CN103913117B - 一种三维激光扫描仪定位装置和激光点云绝对定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维激光扫描仪定位装置，包括三维激光扫描仪定位基座和两个定位棱镜，两个定位棱镜分别通过定位棱镜连接杆设置在三维激光扫描仪定位基座的两侧，其中定位棱镜连接杆固定在所述三维激光扫描仪定位基座上，两个定位棱镜通过螺口连接设置在定位棱镜连接杆的两端。本发明还提供了一种三维激光扫描仪激光点云绝对定位方法。本发明能够在确保位置和方向传递精度的前提下，简化外业定位数据采集工作的操作流程，方便软件进行快速数据自动匹配和计算，并且使得三维激光扫描仪获得的海量点云数据的拼接和绝对定位不再受计算机性能的局限，本发明还能够直接获得具有与用户工程坐标系一致的三维激光点云数据，从而使用更加方便，定位更加准确和快速。
Description
技术领域
本发明属于三维激光测量和工程测量技术领域，特别涉及一种三维激光扫描仪定位装置和激光点云绝对定位方法。
背景技术
三维激光扫描仪作为一种新型的快速、高精度、高密度测量技术装备，因其可以快速获取物体表面高精度、高密度空间位置点而很快成为一种三维测量和检测的高技术装备。该设备与传统的全站仪相比，其应用上的优势主要体现在对复杂物体表面几何形态信息的快速、全面、准确的获取。与传统全站仪等测量手段一次获取一个物体表面的离散抽样特征点不同的是，扫描仪一次扫描作业，大约3～5分钟，即可获取物体表面数以千万计的空间位置点，这些点在一些专业数据处理软件的辅助下，很容易就提取出物体表面高精度的复杂几何形态特征。
三维激光扫描仪与传统的全站仪相比，测量原理相同之处是同样采用光电激光测距原理测量设备与被测物体之间的高精度距离。全站仪通过光学度盘测量设备与被测物体之间的水平和垂直夹角，扫描仪则通过机械度盘控制水平和垂直夹角。但是全站仪可以很快通过直接测量控制点棱镜来实现全站仪的设站和定向。而扫描仪因为无法单独快速测量一个点或者一个标识实现扫描仪的快速绝对位置设站和定向而使得传统的控制测量原理无法快速易行的在扫描仪上实现，因此导致三维激光扫描仪在做需要绝对定位坐标系统的传统测量作业中，无法在不损耗精度和作业效率的情况下，快速实现绝对定位。
目前通常的扫描仪绝对定位方法是在一次扫描中采用3个以上球形标靶，扫描仪在扫描这些标靶点云数据的同时，采用全站仪或者GPS等传统测量定位方法给这些标靶定位，然后在扫描数据的后处理软件中，在按照标靶点号与扫描点云中的靶球中心人工一一对应后，再手工输入这些靶球的三维坐标，最后点云后处理软件才能根据这些靶球坐标确定的绝对定位坐标系，把整个扫描仪测站的数据转换到这个绝对定位坐标系中。这种方法特点是外业数据采集时需要带至少5个以上标靶或者靶球，每个扫描仪测站至少保持2个靶球不动，并同时布置3个新靶球供下一站进行扫描，外业需要至少2个人以上设置目标靶球。
常规的三维激光扫描仪在做绝对坐标系下测量时，一般先采用相邻测站都必须扫描到的公共标靶或者靶球点进行测站相对坐标系下的点云拼接，然后再在拼接好的加载有所有测站点云数据中进行绝对坐标系的转换。这种方法缺点一是把拼接和坐标转换分成两步走，这样比较费时耗力。这种方法另外一个很大的缺点是整体点云拼接时需要具有很大内存和CPU处理能力的计算机，而且随着扫描测站数量的增多，拼接时间会不断增加，而且能够拼接的扫描测站数量受处理计算机性能的绝对制约。
常规三维激光扫描仪作业最终提供的激光点云数据文件，是通过各站之间的公共目标靶球连接后，建立的一般以第一站扫描仪仪器中心为坐标原点，和扫描仪自身轴系建立的相对坐标系统。而用户在具体测量项目中使用的坐标系统都是通过常规测绘方法(全站仪、GPS、水准仪)建立的测量坐标系统，原点不在扫描仪的中心上，坐标轴方向也不是扫描仪的坐标轴方向。因此，用户在直接使用扫描仪的点云数据获取被测物体表面上在用户工程坐标系下的三维空间坐标时，需要进行比较繁琐的空间坐标传递和坐标系统转换。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种使用方便、能够省时省力的三维激光扫描仪定位装置以及激光点云绝对定位方法。
技术方案：本发明提供一种三维激光扫描仪定位装置，包括三维激光扫描仪定位基座和两个定位棱镜，所述两个定位棱镜分别通过定位棱镜连接杆设置在所述三维激光扫描仪定位基座的两侧，其中所述定位棱镜连接杆固定在所述三维激光扫描仪定位基座上，所述两个定位棱镜通过螺口连接设置在定位棱镜连接杆的两端。
进一步，所述两个定位棱镜之间的距离为0.3-0.8米。这个固定距离既可以保证扫描仪的定位精度，又可以用作测量检核常数，帮助判断全站仪定位此2个棱镜位置数据的准确度，有利于提高扫描仪测站的精度。
进一步，还包括设备保护箱，所述设备保护箱设置在所述两个定位棱镜、定位基座和常规测绘用三角基座的外部。所述保护箱主要为了方便在测量搬站过程，便于快速搬站，并在搬站过程中保护设备。
本发明还提供一种采用上述三维激光扫描仪定位装置的三维激光扫描仪激光点云绝对定位方法，包括以下步骤：
步骤10：将三维激光扫描仪固定在三维激光扫描仪定位装置上，通过三维激光扫描 仪、三维激光扫描仪定位装置和全站仪结合进行外业数据采集，采集所有被测物体的三维点云和全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测物体的三维点云和全站仪特征点计算出被测物体的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果；
其中，所述步骤10中外业数据采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪位置的检测点；
步骤102：在被测量物体前任意位置架设三维激光扫描仪，且该位置与被测物体的之间距离在扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪的激光正对被测物体，在距离所述三维激光扫描仪5-10米的范围内架设半球棱镜；在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；
步骤103：三维激光扫描仪开始扫描，三维激光扫描仪以面向测量的前进方向为准区别扫描仪的左边和右边，三维激光扫描仪的操作屏幕始终位于前进方向的左边；扫三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪按照测量三维激光扫描仪定位基座左边棱镜、右边棱镜和半球棱镜的顺序测量扫描仪的3个绝对定位特征点；
步骤104：全站仪对上述3个绝对定位特征点测量完毕后，整个扫描仪和全站仪1个测站工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200米范围内，全站仪可以保持不动；如果超过200米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤105：重复上述步骤102-104，直至获取所有被测物体的三维点云和全站仪特征点；
所述步骤30中的数据计算模块的计算方法为：
步骤301：后处理软件根据三维激光扫描仪采集的三维点云文件名和全站仪特征点的点号自动匹配数据，并定位出扫描仪的半球棱镜相对于扫描仪的坐标方位角；
步骤302：选取半球棱镜的初略中心位置后；
步骤303：后处理软件根据影像自动识别算法确定半球中心位置，并将半球棱镜中心位置与全站仪的半球棱镜三维坐标进行自动匹配；匹配后，三维激光扫描仪每测站的点中有3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标；
步骤304：根据每测站获得的点云数据中上述303步骤获得的3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标，使用“7参数”坐标转化法计算出每测站获得的点云数据所在的相对任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪原始数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向所在的绝对位置坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到软件输出模块。
进一步，所述步骤102中的半球棱镜为一个直径100-200mm的白色半球体，在白色球体内嵌有测绘棱镜，所述测绘棱镜常数与两个定位棱镜相同，所述半球棱镜的半球体朝向三维激光扫描仪，棱镜面朝向测绘用全站仪。
进一步，所述步骤102中的半球棱镜中的测绘棱镜的反射中心与半球体半球体空间位置的中心一致。
有益效果：与现有技术相比，本发明能够在确保位置和方向传递精度的前提下，简化外业定位数据采集工作的操作流程，方便软件进行快速数据自动匹配和计算，并且使得三维激光扫描仪获得的海量点云数据的拼接和绝对定位不再受计算机性能的局限，技术上可以将任意多扫描测站数据很快拼接在统一的绝对定位坐标系中，从而使用更加方便，定位更加准确和快速。本发明能够直接获得具有与用户工程坐标系一致的三维激光点云数据。
附图说明
图1为三维激光扫描仪定位基座与扫描仪和测绘三脚架连接示意图；
图2为本发明提供的方法流程图；
图3为三维激光扫描仪绝对定位外业测量现场示意图；
图4为半球棱镜示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的三维激光扫描仪定位装置，包括三维激光扫描仪定位基座1和两个定位棱镜2，两个定位棱镜2均采用普通国产测绘棱镜，棱镜测量常数与瑞士徕卡进口圆棱镜的测量常数相同；两个定位棱镜2分别通过精密加工的定位棱镜连接杆3固定在三维激光扫描仪定位基座1的两侧，其中定位棱镜连接杆3固定在三维激光扫描仪定位基座1上，两个定位棱镜2通过螺口连接设置在定位棱镜连接杆3的两端。其中，两个定位棱镜2的中心位置之间的水平距离为0.319米。这个固定距离既可以保证扫描仪的定位精度，又可以用作测量检核常数，帮助判断全站仪定位此2个棱镜位置数据的准确度。在三维激光扫描仪定位装置7和常规测绘用三角基座4的外部设置有保护箱5。保护箱5主要为了方便在测量搬站过程，便于快速搬站，并在搬站过程中保护设备。
如图2所示，采用上述三维激光扫描仪定位装置进行激光点云绝对定位，具体步骤为：
步骤10：将三维激光扫描仪6固定在三维激光扫描仪定位装置7上，通过三维激光扫描仪6、三维激光扫描仪定位装置7和全站仪8结合进行外业数据采集，采集所有被测物体的三维点云和全站仪特征点。其具体采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪位置的检测点；
步骤102：如图3所示，在进行外业测量时，在被测量物体前任意位置架设三维激光扫描仪6，且设置三维激光扫描仪6的位置与被测物体的之间距离在扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪6的激光正对被测物体，在距离三维激光扫描仪5-10米的范围内架设半球棱镜；三维激光扫描仪6和半球棱镜9中间不能有遮挡物，以保证扫描测量数据的精度。其中，如图4所示，半球棱镜9为一个直径100mm的半球体，在半球体内嵌有测绘棱镜，测绘棱镜常数与两个定位棱镜相同，测绘棱镜的反射中心与半球体的中心一致，将半球棱镜9的半球体朝向三维激光扫描仪，棱镜面朝向测绘用全站仪8。在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；测量后视导线控制点、全站仪设站和定向，与常规测绘作业方式相同。
步骤103：三维激光扫描仪开始扫描，三维激光扫描仪以面向测量的前进方向为准区别扫描仪的左边和右边，三维激光扫描仪的操作屏幕始终位于前进方向的左边；扫三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪按照测量三维激光扫 描仪定位基座左边棱镜、右边棱镜和半球棱镜的顺序测量扫描仪的3个绝对定位特征点；并按照以下规则进行命名；假设扫描仪测站点号为“X”，则上述3次棱镜测量的定位点的点号，依次命名为“X1,X2,X3”；
步骤104：全站仪对上述3个绝对定位特征点测量完毕后，整个扫描仪和全站仪1个测站工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200米范围内，全站仪可以保持不动；如果超过200米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤105：重复上述步骤102-104，直至获取所有被测物体的三维点云和全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测物体的三维点云和全站仪特征点计算出被测物体的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；其中，数据计算模块的计算方法为：
步骤301：后处理软件根据三维激光扫描仪采集的三维点云文件名和全站仪特征点的点号自动匹配数据，并定位出扫描仪的半球棱镜相对于扫描仪的坐标方位角；
步骤302：选取半球棱镜的初略中心位置后，点击确定；选取初略中心位置主要是为影像自动匹配算法提供识别区域的起始粗略位置和自动搜索靶球中心的影像范围。
步骤303：后处理软件根据影像自动识别算法确定半球中心位置，并将半球棱镜中心位置与全站仪的半球棱镜三维坐标进行自动匹配；匹配后，三维激光扫描仪每测站的点中有3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标；
步骤304：根据每测站获得的点云数据中上述303步骤获得的3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标，使用“7参数”坐标转化法计算出每测站获得的点云数据所在的相对任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪原始数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向所在的绝对位置坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到软件输出模块。
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的 三维激光点云数据结果。
实施例
2012年9月份杭州地铁1号线即将投产运营前夕，在靠近杭州东站隧道区间，发现管片裂缝渗水，多次修补后仍持续渗漏，工程咨询方需要调查整体管片变形量情况来判断是何因素导致管环破裂。于是第一次是在肉眼观察到的裂缝管环前后各75米处，需要对总计3条共计450米隧道进行全面三维激光扫描。采用本发明提供的定位法3个人仅用了2.5个小时时间，就完成了3条隧道共计450米隧道的全面三维激光扫描检测，其中三维点云间距达到4mm*4mm；第二次业主又要求将扫描检测的范围扩大到以发现裂缝处为中心，每条隧道各扫描1公里，共计3公里隧道，最后也在16.7个小时顺利完成。外业结束后第三天即提交全部检测成果，为业主和咨询方判断隧道全面受损情况并及时采取应急措施赢得了时间。经过专业数据分析，本发明提供的方法的径向直径检测精度优于1.5mm，绝对位置的定位精度优于5mm，该精度还取决全站仪控制点的空间位置精度。
采用上述方法，工作人员能够直接获得具有与用户工程坐标系一致的三维激光点云数据，有效的节省测量和数据转换的时间。本专利申请的专用绝对定位作业方法采用扫描仪与全站仪同步观测的方法，平均每站测量时间小于4分钟，加上搬站和行走平均每站5分钟左右。而常规的扫描仪定位，每站需要摆放3个靶球并用同高棱镜替换测量这3个靶球的空间三维坐标。每站的设站和测量时间至少要增加2分钟以上，并且外业人员要比本专利方法多至少1人以上。内业数据处理的时间至少比原来常规方法节约一半时间。测量的站数越多，线路越长，常规的扫描仪定位工作效率差异越明显。如果采用常规扫描方法检测杭州地铁1号线抢险隧道，第一次的扫描时间会增加至3.5个小时，而第二次则需要23.3个小时时间才能完成全部外业工作。内业数据处理，采用本专利方法平均1个测站数据内业处理需要10分钟时间，而常规方法平均每站需要20分钟以上时间才能处理完毕。
此外，因为本发明中的方法采用的是每测站点云数据单独直接转换到用户工程坐标系的方法，所以内业数据处理的计算机性能要求不会随站数的增加而提高。但是常规内业处理方法，先要将一定数量的测站先在相对坐标系中拼接完毕，即先将所有测站点云数据转换到一个临时相对坐标系下，然后才能输入控制点的坐标将这些测站数据统一转换到用户工程坐标系下。因此常规方法一次拼接点云的测站数量受限于计算机性能。一次能够拼接的测站数量，对计算机性能要求呈线性增加。否则，需要将多个测站分成多个批次进行处理，大大降低内业数据处理的工作效率。
Claims (5)
1.一种三维激光扫描仪定位装置，其特征在于：包括三维激光扫描仪定位基座和两个定位棱镜，所述两个定位棱镜分别通过定位棱镜连接杆设置在所述三维激光扫描仪定位基座的两侧，其中所述定位棱镜连接杆固定在所述三维激光扫描仪定位基座上，所述两个定位棱镜通过螺口连接设置在定位棱镜连接杆的两端；所述两个定位棱镜之间的距离为0.3-0.8米。
2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪定位装置，其特征在于：还包括设备保护箱，所述设备保护箱设置在所述两个定位棱镜、定位基座和常规测绘用三角基座的外部。
3.一种采用权利要求1所述的三维激光扫描仪定位装置的三维激光扫描仪激光点云绝对定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤10：将三维激光扫描仪固定在三维激光扫描仪定位装置上，通过三维激光扫描仪、三维激光扫描仪定位装置和全站仪结合进行外业数据采集，采集所有被测物体的三维点云和全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测物体的三维点云和全站仪特征点计算出被测物体的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果；
其中，所述步骤10中外业数据采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪位置的检测点；
步骤102：在被测量物体前任意位置架设三维激光扫描仪，且设置三维激光扫描仪的位置与被测物体的之间距离在扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪的激光正对被测物体，在距离所述三维激光扫描仪5-10米的范围内架设半球棱镜；在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；
步骤103：三维激光扫描仪开始扫描，三维激光扫描仪以面向测量的前进方向为准区别扫描仪的左边和右边，三维激光扫描仪的操作屏幕始终位于前进方向的左边；三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪按照测量三维激光扫描仪定位基座左边棱镜、右边棱镜和半球棱镜的顺序测量扫描仪的3个绝对定位特征点；
步骤104：全站仪对上述3个绝对定位特征点测量完毕后，整个扫描仪和全站仪1个测站工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200米范围内，全站仪保持不动；如果超过200米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤105：重复上述步骤102-104，直至获取所有被测物体的三维点云和全站仪特征点；
所述步骤30中的数据计算模块的计算方法为：
步骤301：后处理软件根据三维激光扫描仪采集的三维点云文件名和全站仪特征点的点号自动匹配数据，并定位出扫描仪的半球棱镜相对于扫描仪的坐标方位角；
步骤302：选取半球棱镜的初略中心位置；
步骤303：后处理软件根据影像自动识别算法确定半球中心位置，并将半球棱镜中心位置与全站仪的半球棱镜三维坐标进行自动匹配；匹配后，三维激光扫描仪每测站的点中有3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标；
步骤304：根据每测站获得的点云数据中上述303步骤获得的3个在绝对坐标系统下的三维空间坐标，使用“7参数”坐标转化法计算出每测站获得的点云数据所在的相对任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪特征点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪原始数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向所在的绝对位置坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到软件输出模块。
4.根据权利要求3所述的一种三维激光扫描仪激光点云绝对定位方法，其特征在于：所述步骤102中的半球棱镜为一个直径100-200mm的半球体，在半球体内嵌有测绘棱镜，所述测绘棱镜常数与两个定位棱镜相同，所述半球棱镜的半球体朝向三维激光扫描仪，棱镜面朝向测绘用全站仪。
5.根据权利要求4所述的一种三维激光扫描仪激光点云绝对定位方法，其特征在于：所述步骤102中的半球棱镜中的测绘棱镜的反射中心与半球体空间位置的中心一致。
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