标，利用各测距单元所测斜距计算目标的三维点云坐标，并利用3D摄像机获取的立体像对，将目标点坐标云换算为摄像机左右光心视向方位对照立体像对点位置获取目标点色彩，将目标的三维坐标加色彩压缩成数据包发送PDA或者平板电脑，扫描测距组件每秒测距多少次，每秒就有多少个数据包，因而兰牙接口对于数据通讯速度要求高，设备采用兰牙4.0版本。

本发明测量系统用于工程测量与放样是将设计模型与实测模型根据同一坐标系统重合在一起，直接测量已施工或者正在施工的实体模型与设计模型的差距，测量人员可直接在模型上利用点击电脑触摸屏进行测量；放样时测量人员在PDA或平板电脑上手工或通过语音输入需要放样的点位，在实测模型上用选定粗细色的实线或其它标志标定需放样的点、线、面，根据输入PDA或平板电脑的数码立体眼镜光心位置计算其光心坐标，并将标定放样的点、线、面位置后的模型根据数码立体眼镜左右光心视向位置计算生成视图，通过兰牙接口将视图输出到数码立体眼镜，使用数码立体眼镜可以通过语音操作PDA或者平板电脑，通过PDA或平板电脑输出到数码立体眼镜上，利用文字与操作人员语音对话方式进行测量放样，语音识别时，测量人员尽可能说标准普通话，如果普通话说不标准的用户可以采用语音适应功能，本软件的语音适应功能采用文字显示，针对常用的功能显示相应文字，用户对照文字进行阅读，周围要静无噪音，语音适应后可以大大提高语音识别率，提高放样测量速度。

本发明测量系统能够对实测模型配色，用户选择的不同于实体模型的色彩与亮度显示设计模型与已施工的实体模型之差，使施工与设计的差距所看即所见。施工放样测量既可以利用手持PDA或平板电脑放样，又可以直接通过数码立体眼镜观测，放样点的位置直接看到。

本发明采集实物的三维坐标点云使用的技术：先利用GPS-RTK测量仪器设备中心三维坐标，利用激光陀螺仪实时测量仪器设备的姿态角(倾仰角、转角等)，激光扫描测距阵列各测距单元测量实体斜距，利用扫描组件转动角度加上陀螺仪测得设备的姿态角计算各测距单元平面方位角与竖直角，计算扫描点的三维坐标增量加上设备相位中心坐标得到实体的三维坐标点云组成实物模型；本设备采集的三维点云坐标通过兰牙与PDA或平板电脑通讯，测量人员通过PDA或平板电脑软件处理显示三维实测模型。

本系统利用GPS-RTK无累计与漂移误差、惯性定位的短期精度高的特点，为提高测量速度，采取GPS-RTK与惯性定位相结合的联合测量方式计算设备相位中心(GNSS相位中心以下简称设备相位中心)坐标；因GNSS接收卫星信号同时接收CORS或基站载波相位信号，处理并计算设备相位坐标时间长，通常每秒计算一个结果，而扫描测距仪测量很快，GPS-RTK每输出一个结果及时间存入寄存器，RTK结果寄存器组共三个寄存单元组成堆栈，RTK每计算出一个结果存入寄存器三维坐标与时间压入栈顶以保证栈顶数据最新，设备预处理软件利用惯性定位系统的姿态角变化与加速度变化对时间两次积分计算三轴位移距离，并改正设备相位中心坐标；测量人员动态测量时，设备的姿态角与加速角连续变化引起目标点距离也连续变化，但测距模块阵列只能间断测量，可测量一组数据，在一个时刻测量一组斜距，同时存贮，设备预处理软件将每测一组斜距同时采样一次陀螺仪姿态角与加速度值及步进电机的脉冲记数，GPS-RTK测得的设备中心坐标及时刻存三个坐标寄存器中，三个寄存器存有前三次坐标与时刻用于修正陀螺仪与加速度计时间漂移误差，上次测距时刻到这次测距对时间双积分计算三轴位移，经过姿态角计算并改正设备相位中心坐标，再计算目标点三维坐标，同时采样摄像机图像，计算目标点对应在3D像对上的视位置采样颜色采用的3D摄像机相对于GNSS相位中心的位置根据PDA或者平板电脑设定仪器常数时存入设备。

用户在模型上量测已施工实体与设计之差并且能够利用本系统软件现场计算已完工程量与剩余工程量；放样测量时用户能够在设计模型上以用户选择的标志显示放样点位置，再通过带显示屏的数码立体眼镜进行现场扫描实物放样；为了消除设备中心与数码立体眼镜视轴中心不同位置产生的视差；数码立体眼镜间距与扫描测距仪模块阵列中心上下距离从眼镜标尺上读出输入电脑中通过计算，输出到数码立体眼镜的模型改为以眼镜光心方向，输出到左眼与右眼视图因光心坐标不同视图不同形成立体图。

测量人员晃动对扫描测距有影响，如果正在扫描时，头部向左右晃动时，部分点可能重复扫描，部分点可能未扫描；同样上下晃动也造成部分点未扫描或者重复扫描，对于实体相同的点位重复扫描存在测量误差引起点位不同而模型有的部位不重合，对于这个问题解决办法有两种，一种办法扫描实体模型将本设备固定在强制对中杆上不移动，直到实体模型扫描完毕存入PDA或者平板电脑后，再对模型进行分析与测量称为静态扫描，静态扫描等到扫描组件转一周，前方120°锥形区域数据采集完毕，转动设备补充未扫描区域，静态扫描时软件绘制立体模型接边的点取几次不同结果的平均；其二测量人员扫描实体模型过程中已扫描的实体同时显示在PDA或平板电脑上，由测量人员对准目标补充未扫描部位，为了使用方便，测量人员戴数码立体眼镜，将电脑扫描图形同时输出到数码立体眼镜，测量人员直接用眼观测未扫描部分进行补充，等需要测量的实体模型扫描完成。其中移动扫描重复的点以近距离覆盖原来的点云，当PDA或者平板电脑上显示测区的完整模型，再进行测量工作，称为动态扫描；在测量放样时采用动态扫描方法，随着靠近放样点距离近，放样点精度提高，如果现场只采集实体模型，回到室内将设计模型对比实测结果进行分析用静态。

放样测量采用先输入或导入设计模型，设计模型再标志出需放样的点位置与放样的线面，带PDA或平板电脑进行实物扫描，这时软件可选择关闭设计模型，只显示放样的点、线、面位置，扫描的同时，将放样的点、线、面投影到扫描的实物模型上，可选择水平投影放样平面位置，也可以选择竖直投影放样高程位置，也可以同时显示水平与竖直投影进行三维放样。

本发明测量系统具有以下技术特点：

1、本发明与车载移动测图系统对比，设备携带更方便实时性高，现场可看设计图形及位置，对于道路、桥涵或者其它构造物可以直接导航正确位置测量，施工现场可直接从电脑显示的三维模型上测量结果。

2、可以将设计与实测模型输出到专用的数码立体眼镜上观测与放样；放样时可语音操作PDA或者平板电脑，没有CORS网络地区可以架设基站测量。

3、本系统相比车载测图系统更加灵活，对车辆无法到达地区可以采集不同侧面实体数据，如建筑物的正面、背面、侧面与顶面等，也可以去建筑物内部测量(如果与天空不通视，则设备相位中心坐标采用惯性定位)。

4、本系统需要的硬件系统与车载测图系统相同，软件相对复杂，对电脑处理器要求浮点运算能力强，本系统的GNSS接收机只限于RTK(实时动态Real-Time-Kinematic)测量模式。

附图说明：

图1：本发明三维可视化测量系统功能结构示意图。

系统分十一个功能块，下面分别加以说明：

GPS(GNSS)卫星接收设备：置于设备内部，可以接收美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟的伽利略Galilro与中国的北斗Compass等卫星信号，包括接收天线与预处理模块，通常可接收多星的接收机称为GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)。

内置电台/移动网络信号接收模块：用于接收基站发送的差分信号(需要安装UHF接收天线)或通过移动网络接收差分信号(需要开通CORS)。

RTK数据处理软件：将本设备接收的卫星信号与基站或网络接收的载波相位差分信号进行处理得到设备相位中心大地坐标，通过七参数或四参数计算得到设备中心的当地三维坐标。

惯性定位系统：采集三轴陀螺仪的实时方位与三轴加速度计的加速度值，采样周期与GNSS时钟同步，具有记录三轴方位与加速度值的寄存器。

设备中心三维坐标修正：扫描测距仪测距速度快而GPS-RTK输出设备相位中心坐标时间长，利用惯性定位系统采样的姿态角与加速度计算设备位移修正设备中心坐标，利用三轴陀螺仪计算测距时刻测距仪的水平角、竖角，同时利用三次GPS-RTK输出的位置修正惯性系统的时间漂移误差，对于无法接收到GPS卫星的隧道内只能利用惯性系统计算设备相位中心坐标(限于短期使用)，在隧道内只能利用控制点三维坐标修正惯生定位系统时间漂移误差。

扫描激光测距阵列与3d双摄像机：快速测量目标点与设备相位中心距离，注意测距中心与GNSS、陀螺仪中心不重合，需要利用仪器固定相位中心参数与姿态角计算设备相位中心坐标，所测距离也需要加以修正，仪器GNSS、惯性测量中心与测距中心对于同一设备是固定常数，设备长期使用与振动或大修后参数可能变化，大修后或长期使用与运输后需要经过检正。3D立体摄像机利用其固定位置摄录立体像对；

计算与显示实测的三维模型利用立体像对为实体模型配色彩：利用计算与改正后的设备相位中心三维坐标、设备姿态角、目标点测量距离计算目标点的三维坐标点云并显示三维实测模型，电脑根据立体摄像机图像计算的左右摄像机镜头中心坐标视向为扫描的实体配色彩。

设计构造物的三维建模：利用设计数据建立设计模板或者模型，需要输入特征点的三维设计坐标，采用本设备提供的专用建模软件，可以根据设计所用的建筑材料颜色与设计模板、模型配色。除有设计变更外，建立的设计模板、模型不需要修改，可以一直保存到工程项目的竣工，也可以根据分项工程，建立几个任务各自保存不同的设计与实测数据。

设计与实测模型定位：采用设计模型与实测模型的三维坐标将两模型重合，以不同色区分，可显示设计模型与实测模型的长度与面积及体积之差。

设计与实测模型测量与分析处理：通过显示的设计与实测模型在外业进行量测，包括设计与实测模型的差距，体积计算等。也可以存贮实测模型回到室内从不同角度与方位量测模型。

数码立体眼镜：包括左右显示屏、左右目镜与控制电路，利用兰牙传输将PDA或平板电脑计算后的左眼与右眼视向彩色图像进行显示，因为是立体像对，左右视向的图像不同，左右眼通过放大目镜观测到立体图像，同时观测到显示在立体图像上放样位置标志与编号。

图2:本发明系统俯视示意图。

“设备外观图”从上向下看，包括GNSS接收机(圆形)与惯性定位系统及其控制电路与数据处理模块在下面的方形区内，上面具有整平用的圆气泡，前面是左右双摄像机，中间是扫描测距仪，后面有一UHF天线接口，用于单基站RTK定位方式，底部中心有一螺孔接对中杆，底部有戴头上的金属防电磁辐射罩。

图3:本发明系统侧视示意图。

侧面看本系统，前是立体摄像机与扫描测距仪，后面是可选UHF天线。

图4本发明系统中的数码立体眼镜示意图。

包括左右显示屏，左右目镜与间距调节钮及其标尺，控制电路。

图5：本发明系统中激光扫描测距阵列组件示意图。

测距单元集成一体与测距相位中心成120°的锥形，各个测距单元布置于以测距相位中心等距离的球面上，各测距单元在球面上以等距渐开线布置。

具体实施方式

三维可视化测量系统使用前将设计模型数据通过本系统专用建模软件输入平板电脑。测量人员将本设备戴头上，数码立体眼镜固定在本设备上置于眼前并适当调节，PDA掌上电脑或者平板电脑可手持或者挂身上。GNSS通过接收GPS及其它卫星信号同时连移动网络与CORS或者基站通讯，使用单基站时需要利用内部UHF电台，将本设备GNSS接收的卫星数据与载波相位差分信号通过软件处理得到设备相位中心大地坐标，再利用坐标转换参数精确计算本设备相位中心要当地坐标系统的三维坐标。设备的前置三维激光扫描阵列可以进行无棱镜高速扫描测距，目前三维激光扫描仪每秒可以采集几千个点的三维坐标，但激光测距范围也有限，目前激光扫描仪最大测距1000m，精度达到±1厘米，但陀螺仪测姿态角精度有限，为确保精度本系统扫描测距单元可测量500m距离，默认只采集距离100m范围的三维模型，也可用户设定只采集距设备1m-500m范围的实物斜距，可以将设备带头上进行动态扫描，又可以将设备用对中杆支撑后进行静态扫描，但静态扫描只限于高精度的三维模型数据采集。

设计建模通过自带的建模功能，房屋或者其它结构以三视图方式，桥梁、道路、涵洞、隧道有专用的模板可套用，直接修改数据，需要注意模板与模型区别，本说明书的模板是设计的结构，模板上的数据只有各组件的相对位置尺寸，没有绝坐标，如涵洞设计模板包括1×1、2×2模板，如果将涵洞模板标了具体桩号及坐标与设计高就是设计模型，设计模型可直接套用设计模板，如道路的横向设计可套用横断面标准设计模板，不同的横断面模板之间可用插值生成横断面之间的不同桩号的设计模型，设计建模可以是建立设计模型，也可以建立设计模板，为了使于修改可以先建立设计模板，设计模型直接套用设计模板，修改设计结构只要修改设计模板则套用模板的设计模型会自动修改，除非特定的一个设计结构变更。模板复制与模板保存与任务管理中的任务复制与任务保存一样，模板与模型的扩展各不同，其扩展名由软件开发者指定，说明书不作规定；用户可以选择设计模板的色彩为单色或者彩色，设定为彩色时用户可以根据施工材料选择，如混凝土的灰色与混凝土的条纹等，红土、黄土、灰石、钢筋混凝土中钢筋色，其他金属框架中金属材料色，沥青路面的黑色等。建模软件提供各种建筑材料的色彩与条纹让用户选择，使设计模型更接近真实；本系统提供的标准模板分成房屋建筑、公路铁路建设等几个分类，用户又自己可以建立模板存贮本系统以备后面工程使用。建立设计模板也可以套用CAD的视图，直接利用CAD的dwt、dwg格式生成设计模板，也可以直接利用BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型的设计模型。

激光扫描测距仪采用激光测距模块阵列提高扫描速度，测距传感器越多采样点密度越大，测量速度越快。为了便于说明，本说明书的激光扫描测距仪的测距传感器共画了257个，所有测距传感器共257个模块集成一个与测距相位中心成120°视向的锥形区域，测距传感器按照从中心向外的渐开线步置，在渐开弧线上的测距单元等间距，其中渐开线中心设置一个主测距单元，每个测距单元均有存贮器以存高速测距结果。扫描时本阵列以中心测距单元作360°旋转，步进电机控制转速并计数转角，电机旋转每一步距测量一次距离，根据计数器计算转角。测距单元每秒测量1000个点云数据，步进电机也是每秒1000步进脉冲。快速测距扫描时每秒一周，作每个步进脉冲是0.36°，除中心主测距单元外，渐开线上所有256个测距单元与中心测距单元构成256个同心扫描圆，则每个同心圆间视角60°/256＝0.234375°，每秒采集1000×257个数据，每个扫描周期点密度径向0.84375"，圆周0.36°，在实物扫描时，相对于测距阵列中心点密度大，圆周方向密度低，为了提高圆周方向点密度，采用固定于扫描转轴上不同直径与齿数的齿轮，不同的步进电机，中速扫描每30秒转一周，每秒同样1000点，圆周方向0.012°，但需要30秒才能扫描一幅实物视图；慢速60秒扫描一周，用于高精度静态扫描。

开始作业任务设定后采用控制点作当地坐标系统的校正解算坐标转换参数同时重定向惯性定位系统，如果GPS-RTK已作过当地坐标校正可以通过GPS-RTK设备前后移动的方位与距离自动重定向惯性定位系统，设定三轴陀螺平面正北方位与竖直轴的真水平方向及方位角，让陀螺仪测定的0°指向真北方位，竖直角0°为水平方向，加速度计复位从0秒开始；激光扫描测距阵列沿中心转动，陀螺仪测定的设备水平角与竖直角加上激光扫描测距阵列转动步进电机计数脉冲角度改正后得到的各测距单元的位置计算真水平角竖直角再计算测距点的三维坐标增量，加上RTK测得的设备相位中心三维坐标得到测点云的当地坐标系统三维坐标；通过设备前面的3D摄像机成像，将所测的点三维坐标计算相对于摄像机左镜头与右镜头的视向方位角并计算采集点对于摄像机图像的位置取样测点的颜色，但3D摄像机左右眼光心距离有限，精度低于测距单元采集的点云，对于较远点存在配色误差，随着测量人员走近远处点后配色误差有所降低，测距中心与摄像机光学中心有相位差产生近距离的视差，采用双摄像机利用软件处理减少视差，因设备每采集并计算一个扫描点三维坐标同时根据计算的3D摄像机光心坐标计算扫描点视向方位角并在摄像机图像上采集扫描点所对应的色彩，处理器运算速度要快速，设备通过兰牙传输到电脑中的点云数据就包括了色彩，也就是“四维”数据。根据设计模板数据生成设计模型，根据采集的三维点云生成实体模型，在平板电脑上直接显示设计与目前已施工的实体差距，可直接从两种模型上测量已施工实体与设计的差距多大，使测量变成可视化，设计模型可以根据建筑材料色配色后形成低亮度模型，设计模型与实体模型之差可由自己选择不同的颜色，高亮度显示施工与设计的差距，可以放大、缩小、平移与旋转两模型，利用查询功能再点击模型的各部位查看已施工点位的标高与设计高差。测量人员又可以带平板电脑走动，测量更远的范围或者让开前方有障碍物的施工实体。采用这种可视化测量系统现场放样，先在设计模型上标定放样点位置，例如道路测量可以通过软件在实体模型上生成道路左中右桩号模型上标志所有点位，放样测量时不显示设计模型只显示放样的点、线、面在扫描的实测模型上的水平与垂直投影位置，带平板电脑直接扫描与观测三维模型现场钉桩位，设计位置水平或者垂直投影到扫描实物模型上，可以在实体模型上看到你钉的实桩与设计桩位了，又可以将标定了放样位置的设计模型根据数码立体眼镜左右光心坐标(根据输入到电脑中的数据计算得到)输出到数码立体眼镜中，扫描时用户通过观测数码立体眼镜看到标出放样位置的立体模型，因为眼睛看到的模型上有位置标志，实际放样比观测数据差而移动到放样点的全站仪与GPS-RTK，放样的速度更快。

可以将本设备放在施工机械上，如挖掘机或其它施工机械以指导施工，做到精细化施工提高作业效率。这种系统近距离的测量精度高，远距离则因陀螺仪的系统误差及时间漂移误差影响，精度下降，测量人员可以限制扫描仪距离，设定只采集不超过100m的点云数据，人员带本设备走向较远的点继续采集点云数据。如果需要测量已施工实体与设计之差，近可能靠近测量点位，这时主要误差就是RTK的测量误差，陀螺仪测角误差近距离对点位的影响较小，分段测量后软件可以将分段模型最小二乘拟合后对接处理。

施工放样测量时，用户可选择使用数码立体眼镜更方便，固定在设备上，采用兰牙接收PDA或平板电脑输出的标志了放样点位置的左右眼视图，产生立体效果，进行可视化放样，戴眼镜可以语音控制与操作PDA或平板电脑，就是显示实体模型后，对PDA或平板电脑说“控制”、“设定”后在眼镜显示的图形上显示文字，并显示操作选择项名，说出选择项名前序号即可。平常打开眼镜后，兰牙连结PDA或平板电脑后，输出到数码立体眼镜上只是PDA或平板电脑显示屏内容，并不是立体图像，对PDA或平板电脑用语音说即可操作，如果说“测量”可打开本三维可视化测量系统，本设备与数码立体眼镜已与PDA或平板电脑兰牙连上，显示上次打开的任务，设备采集实物模型，对PDA或平板电脑说出“设计模型”打开设计模型选择顶，说出序号即可打开设计模型，放样时为了便于观测放样点系统关闭设计模型，只显示标志放样点、线、面的位置已施工的实体模型，既可手持PDA或平板电脑放样，又可以通过数码立体眼镜放样，建议采用数码立体眼镜放样，虽然PDA与平板电脑显示的实物模型与现场的实物一样，但受显示器分辨率限制，没有用眼直接观测的实物逼真，随着显示技术提高，采用高分辨率的显示屏，显示效果会有所改善。

本系统测量精度取决于GPS-RTK精度与陀螺仪测角精度及加速度计测量加速度的精度及测距扫描单元精度，RTK精度目前只能达到厘米级，陀螺仪测角精度与时间有关，随着使用时间的延长，陀螺仪测角产生漂移误差，要保证测量精度达到厘米级，陀螺仪角度漂移保证±0.001°/小时，隧道中每工作一小时最好校正一次陀螺仪，露天利用GPS-RTK修正方位误差和加速度计计算的设备位移误差，设备在移动过程中GPS-RTK测量的设备不同位置坐标修正陀螺仪测定的方位误差与加速度计算的位移距离误差。所以这种系统测量中误差就是RTK、陀螺仪测角误差与加速度计测量位移误差及测距误差的平方和再开平方。在隧道内，GPS无法接收到卫星信号，这时只能利用加速度计与陀螺仪确定本设备的相位中心位置，三轴加速度计利用测量的加速度变化与时间两次积分可得出仪器位移的三轴距离与陀螺仪方位变化计算仪器移动后的位置，加速度计同样与存在测量加速度的误差及时间漂移误差，应当每小时与隧道内已知控制点校正一次惯性定位系统的漂移误差，这时中误差就是与加速度计测量误差、扫描仪测距误差，陀螺仪测角误差对测距方位影响的点位误差平方和的开平方。

惯性系统陀螺中心与GNSS相位中心不是同一点位，对于同一仪器是一常数，扫描激光测距仪测距中心与GNSS应该同一位置，但仪器每年也需要检测与校正，3D摄像机左右光心相对于设备相位中心也是固定位置，对于同一设备也是一个常数，随着使用时间延长，这些参数也会变化，所以每年检定一次。

设备的检查与校正，当设备圆气泡居中后GNSS相位中心与陀螺仪中心在一垂线上共轴，如果不共轴需要校正，先检查与校正圆气泡，同经纬仪与水准仪的圆气泡校正程序一样，将本设备架设在光学对中器上，光学对中器的圆气泡与长气泡都已校正，再校正本设备的圆气泡，将陀螺仪角度与加速度计位移复位为零，转动光学对中器180°，加速度计应为零，惯性定位系统测量的位移应该为零，陀螺仪测量的姿态角转了180°。如果相差较大则校正，惯性定位组件有三个校正螺丝，同对点器角螺旋一样可以升降，但圆气泡与惯性定位组件分开，校正惯性组件不影响圆气泡，激光扫描测距仪测距中心与GNSS相位中心重合，检查方法同全站仪检查仪器常数一样，在一直线上先一点，如果直线AB上选择一C点，设备对中杆对中于A点，B与C安放乩板，设备提供，用主测距单元测出AC，AB距离，设备架中间C点，测量BC距离，AC+BC-AB就是测距固定误差包括相位差与测距常数，存贮改正常数测量时自动改正，也可以校正，主测距单元与GNSS中心距离可通过扫描仪后面螺旋转动校正。其它测距单元与主测距单元在一以GNSS相位中心为球心的球面上，通过设备提供一块平面乩牌架设于对点器上，设备也架对中器上，设备与乩板距离约5m，上下调乩板高度，使主测距单元激光点在乩板中心，设备左边与右边与设备约60°方向各架两块乩板，通过主测距单元测量距离，让三块乩板与设备距离相等，再将主测距单元对准中间的乩板，打开检校程序进行扫描，自动计算乩板的距离，左右距离由副测距单位测量其距离应该一样，整平后的乩板上下在一竖直面，自动计算所有副测距单元距离计算误差存贮改正值，也可以手工校正测距阵列的三个螺丝直到误差0；乩牌上带彩色方块，尺寸固定，如果扫描的色块尺寸不同，校正摄像头，双摄像头左右距离可校正固定螺旋，各摄像头上下距离也可校正；数码立体眼镜固定在设备上，其位置固定，其误差影响测量人员的观测视差，但位置误差对视差影响很小，不需要校正，加速度计与陀螺仪的固定误差通过RTK修正，软件自动改正，也不需要校正。

本设备可以录制施工过程的3D立体视频，通过兰牙输入PDA或平板电脑采用左右屏的mp4格式存贮，也可以将3D视频输出到数码立体眼镜观看，数码立体眼镜可以与设备分离后单独挂在头上使用，可以通过语音控制PDA或平板电脑播放、暂停，可以播放3D立体电影，也可以玩专门开发的3D游戏等娱乐，但需要开发相应的软件。

下面以公路路基测量为实例介绍本发明三维可视化系统的实施方式：

如果已完成了道路控制点的复测与联测，将道路的设计模型输入设备中，通过设备系统自带的建模软件输入设计的平面线位数据，包括道路起点桩号方位角，各种平曲线的起点桩号、长度与弯向(左弯、右弯)、圆曲线半径与缓和曲线长度等；也可以采用交点法，直接输入起点、各曲线交点坐标与圆曲线半径及缓和曲线长度或参数、终点坐标；再输入纵向设计元素，包括起点设计高、桩号、纵坡，各竖曲线起点桩号、曲线长、凹凸性、半径，终点桩号等，或者交点法只输入起点设计高与各竖曲线交点桩号与设计高及半径和终点桩号及设计高；输入横向设计模板，包括设计横坡与超高的起终点桩号及超高方式，路面结构层厚度，加宽桩号与加宽渐变方式等，填方与挖方的排水沟设计、边坡及护坡道宽与横坡，有时高填与高挖方分台阶设平台、平台截水沟都需要输入横向设计模板中。平纵横设计模板输入设备后道路的三维设计模板建立了，利用设计模板可计算道路路基的设计高，中线坐标等。可以采用本设备测量道路的平面设计图与纵向设计及横断面图。下面分别介绍本设备如何用于道路测量。

道路断面测量：采用RTK测量断面图，需要开通CORS，如果没有CORS网络只能采用架设基站方法，这与一般的RTK测量一样，事先作点校正求算当地坐标转换参数，需要对控制点，专用支架(强制对中杆)支撑后置平设备，支架可升降可读仪器高，将设备气泡上圆气泡居中，采用RTK测量坐标，采用三个以上的点作点校正，同时校正惯性定位系统的初始角度。装载设计模板，测量人员带本设备沿设计中线方向走动以采集原地面三维点云形成设计的模型，如果旧路改造工程将本设备置于车上同车载测图系统一样。回到室内将采集的设计模板与原地面三维点云合并得到道路的设计模型，可由设计模型计算各桩号的断面，绘制路基平面设计图、纵向设计图、横断面图与工程量表等。这种方式绘断面图采集的点多，因而精度高，计算时可以任意改变间距，如果20m计算一断面，10m或者5m绘制一断面图计算工程量，电子版三维模型可以保存，如果设计变更除平面曲线位置变外直接修改设计模板，对于平曲线变了位置，高差变化大地区需要重新测量原地面。由于RTK高程拟合精度受当地高程异常变化的制约，本系统只适应平原微丘地区断面测量或小范围断面测量。

道路的施工放样测量：开始使用之前需要作点校正，如果基站架设控制点作过点校正，任务已保存，基站架设在同一点或已校正点上，直接打开原任务设定基站而不必作点校正，原参数直接使用，如果采用网络CORS参考站，测区所有控制点校正求算了总的参数也不必校正，打开原任务直接测量，但需要利用RTK校正惯性系统(初始化陀螺仪与加速度计)，将本设备任意置于一个位置，接受RTK坐标，再置于另一个任意位置接受RTK坐标设定惯性系统方位与初始位置。施工放样之前，软件在设计模型上利用设计数据生成设计的桩位桩号，横断面法线方向线等，需要放样的点在模型上以线标出，将数码立体眼镜固定于本设备上，调整眼间距与上下距离，将距离数据输入PDA或平板电脑计算数码立体眼镜左右光心相对坐标，利用兰牙与数码立体眼镜通讯，放样扫描时电脑通过计算显示数码立体眼镜光心视向所看模型的彩色平面图形，测量人员通过左眼与右眼不同的视向平面图形看产生立体效果，如同眼直接观看施工实体相似，带有道路左中右边线与法线方向线及桩号，测量人员靠近“点位”打测量标志桩，同时模型上看到已钉的桩与设计桩位线，当然在模型上也能看到施工人员与位置。带着本设备走动，各桩位设计十字线也随模型移动到测量人员眼前。同样可以在三维模型上生成各百米桩位置放样百米桩，路面车行划线等。施工的实体模型上可以分段计算已完工程量与剩余工程量，可以显示已施工的高程与设计高差。本设备置于平地机、推土机上做精细化施工时，置于施工机械顶只需要PDA或平板电脑不需要数码立体眼镜，如果设备没有驾驶室，可头戴设备采用数码立体眼镜进行施工。放样时需要高速扫描实物，调整扫描测距仪到快速扫描，如每秒扫描一周。

隧道内测量：在隧道内因为无法接收GPS卫星信号，只能采用惯性导航系统计算设备中心坐标，为了减少陀螺仪及加速度计的时间漂移误差影响，每隔固定的时间与洞内控制点校正。在隧道内测量需将隧道设计模型输入PDA或平板电脑中形成设计模型，实测模型与设计模型定位重合后可直接看到隧道施工超、欠挖的位置及范围大小，指导施工修正。

道路的竣工测量：同道路的断面测量一样，道路已完工，本设备可置于车辆上作竣工测量，同车载测量系统一样，存贮数据在室内可以直接绘制道路的竣工图，竣工图直接可以用本系统软件显示3D数字立体模型。

Claims (4)

1.三维可视化测量系统，其特征在于该测量系统包括GNSS接收机、惯性定位系统、激光扫描测距仪、3D数码摄像机、备用GNSS基站及发射电台、带有显示屏的数码立体眼镜以及PDA或者平板电脑；所述GNSS接收机带有移动网络模块与内部电台，所述数码立体眼镜能够固定于设备上也能够与设备分离，所述数码立体眼镜及PDA或平板电脑都带兰牙通讯模块；所述PDA或者平板电脑中带有所述测量系统的数据处理软件。

2.根据权利要求1所述的三维可视化测量系统，其特征在于所述PDA或者平板电脑除了触摸屏手指操作外还带有语音识别软件，所述测量系统的数据处理软件能够进行语音控制，所述惯性定位系统、激光扫描测距仪的数据采集时钟与GNSS时钟同步。

3.根据权利要求1所述的三维可视化测量系统，其特征在于所述激光扫描测距仪的扫描测距阵列绕中心主测距单元作360°旋转扫描测距，各个测距单元除了主测距单元在阵列中心外，从测距单元沿从中向外沿渐开线弧线等间距步置，扫描时测距组件以主测距单元为中心顺时针或者反时针转动，测距与旋转角度大小通过步进电机控制，每个测距脉冲步进一个角度，转动速度能够改变。

4.根据权利要求1所述的三维可视化测量系统，其特征在于所述惯性定位系统采用与GPS‐RTK联合测量方式，所述扫描测距仪进行一次距离测量的同时惯性定位系统采样一次设备的三轴姿态角与三轴加速度值，所述惯性定位系统在一个GPS‐RTK测量并计算设备相位中心三维坐标的数据输出周期内利用陀螺仪三轴姿态角和三轴加速度值计算并修正设备相位中心坐标。