CN103983255B - 用于测量和远程控制的移动场控制器 - Google Patents

Abstract

能够手持的用于测量和远程控制的移动场控制器，该场控制器与具有距离测量功能和方向测量功能的大地测量装置一起形成用于位置的大地测量确定的单人测量系统，其中，场控制器具有控制和评估单元，其具有数据接口和允许确定场控制器空间方位的装置。场控制器还具有：壳体，其支承能够被测量装置瞄准的大地测量目标对象，特别是回射器；以及例如用于电光或电声距离测量的距离测量单元，通过该距离测量单元，可以测量场控制器和待测量的及可被场控制器光学标记的目标点之间的距离或场控制器和特定区域内的多个点之间的距离，使得在不接触正在建立的目标点接触的情况下生成3D点云。当测量特定地形区域时，在控制和评估单元中保存允许针对确定要运送的特定距离来根据几何方面分析测得的3D点云和/或数字相机的对应图像的算法。从场控制器的空间方位、场控制器和目标点之间的距离和大地测量目标对象的绝对位置数据计算目标点的绝对位置，或者被发送到外部单元以计算。

Description

用于测量和远程控制的移动场控制器

技术领域

本发明涉及一种可以手持的移动场控制器，根据权利要求1的前序部分描述，该场控制器和一个可以远程控制的大地测量装置一起组成用于大地测量的系统。

背景技术

自从古代开始，已知用于勘测一个目标点特别是多个目标点的多种大地测量装置。这里，从绝对位置已知的测量装置到待测量的目标点的距离和方向或角度被记录为空间标准数据。这类大地测量装置的众所周知的现代示例是视距仪和全站仪，也被称作电子视距仪或电脑视距仪。现有技术中的大地测量装置在例如EP1686350的文献中进行了描述。

发明内容

通常会出现的情况是由于障碍物阻挡了视线导致测量装置不能直接地瞄准目标点，例如，界标。因此，在许多大地测量应用中，依靠在目标点上放置的特别实现的目标对象来测量该目标点。根据现有技术，这些目标对象包括作为对象支承件的测竿(rod)组成，所述测竿具有可被瞄准的标记或作为瞄准对象的回射器。基于测量的目的，这个带有目标点的垂直测竿(plumb rod)的末端与地面接触并且保持正交以确定方向。这样，为了确定距离，通过将测竿围绕其纵轴旋转的方式使测竿水平对准，使得标记或回射器将测量装置发出的光信号反射回所述测量装置。另选地，使用360°反射器，这种反射器从任意水平准线将发出的光信号反射回去。这个过程需要两个用户：一个用户操作测量装置，另一个用户放置并扶住目标对象。

为了让用户自己能够进行大地测量，根据现有技术的全站仪采用了使目标光学单元机械化、自动目标搜寻和跟踪并且远程控制整个设备的手段，这样做的结果是使得测量可以在目标点处通过适合的远程控制单元来执行测量。现代全站仪还包括用于对已记录的测量数据进行进一步的数字处理和存储的微处理器以及用于与诸如数据记录装置的外部周边组件建立无线连接的无线数据接口，特别地，其可以实现为场计算机。利用该数据接口，全站仪能够发射记录和存储的数据以在外部进一步处理，将外部记录的测量数据读入全站仪以储存和/或进一步处理，输入或输出远程控制全站仪或其它外部组件的远程控制信号(特别是在移动场应用中)。现代的装置可以包括与目标方向对准的照相机以记录图像，其中，被记录的图像可以在显示/控制单元的显示器和/或在诸如场计算机的用于远程控制的外围装置的显示器中显示为实时图像。

在此，特别地，目标反射器可以通过在远程控制单元的显示器上向用户显示的实时图像来瞄准。因此，用户能相应地将全站仪与基于实时图像并从其中确定的期望的目标对齐。

在现有技术中，适用于远程控制的合适的外围设备具有用于与全站仪或其它外部设备无线通信和数据传输的无线数据接口以及具有适合的控制软件的控制单元。接收到的数据可以通过评估单元进行评估并且通过如电子显示器的输出单元向用户显示。此外，用户能够通过诸如键盘或触摸显示屏等输入单元与远程控制单元通信并进而与测量装置通信。因此，用户可以从待测量的目标点进行初始化并执行测量，并记录测量的结果。通过全站仪、场控制器或外部存储器中的存储，可以在以后对数据进行访问。这种装置的示例是莱卡地理系统(Leica Geosystems)生产的场控制器CS10和CS15。

单人操作的测量系统通过组合大地测量装置、远程控制单元和目标对象支架而获得。在这种情况下，目标对象支架通常也用作远程控制单元的支架，即，场控制器可以通过合适的固定器附接到垂直测竿。

总体而言，将这种测竿用于大地测量的缺点是运输和携带通常长度超过两米且笨重的测竿对于用户来说是很麻烦的，并且在诸如林地的难以通过的地形中非常费力。此外，对于用户来说，垂直地竖起测竿需要消耗一定的时间并且在测量过程中使测竿保持垂直非常费力。测竿在目标点上的不正确设置是错误确定位置的原因。

另一个缺点是，大地测量中的目标点可能在测竿无法在该目标点上垂直定位或根本无法接触到的位置，例如，目标点在一个建筑物的角落，或者在全站仪和目标对象间存在如灌木和树木等可见的障碍物，或者用户无法进入目标点周围区域等。上述几种情况下需要特殊的测量方法，这样也会额外增加时间。

US6381006B1公开了一种使测量难以接近的目标点成为可能的方法和相应的装置。为了这个目的，垂直测竿配备了至少两个传感器元件，通过一个或更多个例如大地测量装置的参考站来确定所述传感器的绝对位置。此外，垂直测竿具有距离测量装置，该距离测量装置用于测量该距离测量装置和待测量的目标点之间的距离。传感元件和距离测量装置的相对位置以及距离测量的方向使已知的。因此，通过测得的距离和测得的传感器元件的绝对位置，可以来计算目标点的绝对位置。

然而，这种方法并不能避免上述使用垂直测竿的缺点。此外，需要至少两个传感器元件来确定绝对位置也是不利的，为了足够的分辨率精度，这两个传感器元件间必须具有某个最小距离。因此，垂直测竿变得更为笨重，US6381006B1也指出了这点，即，需要根据重量分布来确保平衡地布置组件。

US5903235公开了一种可手持的大地测量装置，使用该装置，可以在不使用具有距离和方向测量功能的大地测量装置且不使用垂直测竿的情况下进行测量。这里，待测量的目标点通过例如激光指示器的指点单元来瞄准。首先通过使用集成的距离测量单元来测量在限定的方向上装置和目标点之间的距离来建立测量装置相对于目标点的位置。在此种方式下，由于集成了确定相对于重力矢量的倾角的部件，所以不需要将装置垂直对准目标点。测量装置的绝对位置由GNSS接收单元来确定，结果，最终可以通过前述的测量方法来计算出目标点的绝对位置。因此，采用该方法可以不必搬运垂直测竿，并且可以测量垂直测竿不能物理接触的目标点。

然而，即使在使用校正信号时，与基于距离和方向测量功能的使用的相应大地测量装置相比，基于GNSS的系统仅能提供较不精确地确定目标点的位置。此外，确定位置一定要接收到足够数量的GNSS信号，但这种情况并不一定都能满足，如在隧道中或者在狭窄的街道中。

因此，本发明的一个目的是提供一种可以手持的装置，该装置是通过将大地测量目标对象和具有距离和方向测量功能的大地测量装置一起基于距离和方向测量来实现目标点大地测量的系统。

本发明进一步的目的是提供一种可以手持的装置，通过该装置，大地测量可以在不与目标点或者非常靠近其的地形点进行接触的情况下，特别是不使用垂直测竿的情况下执行大地测量。这里，地形点也被理解为表示人类建造的物体(如建筑物)上的点。

根据本发明，这些目的通过独立权利要求中的技术特征来实现。以另选或有益的方式发展本发明的特征可以从从属权利要求中得到。

本发明的主题是可手持的移动场控制器，该移动场控制器可用于大地测量装置特别是全站仪或视距仪的远程控制，该移动场控制器包括距离和方向测量功能，使得在不需要和目标点或者非常靠近目标点的地形点发生接触的情况下由一个用户单独通过距离和方向测量功能来实现大地目标点的位置测量。目标点可以被根据本发明的场控制器光学地标记。

该场控制器还包括控制和评估单元，该控制和评估单元具有用于引导用户的输入输出装置，更具体地，电子显示器，该电子显示器可以是触摸敏感的。在此情况下，输入输出装置的大部分应用于壳体的正面。此外，该场控制器具有用于数据传输的组件，更具体地，用于远程控制测量装置并从测量装置接收数据的无线数据接口。

根据本发明，该场控制器具有大地测量目标对象，该大地测量目标对象可以被大地测量装置瞄准，并且该大地测量目标对象的目标位置可以利用基于方向和基于激光光束的距离测量由测量装置非常精确地确定，特别地，其中，所述目标对象被设计为回射器。

根据本发明，该场控制器还包括可手持的壳体。该可手持的壳体是大地测量目标对象的支架。为此，该壳体具有可以确保目标对象和该壳体之间永久连接和满足野外使用要求的特征。根据本发明的场控制器的实施方式，所述壳体和所述目标对象组成一个单元，因此不能从所述壳体移除所述目标对象，或者最多出于维护的目的而移除。另选地，该场控制器以如下方式实现，即，以可更换的方式将目标对象固定在壳体上，使得可以将不同的目标对象实施方式固定在壳体上。取决于根据本发明的场控制器的实施方式，目标对象被直接固定在壳体上或固定在对应的凹处，或者通过被固定到壳体的连接物而被壳体支承，所述连接物特别是长度为5cm至25cm的间隔固定器。根据场控制器的实施方式，所述间隔固定器同样可以更换，特别地，其中所述间隔控制器具有编码，所述控制和评估单元可以通过该编码而自动识别所述间隔固定器的长度。

根据本发明的场控制器包括距离测量单元，更具体地，通过电声或电光方法测量距离的单元，通过所述距离测量单元，可以不接触地测量场控制器和至少一个地形点特别是至少一个目标点之间的距离。例如，根据本发明的距离测量单元可以实现为激光测距仪，其中激光器优选地发出可见光，结果，目标点也可由激光测距仪光学地标记。在特定的场控制器实施方式中，如果测量方向不是预先设定而是可以更改的，则相应的测量方向由所述距离测量单元确定。

根据本发明，大地测量目标对象和距离测量单元相对于场控制器的参考点的空间位置是已知的，并且存储在控制和评估单元中，或者所述位置可测量并且能保存在控制和评估单元中，所述场控制器的参考点即场控制器内部参考系统。

距离测量单元和大地测量目标对象在壳体中或壳体上的布置按照确保对场控制器的符合人体工学的使用的方式构造。根据本发明，距离测量单元或者至少距离测量单元的信号发送和接收部分以及大地测量目标对象被优选地布置于壳体的除壳体正面以外的其它面上，以使得用户可以在目标点处舒适地握住场控制器，并且同时可以光学地标记被测量了到场控制器的距离的目标点，并且可以通过测量装置瞄准目标点，特别是如果目标点是地面上的一个点。优选地，根据本发明，目标对象和距离测量单元不被布置在壳体的同一侧。由于靶向性(targetability)的原因，优选将目标对象布置得尽可能地远离地面，因此目标对象被固定到被定义为“顶部”的壳体一侧或者被固定到定义了“顶部”的区域中的壳体一侧，而距离测量单元则优选地被布置在相反的“底部”壳体侧或壳体侧区域，这是因为通常被测量的点位于地面上。

根据本发明，出于符合人体工学操作的目的，在重量分布方面，各个单元按照使得场控制器的重心位于其纵轴上并靠近用户抓住场控制器的壳体中心的方式布置在壳体内或壳体上。为此，特别是较大的回射器，由于其具有相对大的重量，因此将其固定在壳体上，使得在一般用户操作该场控制器时其力矩相对于壳体中心较低。这是通过靠近壳体的布置和/或使回射器的重量矢量具有朝向场控制器的其余部分的重心的方向的布置而实现的。为此，回射器例如可以被固定至一个壳体侧，使得所述回射器的纵轴与所述侧平面形成明显小于90°的角(如45°)。在根据本发明的场控制器的一个特殊实施方式中，大地测量目标对象通过关节而固定至壳体，使得大地测量目标对象的纵轴的校准至少在一个方向上的特定角度范围内可变，以便于设计出在重量分布和/或靶向性方面可由用户优化的装置。特别地，在此情况下，所述关节具有位置传感器，该传感器测量纵轴的对准以便使确定大地测量目标对象相对于场控制器的参考点的空间位置成为可能。

此外，所述场控制器具有使其能够通过所述场控制器自身或者通过在具有大地测量装置的系统中确定所述场控制器的自身空间方位的特征。具体地，根据本发明的场控制器因此具有倾斜传感器或加速计和/或可被测量装置光学观测到的单元，利用该单元，通过与例如激光光束的参考对准相比较，可以至少部分地确定所述空间方位。

可以采用所述场控制器的已知空间方位使得能够更少限制地操作具有根据本发明的场控制器的特殊实施方式的装置，其中，所述场控制器具有多个大地测量目标对象。为此，优选地，分别将一个大地测量目标对象附接到所述壳体的每一侧。由于通过所述空间方位还知道相对于测量装置的对准，因此可以仅存在瞄准目标对象的唯一对准。

因此，瞄准不同的目标对象不构成位置信息的丢失，使得可以改变所述对准，或者使用合适的测量装置，可以自动地选择可以最佳地瞄准的目标对象。

根据本发明，所述控制和评估单元被设计成为使得除了在开始时手动地设置所述测量装置以外的用于位置测量所需的所有步骤可以利用保存的程序以手动或自动的方式由所述场控制器触发、控制和监测。根据本发明，所述控制和评估单元优选地被设计成使得所述控制和评估单元记录和/或提供并评估用于计算目标点的位置所需的全部(测量)数据，并且在仍然在测量地点时向用户输出并保存目标点位置信息。

在目标点的地点使用所述场控制器来进行大地测量是可能的。在这种情况下，在安装所述测量装置后仍需要向所述测量装置提供控制指令，这些指令可以通过所述场控制器以手动或自动的方式无线地传输。出于测量的目的，携带场控制器的用户进入目标点或其附近。至少一个目标点被场控制器光学地标记。目标点的大地测量坐标基于稍后将要描述的三次单独测量来确定。

一个测量确定目标点和场控制器间的距离。这应被理解为表示目标点与场控制器内部参考系统的点之间的距离。如果测量方向未预先限定，则附加地确定所述测量方向以唯一地确定目标点相对于参考系统的坐标。第二个测量确定场控制器的空间方位，即，倾斜角、横滚角、偏转角或方位角，由此确定参考系统相对于绝对的外部参考系统的空间方位。第三个测量由测量装置执行，作为该测量的结果，确定了大地测量目标对象在绝对参考系统中的位置。目标点的绝对位置是利用使得知道大地测量目标对象在场控制器内部参考系统中的位置的场控制器的已确定的空间方位以及目标点到场控制器的距离而从大地测量目标对象的绝对位置计算得出的。

在根据本发明的场控制器的另选实施方式中，所述场控制器被设计为不测量从要测量的个别地形点到场控制器的距离，而是建立特定连续区域内围绕地形点的3D点云。因此，存在如下不同的实现选择：

·如果连续记录测量值，则在最简单的情况下，只要用户同时在一个特定的区域内移动场控制器就可以了。地形点的绝对位置数据的许多个别项被控制和评估单元组合而形成3D点云。

·在距离测量单元的高级实施方式中，距离测量单元被设计成激光扫描仪，该激光扫描仪例如通过利用被移动的镜子引导到所限定的连续区域的激光束而在方向和距离方面测量所述区域内的大量地形点，并且将该区域存储成3D点云。

·另选地，距离测量单元可被设计成用于记录三维图像的距离图像(RIM)相机，该距离图像相机分别向特定视场中的许多像素赋予深度信息，由此产生3D点云。

·3D点云也可以通过立体相机、轻结构的3D扫描仪或现有技术中的更适合的装置或各种装置的组合来产生。

因此，根据本发明，3D点云可以整体上作为绝对项参考。在上述实施方式的第一变型例中，由于点云由许多已绝对参考的点组成，这将自动发生。在其它选择中，这通过使用一个或更多个绝对位置测量和方位确定的值进行计算而发生。例如，如果在小空间内进行测量的情况下许多目标点彼此靠近，则可能需要上述步骤。

此外，3D点云可以这样来评估，即，可以关于内部参考系统来确定目标点的坐标，作为直接位置测量的另选方式。根据本发明，在此情况下为了评估3D点云，在根据本发明的场控制器的另选实施方式的控制和评估单元中保存适合的算法。使用该算法，可以识别特定的几何地形特征，例如地平面或由房屋墙壁形成的平面。特别地，存储算法，通过所述算法，可以发现例如直线等的特定的几何基本形状，这些形状可被赋予诸如街道或房屋墙壁等特定的地形。这样，可以将例如房屋角落的目标点识别为由房屋墙壁形成的两个平面与由地面形成的平面之间的交点。利用所识别出的采用的目标点的距离测量数据，通过扫描或RIM数据，这样的目标点的内部参考系统坐标可以显现。例如，如果不存在目标点的立即可用的数据并且如果地形在围绕目标点限定的小空间区域内不具有中断，则该区域内的地形点的测量数据也可以用作目标点坐标，或者目标点的坐标可以从周围点的坐标中插值得出。

另选地，根据本发明，在对3D点云进行几何图像分析后，可以利用拟合的几何图形的外推(例如作为路径的外推点)或者利用被认为具有特定的几何特性的目标点等来计算目标点坐标。例如，可以将房屋的角落认为是由两个墙壁和地面形成的三个平面的交点。因此，基于3D点云的测量数据来计算提供了与测量数据的最优拟合的三平面等式，并且计算三个平面的交点。计算出的坐标被输出为目标点坐标。

如果根据本发明的场控制器还具有记录与扫描区域或视野相对应的2D图像的数码相机，则可以使用创建的目标点坐标在控制和评估单元的电子显示器上输出2D图像，其中将目标点叠加在2D图像上以使得目标点被光学地标记。用户可以发起与此相关的输入，例如数据存储、数据校正或触发进一步的测量。例如，RIM记录可以用于第一次的粗测以识别目标点，以便于随后在用户进行目标点选择，特别是通过触摸屏的方式选择后，通过激光测距仪进行第二次更为精确的距离测量。

如果根据本发明的场控制器包括2D相机，也可以容易地通过距离测量单元采用2D图像上叠加显示距离测量单元的当前目标点的标线(reticle)的方式执行目标点的光学标记。为此，相机轴和距离测量单元的测量轴之间的偏移量必须是已知的。如果根据本发明的场控制器具有测量方向可更改的距离测量单元，则为了将测量方向与目标点对准，用户可以通过将距离测量单元和相应的控制机构耦接起来的方式反向应用标线显示。

由控制和评估单元创建的其它的点或几何图形也可以叠加在2D图像上。这些点或图形也可通过对2D图像自身的图像处理来创建。为此，存储了例如霍夫变换或边缘提取等用于数字图像处理的算法，算法根据几何形状分析图像数据并从图像数据计算例如交点。所述交点可以是要探索的目标点，所述目标点的距离可以通过例如激光测距仪等装置自动测量。另选地，可以在显示器上显示一个或更多个计算出的点，使得用户手动选择用于确定距离的可能目标点，或者用户可以监测并且选择性地校正拟合的几何图形。

附图说明

下面将基于在附图中示意性地示出的实施方式和应用过程来更详细地描述。具体地：

图1示出了使用根据现有技术的单人测量系统的大地测量，该单人测量系统包括可远程控制的测量装置、垂直测竿和场控制器；

图2示出了使用单人测量系统的大地测量，该单人测量系统包括可远程控制的装置和根据本发明的场控制器；

图3a示出了使用包括大地测量装置和根据本发明的场控制器的系统的大地测量的个别测量的图；

图3b示出了使用根据本发明的场控制器的大地测量的示例性时间表；

图4a至图4c示出了根据本发明的场控制器的两个示例性实施方式；

图5a至图5b示出了根据本发明的使用大地测量目标对象和距离测量单元在壳体上或壳体内的不同的布置和设计的两个应用示例；

图6a至图6c示出了根据本发明的包括数码相机、用于创建3D点云的距离测量单元和具有保存的用于分析3D点云的算法的控制和评估单元的场控制器的应用和评估示例；以及

图7a至图7b示出了利用根据本发明的包括数码相机、用于创建3D点云的距离测量单元和具有保存的用于分析3D点云算法的控制和评估单元所述的场控制器来评估数据以测量距离的进一步示例。

具体实施方式

图1示出了使用根据现有技术的单人测量系统的大地测量的示例。在架设并对准全站仪11后，将用于支承反射器13和场控制器14的具有已知长度的垂直测竿12运送到待测量的目标点15。使垂直测竿12与目标点15正交。随后，通过远程控制器16以手动或自动的方式触发将由全站仪11执行的距离和方向测量，具体地，发送和接收用于距离测量的激光光束17。从测量到的绝对反射器位置和已知的反射器/目标点距离来计算绝对目标点位置。

图2示出了使用包括全站仪21和根据本发明的场控制器22的单人测量系统的大地测量。架设和对准全站仪的方式与现有技术一致。与根据图1中的测量系统相反，由于根据本发明的场控制器22，无需再将笨重的测竿运送到测量点。此外，这样的测竿无法被正交地放置在作为房屋角落的示例性目标点23。在示出的示例中，并不要求在目标点23上垂直地对准根据本发明的场控制器22(即，垂直对准场控制器22的纵轴24)，这是由于测量用于计算目标点位置所需要的场控制器22与目标点23之间的距离的距离测量单元25的测量方向不必与重力矢量平行，而是原则上可以具有任意的方向。仅需要知道测量方向从而用于计算位置即可。类似地，根据本发明，由于大地测量对象26不与纵轴24对准而是在已知的与纵轴24倾斜的方向上对准(未在图2中示出)，所以可以避免在目标点23上进行正交对准。对根据本发明的场控制器22的位置和空间方位的唯一要求是大地测量目标对象26可以被全站仪21瞄准并且距离测量单元25可以在目标点23的方向上测量。如果场控制器22被这样定位，则可以利用场控制器22和安装的远程控制器27完全从该位置进行测量。

图3a示意性地示出了使用包括例如全站仪的根据现有技术的大地测量装置320和根据本发明的场控制器300的系统确定目标点350的位置的大地测量的个别主要阶段。为了计算目标点350的绝对位置，原则上需要向控制和评估单元310提供场控制器300与目标点350之间的距离或目标点350相对于场控制器300的位置的数据301、关于场控制器300空间方位的数据303以及关于目标对象312的绝对位置的数据302。为了清楚起见，未示出从控制和评估单元310到距离测量单元312、到可被光学瞄准的单元313以及到测量装置320(根据设备配置，有可能需要)的例如控制信号的数据传输。

大地测量目标对象312的绝对位置是到外部绝对参考系统的连接点。该位置通过利用根据现有技术的大地测量装置320的位置测量来确定，其中，相对于测量装置320的已知绝对位置，测量装置320测量了方向角并通过对测量装置320发射的激光束321的运行时测量和/或相位测量而测量目标对象312的距离。大地测量目标对象312的绝对位置从角度和距离以及测量装置320的绝对位置信息计算得出。该计算通常在测量装置320的评估单元中发生，然后测量装置320将大地测量目标对象312的绝对位置数据传送到场控制器300的控制和评估单元310。然而，根据本发明，也可将测量数据传输到场控制器300的控制和评估单元310，然后在该单元中计算出目标对象312的绝对位置。

根据本发明，场控制器300的内部参考系统被连接到该绝对位置。因此，在该参考系统内，大地测量目标对象312的位置是已知的，或者如果在场控制器300的特定实施方式中相对于壳体并进而相对于参考系统的对准可以改变，则大地测量目标对象312的位置可以通过场控制器300中的相应的角传感器测量。

为了唯一确定内部参考系统相对于绝对参考系统的位置，额外地需要关于内部参考系统的对准的知识，即，关于场控制器300空间方位的知识。根据本发明，这些方位数据303通过内置于场控制器300内的特别是与一个或更多个陀螺仪相组合的倾斜传感器和/或加速计314测量俯仰角和横滚(roll)角来确定。未知的偏转角可以通过例如罗盘并且特别是可包括在根据本发明的场控制器300内的陀螺仪的组合来确定。

附加地或另选地，倾斜角和/或偏转角可以通过测量装置320使用场控制器300的可被光学瞄准的单元313来确定。例如，单元313被设计成事先已知的光学图样，该光学图样的自然发出的光辐射322被位于测量装置320内的相机记录为图像，通过将记录内容与存储在测量装置内的相关图样进行比较，可以确定对准角度。

在根据本发明的场控制器300的另一个实施方式中，可光学瞄准的单元313设计成激光光束入射方向确定单元，该单元建立激光光束321a的入射方向，该方向可与测量装置在限定方向上发出的激光光束320一致。因此，所述可光学瞄准的单元可与大地测量目标对象建立关联。WO01/09642A1描述了这样的回射器，其包括一个开口，由测量装置发出的激光束的部分可以通过该开口并入射到光敏位置传感器上。另选地，入射激光光束入射方向确定单元例如可以被配置成包括多个检测区域的激光光束检测器，这些检测区域将记录区域分割成多个局部记录区域。激光光束在检测器上的入射点可以基于在检测区域内接收到光束而确定。每个检测区域与一个局部记录方向相对应的平面角关联，结果，可以确定场控制器的俯仰角和偏转角(相对于绝对参考系统的参考)。

如果测量是在用户以定义的垂直对准的方式拿住场控制器的条件下进行的，则场控制器可以具有简化的实施方式，并且确定方位的过程也可以简化地进行。在这样的实施方式中，根据本发明的场控制器只需要具有简单的倾斜指示器(例如，机械倾斜水平仪)作为用于确定对准角的传感器，通过该指示器，可以检查垂直对准。如果距离测量单元被设置成使得其测量方向与垂直对准不一致，而是与垂直对准形成特定角度而使得目标点不与大地测量目标对象位于公共的垂直轴上，根据本发明的场控制器可以具有用于确定方位角的传感器，例如，罗盘。然后，只需要在测量过程中从方位数据303确定对准角即可。

从前述的被传送到控制和评估单元310的数据302和303，控制和评估单元可以据此计算绝对的外部参考系统和场控制器300的内部参考系统之间的唯一的转换指令，结果，目标点350的内部坐标可以被转换成绝对坐标。

目标点350的内部位置(即，目标点350/场控制器300距离)被距离测量单元311确定，该距离测量单元311在内部参考系统中的位置和对准是已知的。所述距离测量单元通过沿已知的测量轴发送和接收测量信号311a(特别是激光光束)来测量目标点350与距离测量单元311之间的距离。在场控制器300的其中测量轴方向可变的实施方式中，该测量轴方向也被确定。

场控制器300与目标点350之间的距离或相关目标点位置数据301被发送到控制和评估单元310，控制和评估单元310基于转换指令将这些数据转换成目标点350的绝对坐标。

图3b示例性地示出了采用根据本发明的场控制器以及大地测量装置的大地测量的时间表。在架设并初始化测量装置(30)后，用户将自身和场控制器定位在目标点处(31)。这里，采用前述方法中的一种将目标点光学标记并且用距离测量单元瞄准该目标点(32)。同时或随后，大地测量目标对象被测量装置瞄准(33)。如果测量装置具有跟踪功能，则只要在大地测量目标对象和测量装置间存在视觉连接，瞄准也可以连续进行。

当然，为了正确地创建目标点坐标，场控制器的相同位置和方位必须作为方位数据、目标对象位置数据和目标点距离数据的个别测量的基础，即，在测量过程中不能移动场控制器。为了达到这样的目的，测量过程应当进行得尽可能地短，这也是多个测量同步进行的原因。为此，向测量单元输出触发信号(34)，该触发信号由用户、控制和评估单元或多个测量单元中的一个来触发。这触发了场控制器的距离测量单元对场控制器与目标点之间的距离或目标点相对于场控制器的位置(35)、场控制器和/或大地测量装置对场控制器的空间方位(36)以及大地测量装置对目标点的绝对位置(37)的同步测量。例如，用户可以使用场控制器对目标点进行光学标记，随后通过输入装置向控制和评估单元发送触发同步测量的启动信号。

因为即使在非常短的测量过程中手持装置也不能被保持为完全不动，所以可以提供对这样的波动的补偿(抖动补偿)。这可以通过如下方式产生：在测量过程中，在很短的时间(例如5秒钟)内由各个测量单元记录多个测量值，然后分别使用这些测量值形成平均值。这在根据现有技术的各个测量单元中很容易实现，或者是在使用全站仪进行距离测量时的常规步骤。另选地，也可以在不同情况下从各个测量单元的多个个别测量值来计算多个目标点坐标并随后从所述目标点坐标来形成目标点坐标平均值，以此代替对各别测量单元的测量结果取平均值并从所述平均值确定目标点坐标的方式。为了补偿由于通过按下按钮来手动触发测量过程而产生的场控制器的波动，启动测量过程的触发可以在延迟时间后发生，以使用户有时间重新保持装置平稳。

附加地或另选地，场控制器和测量装置可以装有同步时钟，特别是基于GNSS的时钟，使得个别测量数据可以在时间上标记(38a)。这使得可以通过连续且不同步地发生的个别单元的测量而使得执行测量，使得触发单元变得不必要。如果提供了足够高的测量频度和时间重叠，则可以将短暂的限定的时段内的测量数据视为一个整体，并且可以从这些测量数据来计算目标点坐标。另选地，可以在共同的基准时间上对测量值进行插值或外推。基准时间可以独立地预先限定(例如，由控制和评估单元等集中地限定)，或者可以由多个测量单元中的一个的测量值的记录时间确定。在后一种方式中，优选由于无法估算数值曲线而不便使用外推或插值的测量单元或外推或插值最不确定的测量单元。

得到的数据被发送到控制和评估单元(38)。控制和评估单元从所有数据计算目标点的绝对坐标和/或向外部装置发送这些数据和/或计算出的坐标(39)。为了检查建立的(位置)数据，这些可以在场控制器的显示器上向用户显示。此外，场控制器中可以配备GNSS接收器，从而可以对所建立的位置数据进行近似真实性检查。

图4a示意性地示出了根据本发明的场控制器的示例性实施方式。轻便的壳体400可以在其正面具有带有电子显示器401的评估和控制单元(显示器401可以采用触摸式设计)和用作(另外的)输入装置的键盘402。此外，场控制器具有用于特别是与全站仪的远程控制装置进行数据传输的无线天线403、以及另外的数据接口(例如USB连接器404)。场控制器还具有用于确定空间方位的单元405，单元405例如被设计成3轴MEMS加速计或具有液体水平(1iquid horizon)的倾斜传感器，此外还包括罗盘406。回射对象407位于壳体400上，该回射对象407例如被设置成一个粘附的圆柱体，该圆柱体侧面上粘有回射膜。反射器圆柱体的相对于场控制器的内部参考系统的尺寸和位置被限定，并且已存储在集成到壳体400内的评估和控制单元中。距离测量单元408位于壳体的下端，该距离测量单元例如是包括激光指示器或激光测距仪的超声波测距仪，其中，激光光束409相对于壳体的方向可以通过例如镜面排列等枢轴元件(pivot element)改变，因此可以从场控制器不同的空间方位标记和测量特定的目标点，并且用户可以选择一个对他来说方便的测量位置。距离测量单元408相对于内部参考系统的零点位置和可选的测量方向被限定或可测量。

图4b示意性地示出了根据本发明的场控制器的另一个示例性实施方式。与图4a中的实施方式相反，壳体支承附件(间隔固定器451)上的棱镜反射器450，其中，反射器450的纵轴452在中央延伸到壳体的正面，与壳体400的纵轴平行并且尽可能地靠近壳体400的纵轴。反射器450的相对位置被限定，并且或是预先存储在集成到壳体400中的评估和控制单元中，或者可以由用户保存。场控制器也可被设计成具有可更换的反射器450或间隔固定器451的单元，以便于能够以简单的方式适于不同的测量环境。在这种情况下，例如ID芯片的发射器可以安装在反射器450或间隔固定器451内部，并且信号接收器可以安装在壳体上相应的连接位置，使得控制单元自动地识别反射器附件450/451的类型和测量相关尺寸。为了更容易地将反射器450对准全站仪和/或为了最优的重量分布，所述连接位置具有可枢转进入至少一个平面的接合点453，该接合部453与壳体正面正交并且包括反射器的纵轴。至少有一个使用递增法操作的角度传感器被安装在接合部453上，以便于确定反射器450相对于壳体正面平面的对准角或多个对准角，并且将所述对准角发送至控制和评估单元。能被全站仪的相机光学地记录的限定图案454被应用于间隔固定器。与图案454相对应的图案被存储在全站仪中，因此可以通过与相机记录的场传感器图案454的图像进行对比来确定图案454以及场传感器的空间方位。

图4c示意性地示出了根据本发明的场传感器的第三个示例性实施方式。壳体带有可光学瞄准的单元，该单元被设计成具有多个邻接的检测区域的激光光束检测器485。由全站仪发出的激光光束被检测器记录。当在局部记录区域内记录到来自至少一个检测区域的激光光束时，检测器确定激光光束的入射点，并且从对应的至少一个局部记录方向得出入射方向。通过将已知的激光光束发射方向和入射方向相联系，确定检测器的方位和场控制器的方位。不能通过这种方式创建的对准角(例如方位角)可以选择性地通过罗盘和特别是陀螺仪487的组合创建。此外，壳体包括多个大地测量目标对象，这些大地测量目标对象被布置在壳体的不同面上，并且被设计成圆柱形的回射器486。通过图4c中的视图，可以识别出在两个不同角度的三个反射器486；至少一个另一个反射器被安装在壳体的背面。取决于根据本发明的场控制器相对于测量装置的对准，可以瞄准设置得最方便的反射器。反射器可以从场控制器的已知方位唯一地确定，因此可以计算场控制器内部参考系统的悬挂点的正确的绝对位置。在这个示例中，距离测量单元被设计为轻结构的3D扫描仪480。图案投影仪482按时序依次用不同的图案(例如条形图案)照亮待测量的地形区域。相对于彼此并相对于图案投影仪482位于已知空间位置的两个相机481在相对于投影的已知视角接收投影的图案，其中，特别地，个别相机的视场大致重叠。目标点在场控制器内部参考系统中的要探索的三维坐标作为由投射的条状图案形成的平面和接收到的光束形成的直线交叉的点出现。目标点的绝对位置接着从场控制器的参考系统的已知的绝对位置和方位得出。原则上，也可以通过这样的方式计算地形区域的所有点的坐标，从场控制器到所述地形区域的距离被确定，使得获得了完整的绝对参考的3D点云。

图5a示出了根据本发明的布置的具有大地测量目标对象和距离测量单元503的场控制器的应用示例的侧视图。场控制器相对于用户的比例仅仅是示例性的。场控制器的壳体500的正面500a指向用户504。目标对象被设计为例如圆形棱镜的反射器502，可以在特定立体角度范围内回射光束505。圆形棱镜被固定到“上部”壳体背面500b，并且使得棱镜的反射面指向与壳体500相反的方向，并与“上部”壳体背面500b平行。该“上部”壳体背面500b不与正面500a平行，而是成一定角度，例如相对于正面500a成20°角。距离测量单元503在“下部”壳体侧500c被布置在壳体500内或壳体500上。在此，这个壳体侧500c相对于正面500a成略小于90°的角，例如80°角。由此，根据本发明，用户504可以按照使得正面500a不与地面所在平面506正交而是形成一个角度的方式手持场控制器，并且距离测量单元503可同时测量紧挨着用户的地面目标点507，并且反射器502可以被位于地面上的相同高度或稍高的高度的全站仪瞄准，并且可以通过激光光束505来测量位置。这样的布置可以使得在装置的重量分布和重心方面以及在操作例如键盘的输入装置和观察例如电子显示器的输出装置方面实现场控制器的符合人体工学的操作。

图5b示出了根据本发明的布置的具有地目标对象和距离测量单元503的场控制器另一个示例性实施方式的侧视图。场控制器相对于用户的比例仅仅是示例性的。壳体未被设计成单个立方体形物体，而是由两个平坦的立方体或立方体状的棱镜550、551“组成”，棱镜550和551之间间具有夹角(图中由直线553分开)。与地面距离更近的“下部”立方体551的正面551a可以具有输入装置和位于其底面的距离测量单元503。在本发明所述的此种布置中，距离测量单元503可以测量到目标点507的距离，该目标点稍稍位于用户的前方。如果距离测量单元503的测量方向可以额外地被修改(由方向十字504表示)，则目标点507可以位于用户前方一侧的特定区域555中。

如果距离测量单元503被设计为激光扫描仪或RIM相机，则可以确定到区域555内的多个地形点的距离，并且如有必要，确定所有地形点的绝对位置，使得产生完整的、可被绝对参考的3D点云。

根据本发明的场控制器的“上部”壳体部分550的正面可以具有电子显示器。此外，该上部部分550装有360°反射器552，反射器552被固定在间隔固定器552a上，间隔固定器552又被固定到“上部”壳体侧550a。在用户504用胸部/腹部使场控制器壳体保持水平时，间隔固定器552a具有足以使反射器552超过用户504的头部的长度。作为这样布置的结果，当用户背对全站仪并将场控制器保持在他身体的前方时，反射器552也可被全站仪瞄准并且反射器552的位置可以被激光光束505测量。在此，间隔固定器552a的位置和纵轴对准被选择为使得反射器552的重力矢量指向用户手持壳体的区域556，以便于产生尽可能小的力矩。

图6a至图6c示出了根据本发明的场控制器69，场控制器69具有2D相机65、用于生成3D点云的距离测量单元60以及包括保存的用于对3D点云进行数字图像处理和分析的算法的控制和评估单元的应用示例。在本示例中，将要测量井盖的中心点61a的坐标。如图6a所示，该中心点位于井盖的凹处61b中。距离测量单元60扫描包括井盖61的街道区域，并且将测量数据存储为3D点云。利用存储在控制和评估单元中的算法对3D点云进行分析，使得在第一步中识别了由街道和井盖形成平面62，并且在计算出其在场控制器的参考系统中的位置。相机记录街道区域的图像，该图像经数字处理以便于识别或提取几何形状。如图6b中所示出的，井盖被识别椭圆形63，或者从图像数据拟合了理想的椭圆形。通过适当的算法，随后从长半轴和短半轴63b和63c的交叉点计算出该理想椭圆形63a的中心点。图6c图形地示出了井盖的中心点作为延伸穿过椭圆形的中心点和2D相机的记录中心的直线66和从3D点云数据形成的平面62的交叉点出现的要探索的场控制器内部坐标。

图7a和图7b示出了根据本发明的场控制器的另一个评估示例，该场控制器包括数字2D相机、用于产生3D点云的距离测量单元以及具有保存的用于对3D点云进行数字处理和分析的算法的控制和评估单元。将要测量到屋角71的距离。图7a图形地示出了例如使用RIM相机对屋角71周围的地形区域进行距离测量而得到的测量数据。亮区域表示较近的点；暗区域表示较远的点。根据几何图形的呈现进行的3D数据分析可以发现由左侧房屋墙壁形成的平面70a、右侧房屋墙壁形成的平面70b和由地面形成的平面70c。图7b示出了由数码相机记录的同一地形区域的图像。利用图形处理针对几何属性对该图像进行了检查，结果发现了两条直线72a和72b。在该示例中，假设两个房屋墙壁相交的直线72c由于不便的光条件而无法被创建。目标点71的距离数据则作为延伸穿过2D相机的记录中心和两条直线72a和72b的平面与从RIM图像创建的三个平面70a、70b和70c相交的点而出现。

Claims (42)

1.一种用于测量和远程控制的移动场控制器，所述场控制器被构造为使得所述场控制器与能够远程控制的大地测量装置一起形成用于对目标点的位置进行坐标大地测量确定的系统，所述大地测量装置具有距离和方向测量功能，其中，所述场控制器包括：

·具有用户输入和输出装置的控制和评估单元，所述控制和评估单元用于接收、处理和发送数据；

·能够手持的壳体；

·其中，所述场控制器的空间方位能够被确定，并且

·所述场控制器能够光学地标记至少一个目标点，

其特征在于：

·被所述壳体支承的至少一个大地测量目标对象，所述目标对象的目标位置能够由所述测量装置(11、21、320)非常精确地确定，

·距离测量单元，其用于在不接触地面的情况下确定所述场控制器(22、300、69)与所述至少一个目标点之间的距离，

·其中，所述大地测量目标对象和所述距离测量单元相对于所述场控制器的内部参考系统处于限定的空间参考关系。

2.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：所述大地测量装置是全站仪或视距仪。

3.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述大地测量装置具有角测量功能。

4.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：所述用户输入和输出装置是电子显示器。

5.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元用于远程控制所述测量装置和用于评估和/或发送测量数据。

6.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元是用于通过电光或电声手段测量距离的单元。

7.根据权利要求4所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元被设计成使得所述控制和评估单元部分或全部地评估测量数据，所述测量数据被记录以确定所述场控制器的所述空间方位、所述大地测量目标对象的所述目标位置以及所述场控制器与所述至少一个目标点之间的距离。

8.根据权利要求7所述的场控制器，其特征在于：所述控制和评估单元被设计成使得所述至少一个目标点的绝对位置被从所述测量数据计算得出，被存储并通过所述场控制器的输出装置提供给所述用户，并且所述绝对位置的数据和/或所述测量数据能够被发送至外部设备。

9.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述场控制器具有至少一个传感器，所述至少一个传感器用于确定至少一个对准角，或者至少一个对准角关于所述场控制器的所述空间方位的至少一个轴的变化。

10.根据权利要求9所述的场控制器，其特征在于：

所述至少一个传感器是倾斜传感器和/或加速度计。

11.根据权利要求9所述的场控制器，其特征在于：

所述至少一个传感器用于确定两个对准角。

12.根据权利要求9所述的场控制器，其特征在于：

所述至少一个传感器用于确定至少一个对准角关于所述场控制器的所述空间方位的两个轴的变化。

13.根据权利要求9所述的场控制器，其特征在于：

所述场控制器具有能够被所述测量装置光学瞄准的单元，基于所述单元，通过所述测量装置或所述场控制器确定了关于所述场控制器的所述空间方位的至少一个轴的所述对准角。

14.根据权利要求13所述的场控制器，其特征在于：

通过所述测量装置或所述场控制器确定了关于所述场控制器的所述空间方位的两个轴的所述对准角。

15.根据权利要求13所述的场控制器，其特征在于：

所述能够被所述测量装置光学瞄准的单元是事先已知的光学图案，将所述光学图案的被所述测量装置记录的图像与所存储的对应图案进行比较。

16.根据权利要求15所述的场控制器，其特征在于：

作为所述比较的结果，确定了关于所述场控制器的所述空间方位的所有三个轴的所述对准角。

17.根据权利要求13所述的场控制器，其特征在于：

所述能够被所述测量装置光学瞄准的单元是用于确定由所述测量单元发射的激光光束的入射方向的激光光束入射方向确定单元。

18.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述大地测量目标对象是回射型的。

19.根据权利要求18所述的场控制器，其特征在于：

所述大地测量目标对象被设计成棱镜反射器。

20.根据权利要求19所述的场控制器，其特征在于：

所述场控制器包括具有限定长度的附件，通过所述附件，所述反射器被所述壳体支承。

21.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元被实现为激光视距仪。

22.根据权利要求21所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元是具有用于发射光学可见激光的激光光源。

23.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元具有能够针对测量方向的单轴或双轴对准而被手动或自动地引导的驱动单元，并且所述距离测量单元具有用于确定相对于零轴的测量方向的装置。

24.根据权利要求4所述的场控制器，其特征在于：

所述场控制器具有数码相机，所述数码相机用于记录目标点地形区域的数字图像，所述数字图像在所述电子显示器上向用户显示。

25.根据权利要求24所述的场控制器，其特征在于：

所述电子显示器是触敏显示器。

26.根据权利要求24所述的场控制器，其特征在于：

至少一个目标点被以手动或自动的方式选择以确定所述位置或者通过所述数字图像而被标记。

27.根据权利要求8所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元和所述控制和评估单元被设计成在分别已知或同步确定的测量方向的情况下能够记录特定的连续区域内的多个地形点的距离，并且将所获得的数据存储为3D点云。

28.根据权利要求27所述的场控制器，其特征在于：

所述距离测量单元被设计为：

·激光扫描仪，

·距离图像相机，

·立体相机，或者

·轻结构的3D扫描仪。

29.根据权利要求27所述的场控制器，其特征在于：

3D数据在所述电子显示器上被呈现，并且至少一个点被以手动或自动的方式选择。

30.根据权利要求27所述的场控制器，其特征在于：

算法被保存到所述控制和评估单元，通过所述算法：

·能够针对目标点地形区域的数字图像和/或所述3D点云执行关于特定几何特性的分析，

·一个或更多个点，所述一个或更多个点用于识别目标点，所述一个或更多个点能够从所分析的几何属性识别或得出，

·在所述电子显示器上，能够将所分析的几何属性和所识别或得出的点叠加在所述数字图像上或者叠加在所呈现的3D点云上，

·所识别或得出的点的位置数据从构成所述3D点云的基础的所述测量数据直接采用，或者通过计算所拟合的几何图形的交叉点而建立，或者基于目标点识别而执行目标点距离测量。

31.根据权利要求30所述的场控制器，其特征在于：

通过所述算法能够执行所述数字图像和/或所述3D点云的分析以自动寻找和/或拟合几何形状。

32.根据权利要求30所述的场控制器，其特征在于：

所述一个或更多个点用于识别目标点自身。

33.根据权利要求27所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元从所述场控制器的确定的空间方位、从所述大地测量目标对象的所述目标位置和从所述3D点云的位置数据来计算所述3D点云的至少一个点的所述绝对位置。

34.根据权利要求27所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元从所述场控制器的确定的空间方位、从所述大地测量目标对象的所述目标位置和从所述3D点云的位置数据来计算所述3D点云的全部点的所述绝对位置。

35.根据权利要求1所述的场控制器，其特征在于：

所述壳体具有接合部，所述接合部能够在特定角度范围内在一个或两个平面内旋转，并且所述目标对象被固定在所述接合部上，其中，所述接合部具有用于测量相对于零轴的至少一个对准角的一个或更多个绝对或增量位置传感器。

36.根据权利要求20所述的场控制器，其特征在于：

所述壳体和所述反射器或所述附件具有固定器，使得所述反射器或所述附件能够更换。

37.根据权利要求36所述的场控制器，其特征在于：

所述附件具有编码，依靠所述编码，所述附件的长度以及由此所述反射器相对于所述场控制器的参考点的空间参考关系通过所述控制和评估单元自动建立。

38.根据权利要求8所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元被配置成使得对至少一个目标点的位置的确定能够完全从目标点的位置执行。

39.根据权利要求38所述的场控制器，其特征在于：

所述控制和评估单元具有触发单元，通过所述触发单元，能够初始化对所述大地测量目标对象的目标位置、所述场控制器与所述目标点之间的距离以及所述场控制器的空间方位的同步测量，或者

所述控制和评估单元被设计成使得在测量过程中针对目标点多次执行对所述大地测量目标对象的目标位置、所述场控制器与所述目标点之间的距离和所述场控制器的空间方位的测量，并且所述目标点的绝对位置从各个测量的平均值得出或作为多个目标点的绝对坐标的平均值得出，和/或

所述场控制器和所述大地测量装置具有同步的时钟，基于所述时钟，能够在时间上对各个测量数据进行标记。

40.根据权利要求39所述的场控制器，其特征在于：

所述时钟是基于GNSS的时钟。

41.一种包括前述任一权利要求所述的场控制器以及能够远程控制的大地测量装置的系统，所述大地测量装置具有距离和方向测量功能，其特征在于：

能够按照同步或连续/周期性方式执行以下步骤：

·通过所述场控制器和/或所述测量装置确定所述场控制器相对于绝对外部参考系统的空间方位，

·通过所述测量装置对所述场控制器的所述大地测量目标对象的位置进行绝对确定，

·由所述场控制器确定大地目标点相对于所述场控制器内部参考系统的位置，

其中，所述场控制器的所述控制和评估单元计算所述目标点的绝对坐标。

42.根据权利要求41所述的系统，其特征在于：

在所述场控制器具有多个目标对象时，所述测量装置自动瞄准最方便对准的目标对象。