CN104596411A - 一种圆柱形测量装置与自动识别算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱形测量装置与自动识别算法，包括：整体结构的圆柱形标靶主体、底座、连接柱以及上部的照准棱镜，装置表面采用特殊的矿物染料涂抹。标靶圆柱和底座之间通过连接柱链接，底座一端为链接连接柱的凹槽，可以固定连接柱位置不转动，另一端设置有螺丝孔，可以和三脚架链接，用于将整个标靶圆柱固定在三角架上。在位置固定的情况下，可以在不同方向同时观测标靶；同时可以链接带有照准控制点标志的普通底座，也包含有全站仪反射棱镜。加入新的自动识别算法，可以提高提取的精度，在保证精度的同时可以提高测量效率，从而实现激光雷达和全站仪的联系测量，减少外业工作量，也可以保证点云转换的精度。

Description

一种圆柱形测量装置与自动识别算法

技术领域

本发明涉及一种新型的圆柱形三维激光扫描标靶 

技术背景

随着测绘技术的快速发展传统的二维数据已经不能满足人们的一些特殊用途和要求。对于真三维数据产品的需求越来越迫切。三维数据在表达内容和形式上有二维数据所无法比拟的优越性，更加的直观、用户的体验感更强。一些细节特征更加的清晰，三维激光扫描技术应运而生。 

三维激光扫描仪可以在短时间内获得场景中大量物体的三维坐标，但是无法获取某一个指定点的准确坐标。扫描标靶的出现就是解决这个问题。扫描仪在扫描的过程中自动获取标靶并以极高的扫描精度对目标物体进行扫描。三维激光扫描技术又称为“三维实景复制技术”，通过高速激光扫描测量，快速获取被测对象表面的三维坐标数据，具有快速、实时、非接触、主动等特点，在古建筑保护、文化遗产保护、重要建筑物的施工质量评价、建筑物变形监测等方面得到了广泛应用。 

以前普通的圆柱形的圆柱形标靶只是包括圆柱部分和底座部分，不支持对于测量控制点的照准和配置水平，这就使得三维激光扫描点云和常规控制测量的联系需要通过其他方式来进行，增加中间联系测量的手段会增加点云数据的转换误差，从而使得模型的精确度下降。 

发明内容

本发明针对技术背景中的问题，克服以往的普通标靶的不足，发明一种新型的激光雷达扫描标靶。标靶采用圆柱形设计，标靶表面采用特殊的矿物染料涂抹，位置固定的情况下，可以在不同方向同时观测标靶，同时增加可以照准控制点标志的普通底座，同时增加了照准棱镜，也可以当做普通棱镜使用。在保证精度的同时可以提高测量效率，从而实现激光雷达和全站仪的联系测量，减少外业工作量，也可以保证点云转换的精度。既可以和普通的棱镜一样使用，同时也可以当做激光雷达的反射装置使用。仪器通体采用工程材料制作，结构坚固稳定、结实耐用、安装方便，操作简单。非常适合于野外环境下作业。 

本发明提供的技术方案为： 

一种新型的激光扫描系统的圆柱形标靶，包括：整体结构的圆柱形标靶主体、底座和连接柱，标靶表面采用特殊的矿物染料涂抹。标靶圆柱和底座之间通过连接柱链接，底座一端为链接连接柱的凹槽，可以固定连接柱位置不转动，另一端设置有螺丝孔，可以和三脚架链接，用于将整个标靶圆柱固定在三角架上。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，标靶采用的是真题工程材料制作，不易变形，经久耐用。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，标靶采用圆柱形制作，结合圆柱拟合算法可以保证在各个方向测量所得的圆柱的中轴线在同一位置，便于各站点云的拟合和配站。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的测量装置中，所述整体结构的圆柱形标靶主体、底座和连接柱，标靶表面采用特殊的矿物染料涂抹有利于测量人员对于标靶的识别同时提高对于激光的反射效率。 

所优选的是，所述的标靶圆柱和底座之间通过连接柱链接，底座一端为链接连接柱的凹槽，可以固定连接柱位置不转动，另一端设置有螺丝孔，可以和三脚架链接，用于将整个标靶圆柱固定在三角架上。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，所述增加的顶端棱镜便于激光和全站仪的联系测量，减少了转换的精度，提高了工作效率。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，所描述的棱镜的球心和圆柱的中轴线在同一竖直线上，可以保证测量的精度。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，标靶表面采用特有的设计图案进行绘制，便于人眼识别。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，标靶便面采用实验验证的材料进行涂抹，便于算法的自动识别。 

所优选的是，所述的新型激光扫描系统的圆柱形测量装置中，增加精确的圆水准气泡和水准管气泡，保证装置的安置水平和准确度。 

附图说明

图1为本发明所述的新型的激光扫描系统的圆柱形测量装置的棱镜正面侧视图。 

图2为本发明所述的新型的激光扫描系统的圆柱形测量装置的反射区域涂抹。 

图3为本发明所述的新型的激光扫描系统的圆柱形测量装置的俯视图。 

图4为本发明所述的新型的激光扫描系统的圆柱形测量装置的仰视图。 

图5为本发明所述的新型的激光扫描系统的圆柱形测量装置的棱镜侧面仰视图。 

图6为圆柱拟合实施方案的参数示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。 

如图1所示标靶由以下几个大部分构成底座、标靶转盘、水准管水准器、对地瞄准镜、连接柱、标靶圆柱、固定柱。 

如图2所示为一种新型的激光扫描系统的圆柱形标靶的反射区域涂抹。使用象牙黑这种矿物染料涂抹便于工作人员进行目标识别。 

具体方法： 

圆柱拟合方案： 

距离函数参数化圆柱面的重新参数化如附图6所示。 

设圆柱面到坐标原点的最近距离为ρ|n|，其中n为圆柱的法向量，且|n|＝1；圆柱中心轴的方向矢量为a，且|a|＝1；圆柱的半径为1/k。n与a满足n·a＝0，将n用球面坐标表示，即 

n＝(cosΨsinθ，sinΨsinθ，cosθ)      (1) 

其中，Ψ为n与z轴的夹角；θ为n与x轴的夹角。设p_i为空间任意一点矢，p_i到圆柱面的距离函数 

d(S，p_i)＝|[p_i-(ρ+1/k)n]*a|-1/k        (2) 

则圆柱面几何距离函数的参数化方程可以近似表示为 

由于n^Ψ，n^θ和n构成正交基，所以可将圆柱中心轴的方向矢量a参数化为 

d(S，p_i)＝k/2[|p_i|²-2p_iρ·n-(p_i·a)²+ρ²]+ρ-p_i·n    (3) 

anΨcosα+nθsinα        (4) 

因此，圆柱面就可由5个相互独立的参数(ρ，Ψ，θ，k，α)表示。将(ρ，Ψ，θ，k，α)代入式(3)得到 

d(S，p_i)＝A(ρ，Ψ，θ，k，α)P^T(p_i)      (5) 

其中 

P(pi)＝{x_i ²，y_i ²，z_i ²，x_iy_i，x_iz_i，y_iz_i，x_i，y_i，z_i，1}      (6) 

A(ρ，Ψ，θ，k，α)＝ 

{k/2[1-(cosΨcosθcosα-sinθsinα)²]， 

k/2[1-(sinΨcosθcosα+cosΨsinα)²]， 

k/2[1-(sinθcosα)²]， 

-k(cosΨcosθcos-sinΨsinα)*(-cosαsinθ)， 

-k(sinΨcosθcosα+cosΨsinα)*(-cosαsinθ)， 

-(kp+1)cosΨsinθ， 

-(kp+1)sinΨsinθ， 

-(kp+1)cosθ， 

kp²/2+p} 

对于圆柱面参数的拟合，可以采用LevenbergM arquardt方法求解该非线性最小二乘解。 

基于Levenberg-Marquardt方法的非线性最小二乘求解的关键在于拟合初值的选取，即尽可能地将初值近似于真实解。否则会影响迭代求解速度和精度，甚至会导致迭代发散，得不到正确的解。因此这里采用高斯映射法获取初始值。高斯映射是指将曲面上任一点的单位法向量的起点平移到坐标原点的过程。圆柱体(不包括两个端部)的高斯图是高斯球上过坐标原点的一个 平面与高斯球所交圆弧曲线上的点集，因此圆柱体轴线向量与其高斯图所在平面的法向量平行。为了获取较好的初值，利用圆柱体轴线方向向与其高斯图所在平面的法向量平行的特性。首先在高斯图上通过求取过高斯图坐标系原点的平面，确定圆柱体轴线的方向向量。其次，在轴线方向向量已知的情况下，将点投影到过原点且法向量为轴向方向的平面上。并利用基于Hough变换的圆检测方法对投影点集进行拟合，求取圆柱体轴线上一点的坐标及各圆柱体半径。 

具体步骤如下： 

(1)生成圆柱体高斯图 

圆柱高斯图是测量点的单位法向量的集合，所以高斯图的计算过程就是计算测量点的单位法向量。为了提高法向量的计算精度，采用二次曲面拟合的办法来实现单位法向量的计算。一般二次曲面方程为： 

F(x，y，z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+a₁₂xy+a₂₃yz+a₁₃zx+a₁₄x+a₂₄y+a₃₄z+a₄₄＝0    (8) 

令 

F₁(x，y，z)＝a₁₁x+a₁₂y+a₁₃z+a₁₄

F₂(x，y，z)＝a₁₂x+a₂₂y+a₂₃z+a₂₄

F₃(x，y，z)＝a₁₃x+a₃₂y+a₃₃z+a₃₄

F₄(x，y，z)＝a₁₄x+a₄₂y+a₄₃z+a₄₄

二次曲面在非奇点(x_i，y_i，z_i)处的切平面为 

(x-x_i)F₁(x_i，y_i，z_i)+(y-y_i)F₂(x_i，y_i，z_i)+(z-z_i)F₃(x_i，y_i，z_i)＝0(9) 

故二次曲面上任意一点的(x_i，y_i，z_i)的法向量ni为(F₁(x_i，y_i，z_i)，F₂(x_i，y_i，z_i)，F₃(x_i，y_i，z_i))，二次曲面拟合采用线性最小二乘法。 

(2)确定轴向参数初值 

设轴向a＝(1，m，n)，则通过二次曲面点的方向拟合轴向，拟合方程组为a·ni＝0，即： 

1F₁(x_i，yi，z_i)+m F₂(x_i，y_i，z_i)+n F₃(x_i，y_i，z_i)＝0      (10) 

同样采用线性最小二乘拟合法得到轴向a，进而确定参数Ψ，θ及α的初值。 

(3)确定圆柱轴线某一点坐标和半径初值将点投影到过原点且法向量 为a的平面上，并利用基于Hough变换的圆检测方法对投影点集进行拟合，可以确定圆心和圆半径(即圆柱半径)的初值R₀。最后将获取的平面圆心变换到原始坐标系中记为0₀。从而可以确定参数k和ρ的初值，其中k＝1/R₀，Q＝|000|-R₀。 

结合以上算法进行圆柱的拟合和图案的提取，可以精确的确定圆柱的中轴线的位置，集合装置制造时候的精确的参数可以计算出拟合圆柱位置和棱镜位置的转换关系，从而计算点云的转换参数。 

Claims (10)

1.一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，包括：标靶采用圆柱形设计，标靶表面采用特殊的矿物染料涂抹，能够提高激光雷达的发射效率，同时便于测量人员的识别。位置固定的情况下，可以在不同方向同时观测标靶，同时增加可以照准控制点标志的普通底座，在保证精度的同时可以提高测量效率，同时标靶设置有圆水准气泡，用于标靶的整平操作，同时又增加了顶部的棱镜照准装置，可以实现激光雷达和全站仪的联系测量，减少外业工作量，圆柱标靶整体采用工程材料制作，结实耐用，不易变形；提高点云的拼接和坐标转换的精度。既可以和普通的棱镜一样使用，但是更方便。 

2.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置采用圆柱形设计，圆柱整体采用工程材料一次性成型制作，不易变形。 

3.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，标靶表面采用特殊的矿物染料涂抹，用来提高观测人员对标靶的识别能力和提高激光雷达的反射效率，可以显著的提高测量的准确性。 

4.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，标靶表面采用符合算法的设计图案绘制，图案特点明显，可以提高观测人员对标靶的识别，方便算法的识别，可以显著的提高测量的准确性。 

5.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置在位置固定的情况下，可以从多角度同时观测标靶，同时增加可以照准控制点标志的普通底座，在保证精度的同时可以提高测量效率，可以实现激光雷达和现有控制点的联系测量，减少外业工作量，也可以保证点云转换效率和精度。 

6.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在 于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置设置圆水准气泡和水准管用于装置的整平操作。 

7.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置的照准部(反射棱镜)实现激光雷达和全站仪的联系测量，使测量更加方便、准确。 

8.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置的照准部和标靶圆柱中轴线完全重合，发射棱镜坐标中心在圆柱的中轴线上，距离固定，计算参数固定。 

9.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置的自动提取算法，结合特有的图案设计，提出特有的基于圆柱高斯图的圆柱拟合方法，圆柱拟合精度更高，更准确。 

10.如权利要求1所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置，其特征在于，所述的一种新型的圆柱形三维激光测量装置的自动提取算法，结合装置设计的参数，可以显著地提高和已知控制点和全站仪测量数据的转换速度，稳定、快速。