CN104101334B - 点云的大地测量参照 - Google Patents

Abstract

点云的大地测量参照。提供了一种大地测量方法，该大地测量方法包括以下步骤：获得针对物体(20)的表面信息；并且针对至少一个参照点(25至27)，以大地测量方式进行精确的单个点测量，其中，通过所述至少一个参照点(25至27)提供针对外部坐标系的位置参照，将测量辐射(3、33)对准所述至少一个参照点(25至27)，并且在内部坐标系中确定至少到所述参照点(25至27)的方向。

Description

点云的大地测量参照

技术领域

本发明涉及用于参照坐标系的大地测量方法、大地测量装置以及计算机程序产品。

背景技术

对于测量目标点来说，从古代起就已知了许多大地测量装置。在这种情况下，记录方向或角以及通常从测量装置至目标点的要测量的距离，并且具体地，检测该测量装置连同可能出现的参照点的绝对位置，作为空间标准数据。

这种大地测量装置的熟知的示例包括经纬仪、视距仪以及还被称为电子视距仪或计算机视距仪的全站仪。根据现有技术的一种大地测量装置例如在公开文档EP 1 686350中进行了描述。这种装置具有基于电子传感器的角，并且在合适时，具有准许针对选定目标确定方向和距离的距离测量功能。在这种情况下，按该装置的内部参照系来建立角和距离变量，并且在合适时，还必须与外部参照系链接，以进行绝对位置确定。

在许多大地测量应用中，依靠定位在那里的专门设置的目标物体来测量多个点。所述目标物体通常由具有用于限定测量路径或测量点的回射器(例如，全向棱镜)的铅锤测杆构成。在这种测量问题中，一些数据、指令、语音以及另一些信息在目标物体(具体地，在目标物体的一部分上的便携式数据检测装置)与中心测量装置之间发送，该中心测量装置用于控制测量过程并且用于设置或登记测量参数。这种数据的示例包括：目标物体的标识(所采用棱镜的类型)、铅锤测杆的倾角、回射器在地面上的高度，回射器常数或诸如温度或空气压力的测量值。需要该信息或这些状况相关参数，以便使能实现对由具有棱镜的铅锤测杆限定的测量点的高精度瞄准和测量。

现代的全站仪通常具有紧凑且集成的设计，并且同轴距离测量部件和计算机、控制和存储单元通常存在于装置中。根据全站仪的配置水平，可以集成机动化瞄准或锁定装置以及(在将回射器(例如，全向棱镜)用作目标物体时)用于目标自动搜索和跟踪的装置。作为人机接口，全站仪可以包括电子显示/控制单元(通常是具有电子数据存储装置的微处理器计算单元)，其具有显示器和输入装置(例如，键盘)。由电子传感器装置检测的测量数据被馈送至显示/控制单元，以使可以建立目标点的位置、可选地通过显示/控制单元显示并存储。根据现有技术已知的全站仪还可以包括用于建立针对外部外围组件(举例来说，如便携式数据检测装置)的无线电连接的无线电数据接口，其具体地，可以被具体实施为数据记录仪或现场计算机。

对于瞄准(sighting或targeting)要测量的目标点来说，通用大地测量装置具有望远镜瞄准具(举例来说，如光学望远镜)，作为瞄准装置。一般来说，该望远镜瞄准具可以环绕垂直轴并且环绕与测量装置的基部相对的水平倾斜轴旋转，以使该望远镜可以通过绕轴旋转和倾斜而对准要测量的点。

该瞄准装置的光学系统或光学可视通道通常包含物镜组、图像建立系统、聚焦光学系统以及用于生成标线和目镜的十字线网格，其例如，按该顺序从物体侧起排列。聚焦透镜组的位置根据物体距离按这样的方式进行设置，即，焦点上的物体图像在布置在聚焦平面中的十字线网格上生成。接着，可以通过目镜观察或者例如借助于同轴布置的相机来检测该物体图像。

在EP 1 081 459或EP 1 662 278中，以示例性方式示出了大地测量装置的通用望远镜瞄准具的结构。

因为目标物体(例如，通常出于大地测量目的而采用的具有诸如全向棱镜这样的目标标记器的铅锤测杆)无法利用瞄准装置以肉眼足够精确地瞄准(即，不满足大地测量精确度要求)，所以尽管通常提供了30倍的光学放大倍率，但常规测量装置同时具有作为标准的、用于充当目标回射器的棱镜的自动目标跟踪功能(ATR：“自动目标识别”)。为此，常规来说，将另一分离的ATR光源(例如，多模光纤输出部，其发射具有处于850nm区域中的波长的光学辐射)和敏感于该波长的特定的ATR检测器(例如，CCD区域传感器)附加地集成在望远镜中。作为示例，EP 2 141 450描述了这样一种测量装置，即，其具有用于自动瞄准回射目标的功能并且具有自动目标跟踪功能。

现代装置除了光学可视通道以外，还可以具有相机，其被集成到望远镜瞄准具中，并且例如同轴地或平行地对准，以检测图像，其中，具体地，所检测图像可以被描绘为显示/控制单元的显示器上和/或用于远程控制的外围装置(举例来说，如数据记录器)的显示器上的活动物体图像。在这种情况下，该瞄准装置的光学系统可以具有手动对焦(例如，用于改变聚焦光学系统的位置的调节螺钉)，或者可以具有自动对焦，其中，聚焦位置例如通过伺服电动机来改变。作为示例，在EP 2 219 011中描述了大地测量装置中的这种瞄准装置。例如根据DE 197 107 22、DE 199 267 06或者DE 199 495 80中已知用于大地测量装置的望远镜瞄准具的自动对焦装置。

借助于这种图像检测单元，除了测量指定的目标点以外，还可以检测测量场景的图像。因此，可以在该图像中检测要测量的目标，并且可选的是，在测量装置的显示器上向用户显示。可以基于该图像获得针对该物体的其它信息。

借助于合适的图像处理，例如，可以至少以接近方式确定针对物体或该物体的空间范围的表面状态。这里，可以借助于基于该图像的边缘提取来确定该物体的空间范围或形状。

为了更精确地确定这些物体特性，除了图像信息以外，还可以考虑针对位于该物体上的一个或更多个点的位置信息。为此，所述一个点或所述多个点通过测量装置以精确的方式瞄准并测量。这样根据其位置确定的这些点(如所谓的支承点)与图像信息一起处理，作为其结果，可以进行更精确的陈述，例如，相关在该图像中检测的物体部分的位置。

在这种情况下的缺点是，无法利用全站仪进行大面积地形和大地测量上的精确的物体测量，或者意味着不成比例的高的时间花费(与对该物体的图像检测相比)，因为要测量的每一个点都必须单个地瞄准，并且其位置必须在固定地对准测量辐射的情况下进行确定。

而且，确定由该图像成像的物体部分的位置具体来说可以仅根据所确定的支承点来进行，并且高精确度可以仅利用对应的大量支承点来实现，而且，其中，该物体部分的形状同样可以仅基于图像处理以非常有限的精确度来建立(例如，在物体具有弯曲表面的情况下)。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种改进的测量装置和对应的方法，其使得能够实现对物体的改进的、快速且更精确的大面积物体测量，具体地，其中，可以确定要测量的物体的位置(按大地参照方式)。

本发明另一目的在于，提供一种对应的测量装置，具体地是全站仪，其中，可以执行更精确的物体检测，而且，提供针对该物体的与装置无关的物体坐标。

本发明的另一目的在于，提供一种测量装置，借助于其，可以监视与绝对坐标系(作为一另选例，该测量装置的内部参照系)相关的测量进度。

这些目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。可以根据从属的专利权利要求来收集以另选的或有利的方式开发本发明的特征。

本发明涉及用于借助于大地测量装置来参照一坐标系的大地测量方法。这里，获得针对物体的与所述测量装置的内部坐标系相关的表面信息，具体地是与所述物体的形状和/或空间范围相关的表面信息，以及针对至少一个参照点，以大地测量方式进行精确的单个点测量，其中，由所述至少一个参照点提供针对外部坐标系的位置参照，将测量辐射精确地对准所述至少一个参照点，以及当所述测量辐射被对准到所述至少一个参照点上时，以所述内部坐标系确定至少到所述参照点的方向。

根据本发明，另外，存在与参照点无关的扫描以获得表面信息，包括通过连续地改变所述测量辐射的所述对准，扫描针对所述物体的指定的扫描区域，具体地，以预定的扫描点分辨率，确定用于针对位于所述指定的扫描区域内的扫描点进行距离测量所发射的所述测量辐射的相应距离和相应对准，以及以所述内部坐标系生成表示所述表面信息并且具有所述扫描点的点云。此外，对所述内部坐标系的、与所述外部坐标系相关的这种参照，具体地是自动参照，至少基于：由所述参照点提供的针对所述外部坐标系的所述位置参照，和在所述内部坐标系中针对所述参照点的指定的方向，使得以所述外部坐标系确定所述点云的至少一个取向(具体地，位置)。

由此，根据本发明，既可以按扫描方式以预定的点对点分辨率来检测物体区域(例如，以每秒钟1000个至10000或更多个测量点的测量速率，并且以千米范围内的测量范围(对应于大地测量比例))，也可以按非常精确的方式瞄准并测量单个参照点。通过扫描，针对要测量的物体获得点云，其中，云的位置、取向以及标度最初仅在所述测量装置的所述内部坐标系中获知并确定，而且作为其结果，可以(仅)进行与所述物体的与所述内部参照系相关的相对陈述。

例如，为了确定所述点云的绝对位置、取向和/或空间范围，所述点云必须以总体(外部)坐标系来登记，即，所述内部坐标系与所述总体坐标系相关地进行参照。根据本发明，通过测量所述单个参照点(或几个参照点)来进行该登记，该参照点的位置例如在该总体坐标系中是已知的(即，该点向所述外部坐标系提供位置参照)。作为该信息的结果(作为所述测量的结果，总体坐标系中的已知位置以及至少内部坐标系中的针对点的已知方向)，现在，进行所述坐标系的相互参照，即，将所述点云登记在该总体坐标系中。

结果，所述点云的位置、取向以及标度，而且，所述物体的取向和/或位置及其空间范围在该外部系统中是确定并已知的。

这里，根据本发明，所述扫描步骤、参照点测量步骤以及相互登记步骤全部利用并且通过所述测量装置(或者指配给所述测量装置的控制器)来执行。因此，不再需要用于登记点云的附加的后处理步骤。

根据本发明，为了提供针对所述外部坐标系的所述位置参照，具体地，所述至少一个参照点的绝对位置在所述外部坐标系中是已知的，并且基于所述至少一个参照点的所述已知绝对位置进行所述参照。

在本发明的范围内，具体地，可以通过大地测量参照校准点或者回射器或者以已知的定位或对准设置的大地测量装置，以所述外部坐标系来提供所述至少一个参照点。

根据本发明的具体实施方式，以所述内部坐标系确定到所述至少一个参照点的距离和所述参照点的位置，并且在所述内部坐标系中基于所述参照点的所确定的位置进行所述参照。

就所述扫描过程的实施方式而言，根据本发明，尤其是，在扫描范围内，当确定所述测量辐射的所述相应距离和所述相应对准时，在所述指定的扫描区域内连续地修改所述测量辐射的所述对准。结果，可以实现对物体表面的真实扫描感测，其中，在所述测量辐射移动期间，可以利用根据本发明的大地测量装置，具体地，利用全站仪或经纬仪，来足够精确地执行测量。

这种利用大地测量装置的扫描基本上可以通过使用高精度、快速且精确控制的致动器或伺服电机来实现，作为其结果，可以以快速、精确且连续的方式来引导所述测量装置的所述瞄准单元，并由此引导所述测量辐射，从而可以同时测量所述瞄准单元的角位置和针对瞄准的距离。而且，以可以对应地快速处理所检测的测量数据的这种方式来配置所述装置的控制和估计单元。

在参照范围内，根据本发明，所述内部坐标系可以按这样的方式来调节：具体地，针对所述内部坐标系的位置和标度，所述内部坐标系与所述外部坐标系一致，具体地，对应于所述外部坐标系。为此，所述内部坐标系可以旋转和/或偏移和/或其标度可以按恰当方式修改。因而，具体地，所述内部坐标系与所述总体坐标系相同。

根据本发明的另一具体实施方式，基于另一参照信息，具体地基于附加的GNSS位置信息和/或基于针对所述内部坐标系和所述外部坐标系两者公共的附加的点，与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系，该点的位置例如通过单个点测量来确定。

就考虑当前存在的测量状态而言，根据本发明，可以在所述测量方法的范围内检测大气状态信息和/或限定几何测量信息，具体地是，气象数据或测量轴误差，具体地是，环境温度、空气压力和/或大气湿度。

具体地，关于这点，在确定针对相应的扫描点的距离时和/或在确定到所述至少一个参照点的距离时，处理所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，并且存在距离修正，以基于所述距离修正来确定相应的距离。另选的是，或者除此以外，基于所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，针对在所述扫描范围内确定的所述扫描点在所述外部坐标系中的位置来调节在所述扫描范围内确定的所述扫描点，具体地，所述点云在所述内部坐标系中的所述取向。

换句话说，这种状态信息还可以在测量过程(单个点测量或扫描)期间检测，并且可以基于该信息来进行测量修正。这里，所述修正例如可以借助于“查找表”来建立，借助于其，例如针对具体环境温度来限定关联的修正值。

根据本发明的另一具体实施方式，另一些扫描点的扫描的至少另一些实例；以另一坐标系获得具有所述另一些扫描点的另一点云；利用在所述另一坐标系中确定的至少到至少一个参照点和/或针对另一参照点的方向，对于所述参照点和/或对于所述另一参照点以大地测量方式进行精确的单个点测量；以及至少基于在所述另一坐标系中的针对所述参照点的所确定的方向，与所述外部坐标系相关地参照所述另一坐标系。这两个另一扫描和单个点测量的步骤，具体地，以与所述测量装置相同的设置来进行，以使可以将特定的单个点测量过程指配给扫描过程。

具体地，在这种情况下，根据不同的设置点，从不同的设置点进行所述扫描和扫描的所述至少一些实例，其中，所述相应的点云的所述取向(或位置)按所述外部坐标系确定，并因此，相对彼此地确定所述相应的点云的所述取向。

利用根据本发明的该方法变型例，例如，可以从不同的视角检测一个或更多个物体的多个点云，并且这些点云可以彼此相对地参照或者以外部坐标系登记，以使这些在公共坐标系中是可用的。通过示例的方式，在公共总体坐标系中参照所有点云，以使针对每一个点云以该系统限定相对位置和标度。

结果，例如，可以精确地重构从多个视角检测的物体的空间范围和/或形状，并且可以基于所生成的点云来创建针对真实物体来说是逼真的模型。

可以利用一个测量装置并且改变该装置在这些设置点的设置来进行从不同的设置点进行的扫描(从而，由此生成的点云的链接的相应参照)。另选的是，为此可以在不同设置点来使用多个大地测量装置。

就增加针对所述扫描点的确定的位置的精确度而言，根据本发明的具体实施方式，基于与所述外部坐标系相关地对所述内部坐标系和所述另一坐标系进行的所述参照，在所述外部坐标系中存在指定的扫描点的位置和/或所述另一些扫描点的位置的至少部分的相互调节，具体地，存在位置修正。

根据本发明，所述大地测量方法通过并利用所述大地测量装置来执行，其中，所述测量装置至少包括：一种扫描功能，所述扫描功能用于通过扫描来检测所述扫描点并生成所述点云，和一种单个点测量功能，所述单个点测量功能用于高精度地确定针对所述参照点的方向。具体地，用于执行所述测量方法的所述测量装置根据下述实施方式中的任何一种来具体实施。根据本发明，所述扫描、单个点测量以及参照方法步骤全部利用所述测量装置(具体地，针对所述扫描步骤和所述单个点测量步骤)并且直接在所述测量装置上(具体地，针对所述参照步骤)执行。

本发明还涉及一种大地测量装置，具体地是全站仪或多站，该大地测量装置包括：基部，所述基部限定枢轴；结构，所述结构布置在所述基部上，并且能够环绕所述枢轴相对于所述基部旋转，其中，所述结构限定与所述枢轴大致正交的倾斜轴；瞄准单元，具体地是望远镜瞄准具，其中，所述瞄准单元被设置成，使得所述瞄准单元能够环绕所述倾斜轴相对于所述结构旋转并且具有发射单元，所述发射单元具有用于生成并发射测量辐射的射束源。而且，所述测量装置具有用于测量针对点的距离的距离测量功能，用于测量所述测量辐射的对准的角测量功能，以及用于数据处理并且用于控制所述测量装置的控制和处理单元。

而且，所述测量装置具有单个点测量功能，其中，所述单个点测量功能能够通过所述控制和处理单元以这样的方式来执行：能够通过以高精度的方式与所述测量辐射对准，以精确的大地测量的方式来测量至少一个参照点，其中，由所述至少一个参照点来提供针对外部坐标系的位置参照，以及当将所述测量辐射对准所述至少一个参照点时，能够在所述测量装置的内部坐标系中确定至少到所述参照点的方向。

换句话说，当执行由所述控制和处理单元自动控制的单个点测量功能时，所述测量辐射被高精度地对准至少一个(与扫描点无关)参照点，其中，通过所述至少一个参照点设置针对外部坐标系的位置参照，具体地，其中，所述参照点的绝对位置在外部坐标系中是已知的，以精确的大地测量方式测量所述参照点，并且以所述内部坐标系确定至少到所述参照点的方向。

根据本发明，而且，所述测量装置配备有与参照点无关的扫描功能，其中，所述扫描功能可以通过所述控制和处理单元按这样的方式来执行：能够通过连续地改变所述测量辐射在位于指定的扫描区域内的扫描点上的对准，以预定的扫描点分辨率来测量所述扫描点；并且能够以所述测量装置的所述内部坐标系生成具有所述扫描点的点云。这里，在全部时间(具体地，连续地)改变所述测量辐射的所述对准，以使作为其结果，可以连续地扫描所述扫描区域内的所述扫描点。

换句话说，当通过所述控制和处理单元自动控制地执行所述扫描功能时，存在以下步骤：随着连续地改变位于指定的扫描区域内的扫描点的所述测量辐射的对准而进行扫描，并且以预定的扫描点分辨率测量所述扫描点，并且以所述测量装置的内部坐标系生成具有所述扫描点的点云。

所述测量装置另外具有参照功能，其中，当通过所述控制和处理单元执行所述参照功能时，至少基于以下各项与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系：由所述参照点提供的针对所述外部坐标系的位置参照，以及能够由所述单个点测量功能确定的、在所述内部坐标系中的到所述参照点的方向，使得以所述外部坐标系确定所述点云的至少一个取向。

根据本发明的具体实施方式的测量装置，以这样的方式来设置所述控制和处理单元，即，可以利用所述大地测量装置来执行如上所述的大地测量方法。

为改进用户友好性，具体地，所述测量装置可以包括：具有估计单元的遥控单元，其中，所述参照功能可以通过所述估计单元来执行；和/或包括用于描绘测量信息的显示单元，具体地，其中，可以通过对点云的扫描点的至少部分描绘来描绘扫描进度。

为了检测另一些位置相关信息，根据本发明的测量装置在具体配置级别方面，包括用于检测GNSS位置信息的GNSS模块，具体地，其中，可以处理所述GNSS位置信息，以在所述外部坐标系中修正所述扫描点的位置和/或所述点云的位置，和/或在所述扫描点测量和/或参照点测量期间调节测量值。

通过示例的方式，这种GNSS信息可以被用于执行所谓的“智能站设置”，即，例如，测量连接点与测量装置(“智能站”)的方向，而不(尚未)获知所测量点的坐标。所述点的位置仅通过所述测量装置在所述连接点上的随后的定位而变得已知，其中，在该点发生借助于GNSS的位置确定。该点一旦作为其结果变得已知，就通过考虑所建立的点位置来计算并更新第一设置的取向(即，在瞄准所述连接点时)。这里，按第一设置生成的点云由此也可以被更新。

具体地，所述测量装置可以按这样的方式具体实施，即，所述瞄准单元包括：具有成像光学系统的成像系统，该成像光学系统具有聚焦组；和用于生成并以图形方式提供瞄准视场的成像的像平面，具体地，其中，所述瞄准视场通过所述成像系统来限定，并且所述瞄准视场在所述像平面下的成像可以借助于所述聚焦组的图像聚焦在焦点上以图形方式提供。

而且，本发明涉及一种存储在机器可读介质上的、具有程序代码的计算机程序产品，所述计算机程序产品被设置成，具体地，如果所述程序在具体实施为根据本发明所述的测量装置的控制和处理单元的电子数据处理单元上或者在具体实施为根据本发明的测量装置的估计单元的电子数据处理单元上执行，则根据上述大地测量方法中的任一方法，控制所述扫描和所述单个点测量，并且执行与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系。

附图说明

下面，基于附图中示意性地描绘的具体的示例性实施方式，按完全示例性的方式，对根据本发明的方法和根据本发明的装置进行更详细说明，其中，还将讨论本发明的进一步优点。详细地：

图1示出了根据本发明的测量装置、要检测的物体以及指定了参照点的目标；

图2示出了根据本发明的两个大地测量装置以及从不同的视角检测物体；

图3a至图3c示出了根据本发明在扫描或参照范围内生成的针对物体的相应的点云；以及

图4示出了根据本发明的针对测量过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的测量装置1，具体实施为全站仪或多站，其具有基部、可以相对于该基部环绕枢轴旋转的支承体，以及瞄准单元2，瞄准单元2可以环绕两个轴(枢轴和倾斜轴)旋转，其中，该倾斜轴由该支承体限定。而且，示出了要测量的物体20、两个回射器26、27以及在高地的最高点十字架25。

多站包括全站仪的典型功能，而且具有快速且非常精确的扫描功能，其中，基本上基于改进的控制电动机(其可以更快速地致动并更快速地动作，并且更有功效)，可以实现该瞄准装置的更快速且更精确的对准。结果，可以在相对较短的时段内扫描预定的测量区域中的许多点，并且可以利用所扫描的点来创建对应的点云。通过示例的方式，因而可以在改变测量辐射(用于扫描物体20)的对准的同时，每秒钟检测1000个测量点。由于可实现测量精确度(在适当的大地测量精确方面的单个点测量的范围内的精确度(就测量持续时间而言))并结合由此可以实现的高测量速度和扫描点分辨率，这种扫描过程可以被称为真实扫描。

测量装置1具有扫描功能，其中，当其被执行时，在预定的扫描区域内测量扫描点(在此，该扫描区域大致对应于从该装置的设置可见的物体的空间范围)，并且利用所测量的扫描点来生成表示物体表面信息的点云。这里，通过以连续地扫描并测量扫描点的方式，依次地并连续地对准瞄准单元来进行扫描。这里，针对每一个扫描点，以装置1的内部参照系确定针对相应的扫描点的距离和方向，即，指定支承体相对于基部的相对位置的摆角以及指定瞄准单元2相对于支承体的位置的倾角。因此，提供了距离和角测量功能。

对于距离测量来说，借助于瞄准单元2来发射测量辐射3并对准扫描区域。通常，可以由设置在测量装置1上的激光二极管生成的(准直)激光辐射被用作测量辐射3。通过以预定的扫描点分辨率来对扫描区域进行扫描的方式对准瞄准单元来引导该测量辐射3(参见箭头3a)。

根据本发明，测量装置1以这样的方式来具体实施，即，根据希望的扫描点分辨率和到要测量的物体20的距离，例如，在这种扫描期间每秒钟检测250或1000个扫描点。

作为该扫描过程的结果，显现点云20a(参照图3a)，即，许多测量点，其中，针对每一个测量点确定测量辐射3的相应方向和距离值，因此，以测量装置1的内部坐标系获知相关测量点的坐标。这里，点云20a包括可以根据物体20相对于测量装置1的位置来检测(对于测量装置1是可见的)的那些扫描点。

通过示例，可以由点云20a得到物体20的空间范围和形状。另外，可以针对每一个测量点测量由测量装置1检测的并且在物体20上反射的测量辐射3的强度值，因此，可以得到相关物体20的表面情况的附加信息，例如，材料信息。

而且，可以例如基于经扫描的测量环境的附加的检测的全景图像(例如，基于对应的检测的图像的RGB值)来对点云20a着色。因此，可以在点云20a上叠加附加的图像信息。

因此，可以借助于点云20a来生成针对物体20的信息，但无法获得关于物体20的(相对)空间位置和/或对准的可靠且精确的陈述。为了确定物体20(或点云20a)的空间位置或者为了确定与其它物体或坐标系相对的位置，必需建立针对外部坐标系(＝其它坐标系)的参照，其例如使得可以建立绝对的大地测量位置参照。

为此，根据本发明，测量装置1除了扫描功能以外，还具有单个点测量功能，在其范围内，可以执行具体的单个目标点(参照点)的精确的大地测量瞄准和测量。为此，测量辐射33首先精确地对准要测量的点。在该单个点测量期间，测量辐射33精确地保持针对要测量的相应点的限定的对准，同时在扫描期间连续地改变测量辐射33的对准。具体地，该对准由用户人工地进行，其中，用户可以利用设置在瞄准单元2中的望远镜、借助于十字线或者通过自动目标识别(ATR)功能而以光学方式精确地瞄准目标点，其中，在位置敏感检测器上检测所反射的测量辐射33的落点，并且基于此，存在电动机驱动的可控对准。

通过瞄准三个参照目标(回射器26、27以及最高点十字架25)，它们的坐标在外部坐标系中是已知的并且它们充当参照点，可以以该外部坐标系来校准测量装置1(＝以该外部坐标系来确定测量装置1的位置和对准)，并且因此，可以确定内部坐标系(或点云20a)与外部坐标系之间的位置和/或取向关系。

为此，测量装置1包括恰当的参照功能。这里，用于测量三个参照目标25至27并且用于扫描过程的测量装置1适用于相同的设置，即，该测量装置1不在扫描过程与单个点测量过程之间移动。对于利用三个已知的参照点25至27进行精确校准来说，确定针对参照点25至27的相应方向(即，相应的摆角和倾角)就足够了，而不需要针对参照点25至27的附加的距离测量，但可以另外确定距离，例如，用于在外部坐标系对测量装置1的更精确的位置确定。

因此，作为该高精度校准的结果，获知了针对两个坐标系的公共点(具体地，测量装置1的设置点4)和系统的相应取向。结果，可以与该外部坐标系相关地参照该内部坐标系，例如，通过旋转、平移和/或缩放内部坐标系，并且例如可以执行针对点云20a的恰当的坐标变换。

如果已经利用测量装置1执行了参照测量，则因此，限定了装置1的设置，则可以直接参照外部(绝对)坐标系来生成借助于扫描而生成的点云。

对于例如用于定位测量装置1的设置点4是已知的情况来说，针对已知点25至27的单次测量满足该校准的需要，作为其结果，可以确定针对该点的方向，并由此确定测量装置1的对准。

如果使用第一和第二测量装置1，则测量装置1的相互瞄准满足校准第二测量装置1的需要，其中，针对第一装置1的设置点4和空间取向在外部坐标系中是已知的。

除了上面描述或概述的校准例程以外，还可以根据从现有技术已知的另选方法来校准大地测量装置1。

由于该方法，当在扫描期间测量点时，扫描分辨率和由此用于确定位置的可实现精确度显著低于在单个点大地测量期间的可实现精确度。在扫描期间，测量射束3大体上连续地移动，其明显地限制针对每一个单个点的测量持续时间。具体地，这样做时，针对每一个测量点在指定的测量时间中(取决于希望的分辨率)执行整合，其中，测量射束3被移动。通过对比，在单个点测量期间，测量射束33精确地对准目标并且保持该对准。因此，通过根据本发明的方式在外部坐标系中登记(参照)点云20a来进行单个点测量，可以实现显著更大的精确度，并由此，与基于经测量的扫描点的登记相比，以外部参照系大致更精确地确定点云20a的位置。

这样做时，更有利地是直接在测量装置1上并利用测量装置1来登记点云20a，而且对此来说，对于专门针对该目的具体实施的单独的计算机系统来说，不需要耗时的数据传输。而且，作为其结果，即使根据测量装置1的不同的设置测量多个点云，用户也可以跟随总体的扫描进度。

此外，对于登记点云20a来说，不相关的是，这种登记(或者在外部坐标系中校准测量装置1)是在扫描并检测针对物体20的点云20a之前发生还是在该扫描之后发生。因此，点云20a即使在被生成之后也仍可以在外部坐标系中针对其空间位置或取向来被参照。

因为可以执行单个点测量，所以可以测量参照目标25至27，以按照比在扫描过程的范围内可能的距离更大的距离(例如，最高点十字架25)来登记具有大地测量精确度的点云。因此，在外部坐标系中实现对点云的大致更精确的参照。

图2示出了根据本发明的两个大地测量装置1、11(多站)、要测量的物体20以及回射器28。通过利用多个测量装置1、11，例如可以从不同的视角检测物体20或者可以覆盖更大的测量区域。

在第一测量装置1的第一设置中(＝将装置1定位在第一设置点4)，扫描物体20并且生成对应的第一点云20a(参照图3a)。这里，点云20a由利用测量装置1在物体20的面21、22上检测的扫描点构成。无法从设置点4瞄准或扫描物体20的表面23。

利用第二测量装置11，从第二设置位置14扫描物体20。在利用第二测量单元的扫描过程期间，检测物体20的面23并且生成对应的点云20b(参照图3b)。其中，无法从第二装置11的视角通过测量辐射3来瞄准两个面21、22。

由此，可在两个不同的内部坐标系中获得两个点云20a至20b，其分别被指配给相应的测量装置1、11。两个点云20a至20b不存在针对彼此的相对参照。

为了获取公共点云20c(参照图3c)(其表示物体20的具有真实精确度的两个面21、22与面23)，两个点云20a至20b彼此进行参照。根据本发明，在公共坐标系中对点云20a至20b的参照可以依靠这样的事实来获得，即，在单个点测量的范围内，通过第二装置11非常精确地瞄准第一测量装置1(作为参照点)，并且这样做时，装置1、11之间的距离和第二装置11的对准被检测到。而且，第二装置11因此被第一装置瞄准(由测量辐射33所描绘，其在每一种情况下被发射并且可以被接收)。结果，测量装置1、11的相对定位和对准(并由此，内部坐标系的相对定位和对准)是已知的，并且两个点云20a至20b可以被转移到公共坐标系中(例如，转移到第一测量装置的坐标系中，其在这种情况下被视为外部坐标系)，或者彼此参照(借助于根据本发明的参照功能)。

作为根据本发明的参照的结果，点云20a至20b可以以这样的方式彼此相对地链接，并且其扫描点可以按这样的方式被组合以形成总体的点云20c，即，与仅通过点云20a至20b中的一个点云相比，通过该组合的点云20c以更多的细节表示物体20。

而且，两个测量装置1、11皆可以具有GNSS接收器5、15，借助于此，在每一种情况下，可以接收来自卫星系统的位置信息(例如，GPS信号、GLONASS信号或Galileo信号)。借助于该位置信息，可以针对测量系统1、11中的每一个确定地球坐标系中的绝对位置，其中，作为装置1、11对准的结果(其同样可以被确定(参见上述：相互瞄准；然而，为此，满足确定测量方向的需要))，还可以确定装置的绝对对准(例如，北/东向对准)。利用该信息，可以在该外部坐标系中(地球坐标系)登记点云20a至20c。由此，可以在该系统中确定点云20a至20c的位置以及物体20的位置(位置和取向)。因此，可以获得针对物体20的绝对坐标(其是测量装置1、11的内部坐标系的独立坐标)。

作为利用两个测量装置1、11的另选例，可以连续地在两个设置点4、14设置单一测量装置，并由此可以在每一种情况中扫描物体20，并且可以生成点云20a至20b。对于测量装置的每一个设置来说，根据本发明，例如通过回射器28的精确的单个瞄准，与总体坐标系(overarching coordinate system)相关地，参照相应生成的点云20a至20b，回射器28的位置6在该总体坐标系中是已知的(在设置位置4、14在每一种情况下是已知的情况下)。因此，两个点云20a至20b可以在公共坐标系中被参照。

如果设置点4、14的位置是未知的，则依靠这样的事实在外部坐标系中进行校准，即，除了已知目标28的位置以外，其它目标(在此未描绘)(其位置同样在外部坐标系中是已知的)还借助于单个点测量功能进行测量(至少针对这些目标的方向)。

而且，点云可以彼此相关地生成并参照，或者依靠在第一设置位置被扫描的第一点云登记在公共坐标系中，而且在该位置，利用单个点测量功能在第二位置精确地测量回射器。随后，将回射器和测量装置的设置位置互换，扫描另一点云，并且借助于单个点测量精确地瞄准回射器，从而作为其结果，确定测量装置与回射器相关的相对位置。

通过重复这些步骤，即，在第三位置设置并精确地测量回射器，并且互换测量装置和回射器(在第三位置)的位置以及这种“反向测量”的另一些实例，可以生成相互参照测量的序列(“横贯(traverse)”)。可以在公共坐标系中提供和/或显示(例如，在测量装置的显示器上)由此生成的点云。通过与外部坐标系相关的附加参照(例如，与地球坐标相关)，还可以在该坐标系中计算点云的位置，即，确定点云(和由此表示的物体)在地球坐标系中的绝对位置。

利用该方法，可以跨越其中仅存在难以测量的参照点的地形区域或其中不存在参照点的地形区域。接着，以第一已知的参照点开始横贯，并且借助于测量装置以及测量回射器相对于该测量装置的位置，来提供其它的跨越点。随后的测量可以链接至这些人工提供的点。这种横贯通过测量另一已知的最终点来完成。这里，在跨越的范围内人工提供的所有参照点可以根据它们的位置基于该最终点的已知的位置来进行更新。因此，还可以对在横贯的范围内生成的点云的位置进行修正。

当例如在横贯范围内生成多个相互参照测量时，由此生成的单个点云的测量值可以被用于相互调节。也就是说，如果通过扫描来检测相互交叠的测量区域，则可以在相应的点云借助于参照点测量(单个点测量)而根据本发明进行相互参照并且以同一坐标系的坐标获知了测量点之后，通过与关联的测量值相比较(具体地，通过形成平均值)来确定在每一种情况下测量多次的点。

而且，当利用多个多站(在此未示出)时，借助于其，在每一种情况下，测量并生成点云以及确定针对参照点的取向，当以在公共坐标系中以更新的方式可获得这些点云的这种方式来更新或调节参照点的坐标时，可以针对由多站检测到的所有点云进行相应坐标更新。

图4示出了根据本发明的用于具有对在坐标系扫描期间生成的点云进行扫描和登记的测量过程的流程图。

最初，在第一步骤41中，按第一设置来设置大地测量装置(其被具体实施为用于扫描物体并且用于高精度地测量单个点(例如，多站))。

随后，通过对参照点单个的、精确的大地测量，进行满足测量要求的将测量装置校准到外部坐标系中(步骤42)，其中，例如，瞄准已知点(即，在外部坐标系中具有已知位置的点)。针对这种单个点测量的测量范围明显大于用于扫描的可获取的测量范围，因为测量辐射精确地对准测量点并且在整个测量期间保持，并由此，可以针对一点实现更长的测量持续时间(即，更长时间的整合时段)。

此后，在另一步骤43中，限定一扫描区域，在该扫描区域内，同样检测多个扫描点，以确定点对点分辨率。为此，例如，可以针对每一个扫描点限定测量射束的偏转的速度和/或针对测量持续时间的整合时间。

接着，通过在所限定的扫描区域内在该物体上引导测量射束并且(同时)测量针对每一个扫描点的角和距离值，而基于在步骤43中进行的设置，扫描44该物体。作为该扫描过程的结果，生成了在该测量装置的内部坐标系中的具有这些扫描点的点云。

在扫描步骤44之后，借助于在步骤42建立的校准值在外部坐标系中参照45点云，以使至少该点云的取向(具体地，位置)在外部坐标系中是已知的，或者使得在内部坐标系与外部坐标系之间确定参照。结果，可以在该外部坐标系中获得物体坐标，即，该物体的空间范围和位置以及取向。

根据本发明，可以在步骤42之前执行步骤43和44。

在已经进行了登记或参照45点云的步骤之后，测量装置可以可选地按另一设置来定位，以执行另一扫描(步骤46)，其中，步骤42至45在该另一设置下再一次执行，或者完成47测量过程。

作为该测量过程的结果48，获取一个或更多个点云，其中，这些可直接地以正确(希望)的坐标系(例如，在其中已知该参照点的位置的情况下是地球坐标系)获得，而不需要必须针对这种登记执行的附加的后处理步骤(例如，在办公室工作区)。

在单个点测量或扫描的范围内，还可以考虑大气信息(举例来说，例如在相应的测量下存在的空气压力、温度和/或大气湿度)及其对相应测量的影响。

另选的或附加的，可以在相应的测量过程期间考虑几何修正数据(例如，针对北向对准)。

具体地，可以借助于测量装置的控制器利用不同的坐标系来执行根据本发明的对点云的参照。具体地，提供用于遥控该装置的控制部。

应理解的是，所描绘的这些图仅按示意性的方式描绘了可能示例性实施方式。根据本发明，不同方法彼此之间同样可以组合，并且与用于大地目标测量的方法和装置以及利用现有技术的测量装置(具体地，全站仪或多站)相组合。

Claims (27)

1.一种大地测量装置(1、11)，所述大地测量装置包括：

基部，所述基部限定枢轴；

结构，所述结构布置在所述基部上，并且能够按照由电动机驱动的方式绕所述枢轴相对于所述基部枢转，其中，所述结构限定与所述枢轴大致正交的倾斜轴；

瞄准单元(2)，其中，所述瞄准单元(2)被设置成，使得所述瞄准单元(2)能够按照由电动机驱动的方式绕所述倾斜轴相对于所述结构枢转，并且所述瞄准单元(2)具有发射单元，所述发射单元具有用于生成并发射测量辐射(3、33)的射束源；

距离测量功能，所述距离测量功能用于测量到点的距离；

角测量功能，所述角测量功能用于测量所述测量辐射(3、33)的对准；

控制和处理单元，所述控制和处理单元用于数据处理并且用于控制所述测量装置；以及

单个点测量功能，其中，所述单个点测量功能能够通过所述控制和处理单元以这样的方式来执行：

能够通过以高精度的方式与所述测量辐射(3、33)对准，以精确的大地测量的方式来测量至少一个参照点(25至28)，其中，由所述至少一个参照点(25至28)来提供针对外部坐标系的位置参照；以及

当将所述测量辐射(3、33)对准到所述至少一个参照点(25至28)上时，能够在所述测量装置(1、11)的内部坐标系中确定至少到所述参照点(25至28)的方向，

其特征在于包括

与参照点无关的扫描功能，其中，所述扫描功能能够通过所述控制和处理单元以这样的方式自动地执行：

能够通过电动机驱动连续地改变所述测量辐射(3、33)在位于指定的扫描区域内的扫描点上的对准，以预定的扫描点分辨率来自动地测量所述扫描点；并且

能够以所述测量装置(1、11)的所述内部坐标系生成具有所述扫描点的点云(20a至20c)，以及

参照功能，其中，当所述参照功能由所述控制和处理单元执行时，至少基于以下各项与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系：

由所述参照点(25至28)提供的针对所述外部坐标系的位置参照，以及

能够由所述单个点测量功能确定的、在所述内部坐标系中的到所述参照点(25至28)的方向，

使得以所述外部坐标系确定所述点云(20a至20c)的至少一个取向，

大气状态信息和/或限定几何测量信息检测功能，其中，所述大气状态信息和/或限定几何测量信息检测功能能够在确定针对相应的扫描点的距离时和/或在确定到所述至少一个参照点(25至28)的距离时，处理所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，并且存在距离修正，以基于所述距离修正来确定所述相应距离，和/或

基于所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，针对在扫描范围内确定的所述扫描点在所述外部坐标系中的位置来调节在所述扫描范围内确定的所述扫描点。

2.根据权利要求1所述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

所述大地测量装置(1、11)包括全站仪或多测站。

3.根据权利要求1所述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

所述瞄准单元(2)包括望远镜瞄准具。

4.根据权利要求1所述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

所述测量装置(1、11)

包括具有估计单元的遥控单元，其中，所述参照功能能够由所述估计单元来执行，和/或

包括用于描绘测量信息的显示单元。

5.根据权利要求4所述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

能够通过对点云(20a至20c)的扫描点的至少部分的描绘来描绘扫描进度。

6.根据权利要求1述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

所述测量装置(1、11)包括用于检测GNSS位置信息的GNSS模块(5、15)。

7.根据权利要求6所述的大地测量装置(1、11)，

其特征在于

能够处理所述GNSS位置信息：

以在所述外部坐标系中修正所述扫描点的位置和/或所述点云(20a至20c)的位置，和/或

以在扫描点测量和/或参照点测量期间调节所测量的值。

8.一种用于借助于根据权利要求1所述的大地测量装置(1、11)来对坐标系进行参照的大地测量方法，该方法包括以下步骤：

获得针对物体(20)的与所述测量装置(1、11)的内部坐标系相关的表面信息；以及

针对至少一个参照点(25至28)，以大地测量方式进行精确的单个点测量，其中，

由所述至少一个参照点(25至28)提供针对外部坐标系的位置参照；

将测量辐射(3、33)精确地对准到所述至少一个参照点(25至28)上；以及

当所述测量辐射(3、33)被对准到所述至少一个参照点(25至28)上时，以所述内部坐标系确定至少到所述参照点(25至28)的方向，

其特征在于

与参照点无关地扫描以获得所述表面信息，包括以下步骤：

根据电动机驱动，通过连续地改变所述测量辐射(3、33)的所述对准，自动扫描针对所述物体(20)的指定的扫描区域；

确定用于针对位于指定的扫描区域内的扫描点进行距离测量所发射的所述测量辐射(3、33)的相应距离和相应对准；以及

以所述内部坐标系生成表示所述表面信息并且具有所述扫描点的点云(20a至20c)，并且

对所述内部坐标系的、与所述外部坐标系相关的这种参照，至少基于：

由所述参照点(25至28)提供的针对所述外部坐标系的所述位置参照；和

在所述内部坐标系中到所述参照点(25至28)的指定的方向，

使得以所述外部坐标系确定所述点云(20a至20c)的至少一个取向，

检测大气状态信息和/或限定几何测量信息，其中，

在确定针对相应的扫描点的距离时和/或在确定到所述至少一个参照点(25至28)的距离时，处理所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，并且存在距离修正，以基于所述距离修正来确定所述相应距离，和/或

基于所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，针对在扫描范围内确定的所述扫描点在所述外部坐标系中的位置来调节在所述扫描范围内确定的所述扫描点。

9.根据权利要求8所述的大地测量方法，

其特征在于

获得针对所述物体(20)的与所述物体(20)的形状和/或空间范围相关的表面信息。

10.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

以预定的扫描点分辨率，确定用于针对位于指定的扫描区域内的扫描点进行距离测量所发射的所述测量辐射(3、33)的相应距离和相应对准。

11.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

所述参照自动地实现。

12.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

所述至少一个参照点(25至28)的绝对位置在所述外部坐标系中是已知的，并且基于所述至少一个参照点(25至28)的已知的绝对位置来进行所述参照。

13.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

通过以下各项在所述外部坐标系中提供所述至少一个参照点(25至28)：

大地测量参照的校准点(25)或

回射器(26至28)或

以已知的定位或对准设置的大地测量装置(1、11)。

14.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

以所述内部坐标系确定到所述至少一个参照点(25至28)的距离和所述参照点(25至28)的位置，并且在所述内部坐标系中基于所述参照点(25至28)的所确定的位置进行所述参照。

15.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

在扫描范围内，当确定所述测量辐射(3、33)的所述相应距离和所述相应对准时，在所述指定的扫描区域内连续地修改所述测量辐射(3、33)的所述对准，和/或

在参照范围内，以这样的方式调节所述内部坐标系，所述内部坐标系与所述外部坐标系一致。

16.根据权利要求15所述的大地测量方法，

其特征在于

在参照范围内，以如下方式关于所述内部坐标系的位置和标度调节所述内部坐标系，即，所述内部坐标系与所述外部坐标系一致。

17.根据权利要求15所述的大地测量方法，

其特征在于

在参照范围内，以如下方式调节所述内部坐标系，即，所述内部坐标系对应于所述外部坐标系。

18.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

基于进一步的参照信息，与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系。

19.根据权利要求18所述的大地测量方法，

其特征在于

基于附加的GNSS位置信息和/或基于针对所述内部坐标系和所述外部坐标系两者公共的附加的点，与所述外部坐标系相关地参照所述内部坐标系。

20.根据权利要求8所述的大地测量方法，

其特征在于

所述大气状态信息和/或所述几何测量信息包括气象数据或测量轴误差。

21.根据权利要求8所述的大地测量方法，

其特征在于

所述大气状态信息包括环境温度、空气压力和/或大气湿度。

22.根据权利要求8所述的大地测量方法，

其特征在于

基于所述大气状态信息和/或所述几何测量信息，针对所述点云(20a至20c)在所述内部坐标系中的所述取向来调节在所述扫描范围内确定的所述扫描点。

23.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

另一些扫描点的至少一个另外扫描；

以另一坐标系获得具有所述另一些扫描点的另一点云(20a至20c)；

利用在所述另一坐标系中确定的至少到至少一个参照点(25至28)和/或针对另一参照点(25至28)的方向，对于所述参照点(25至28)和/或对于所述另一参照点(25至28)以大地测量方式进行精确的单个点测量；以及

至少基于在所述另一坐标系中的到所述参照点(25至28)的所确定的方向，与所述外部坐标系相关地参照所述另一坐标系。

24.根据权利要求23所述的大地测量方法，

其特征在于

从不同的设置点(4、14)进行所述扫描和所述至少一个另外扫描，其中，在所述外部坐标系中确定相应的点云(20a至20c)的取向，并因此，相对彼此确定所述相应的点云(20a至20c)的所述取向。

25.根据权利要求23所述的大地测量方法，

其特征在于

在所述外部坐标系中存在指定的扫描点的位置和/或所述另一些扫描点的位置的至少部分的相互调节。

26.根据权利要求25所述的大地测量方法，

其特征在于

基于与所述外部坐标系相关地对所述内部坐标系和所述另一坐标系进行的所述参照，存在位置修正。

27.根据权利要求8或9所述的大地测量方法，

其特征在于

所述大地测量方法通过并利用所述大地测量装置(1、11)来执行，其中，所述测量装置(1、11)至少包括：

一种扫描功能，所述扫描功能用于通过扫描来检测所述扫描点并生成所述点云(20a至20c)，和

一种单个点测量功能，所述单个点测量功能用于高精度地确定到所述参照点(25至28)的方向。