CN104677346A - 一种编码测量杆及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种编码测量杆及其使用方法，编码测量杆包括一个控制标杆和一个球形标靶，球形标靶嵌套在控制标杆上，并可沿所述控制标杆上下移动，控制标杆的杆体上被不同颜色或者不同材质的涂料分割为多个长短不同的分段，本发明所述的编码测量杆可以用于单个扫描仪进行测量的情况，单个扫描仪对编码测量杆进行多次观测，然后进行数据比较，应用于变形监测；也可以用于使用多个扫描仪共同测量的情况，进行多站扫描数据的配准；本发明可以解决标靶平面视角受限的问题，以及多次反复观测的精度控制问题；结合扫描仪的工作流程，解决实际测量中的控制问题、连续观测点云数据的配准和比较问题；同时减少标靶布设的工作量。

Description

一种编码测量杆及其使用方法
技术领域
本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种编码测量杆及其使用方法。
背景技术
地面激光扫描仪是一种利用发射和接收激光信号进行测量的测绘仪器，在测绘、矿业、城市、水利、文保等领域广泛使用的测绘仪器，能快速生产大量高精度的点云数据。
地面激光扫描仪采集数据时，与传统的全站仪类似，要设定扫描站，然后利用控制点(或标靶)信息，将多站点云数据进行配准，从而获得被测目标完整的点云数据。这个流程，已经成为地面激光点云数据采集的标准流程。
现有的点云扫描的数据配准方法主要是利用放置在工作空间中的标靶(如球形标靶、平面标靶等)来配准数据，通过提取的控制标靶的中心，利用多次扫描的同名标靶的对应关系配准数据。这种使用多个控制标靶提取中心的方法对于变形监测等应用，具有很大的困难。
此外，激光扫描工作中，现在通用的球型、平面标靶均以点为主要特征进行数据配准，在野外实际工作中标靶布设较为麻烦；另一方面，在一些形变监测过程中，标靶可能会随着被测物体移动，从而引起变形监测的失败；并且，以标靶为控制点的数据配准结果不利于连续观测的几何数据变化比较；传统的标靶多为平面，在实际扫描过程中，存在面向标靶平面扫描角度的偏差，标靶中心的坐标拟合质量往往得不到保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种编码测量杆及其使用方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种编码测量杆，包括一个控制标杆和一个球形标靶，所述球形标靶嵌套在所述控制标杆上并可沿所述控制标杆上下移动。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述控制标杆为直杆，截面为方形或者圆形。
进一步地，所述控制标杆的杆体上被不同颜色或者不同材质的涂料分割为多个长短不同的分段，不同分段之间的横截面中心点为分段节点。
本发明解决上述技术问题的第二种技术方案如下，一种使用上述编码测量杆进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，包括如下步骤：
步骤A1，将编码测量杆固定在待测量场景中；
步骤A2，使用扫描仪采集编码测量杆的控制标杆的长度、编码测量杆的每个分段节点到扫描仪中心线所在平面的距离以及每个分段节点的坐标值；
步骤A3，根据步骤2采集到的数据以及已知的编码测量杆的每个分段的长度，计算扫描仪中心的高度；
步骤A4，变换扫描仪的位置，重复步骤A2-步骤A3，进行多次扫描；
步骤A5，基于第一次测量的扫描仪的中心高度，计算每一次测量的扫描仪的中心高度的旋转和高程偏移量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，步骤A2中，所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点。
进一步地，步骤A3包括以下步骤：
步骤A31，计算得出每个分段节点的离地高度；
步骤A32，计算扫描仪中心点高度，即将编码测量杆分段节点离地高度减去编码测量杆分段节点在扫描获取的点云中测得的坐标值。
进一步地，所述的编码测量杆进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，还包括对编码测量杆上的球形标靶进行扫描测量或者对球形标靶和控制标杆共同扫描测量或者对多个编码测量杆进行扫描测量，进行平差计算。
本发明解决上述技术问题的第三种技术方案如下，一种使用上述编码测量杆进行多站激光扫描数据配准的方法，包括如下步骤：
步骤B1，将多个编码测量杆固定在待测量场景中；
步骤B2，使用n个扫描仪，分别为扫描仪1号、扫描仪2号、…扫描仪n号，n≥2，每个扫描仪均以各自的扫描仪中心为坐标原点，分别采集每个编码测量杆的每个分段节点的坐标值；
步骤B3，选取任意三个能构成三角形的分段节点，通过所述三个分段节点在扫描仪1号中的坐标值以及在其它扫描仪中的坐标值，分别计算其他扫描仪相对于扫描仪1号的坐标变换参数。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，步骤B2中，所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点。
进一步地，所述的编码测量杆进行多站激光扫描数据配准的方法，还包括对编码测量杆上的球形标靶进行扫描测量或者对球形标靶和控制标杆共同扫描测量，进行平差计算。
本发明的有益效果是：可以解决标靶平面视角受限的问题，还有多次反复观测的精度控制问题，也可以结合扫描仪的工作流程，解决实际测量中的控制问题、连续观测点云数据的配准和比较问题；同时，此方法还能用于普通的复杂环境的点云配准上，减少标靶布设的工作量。
附图说明
图1为本发明所述编码测量杆的结构图；
图2为本发明所述一根编码测量杆多次测量整体结构图图；
图3为本发明所述编码测量杆多次测量整体结构俯视图；
图4为本发明所述利用两个和两个编码测量杆进行数据配准原理图。
附图标记：
1、控制标杆，2、球形标靶，3、分段，4、分段节点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种编码测量杆，包括控制标杆1和球形标靶2，球形标靶2嵌套在控制标杆1上并可以沿控制标杆1的杆体上下移动。
使用时，在进行近距离测量或在通视条件良好的情况下，可以选用控制标杆1进行测量，也可以选用球形标靶2进行测量，其中选用球形标靶2进行测量为现有技术；在进行远距离测量或者在待测量场景中有遮挡的情况下，由于球形标靶2比控制标杆1更易观测到，因此可以采用常规方法进行测量，此时球形标靶2的位置可以根据需要沿控制标杆1的杆体上下移动。
控制标杆1为直杆，截面为方形或者圆形，可以为中空或者实心，宽度或者半径不限，可以根据实际情况设定，可以根据场景的远近而选择粗细不同的杆子。考虑到激光扫描仪随扫描距离增加，点云密度变稀疏的特点，针对不同场景，例如0.5km*0.5km和10km*10km这两种场景，其用于配准的控制标杆1的半径不同，后者应明显大于前者，半径差会达到5cm以上。理论上说，控制标杆1的杆体半径越大越好，但在近距离采用半径过大的控制标杆1会遮挡待扫描的地物，造成不便，因此控制标杆1的杆体半径不宜过大，综上所述，编码测量杆的控制标杆与待配准的场景大小相关。
控制标杆的材料可以为金属、木质、塑料、碳纤维等，优选为金属，控制标杆1为金属时，反射性能较稳定，物理属性也较结实。
控制标杆1的最优长度范围为1m-5m，也可以根据需要设定控制标杆1的长度。
控制标杆1的杆体上被不同颜色或者不同材质的涂料分割为多个长短不同的分段3，最优方案为每一个分段3的长度均不同，这样可以通过长度来区分每一个分段3；在有相同长度分段3的情况下，则需要通过颜色和长度的双重标识来区分每一个分段3，即相同长度的分段3颜色必然不同，由上所述，可以根据长度或颜色或者长度和颜色的双重指标来唯一的区分每一个分段3；分段数量可以根据需要设定；激光扫描仪可以根据控制标杆1的不同颜色或者不同材质的涂料分辨出每一个分段3；不同分段3之间的横截面中心点为分段节点4。
本发明中编码测量杆的结构，可以克服传统扫描作业中的遮挡问题；另外，对于野外扫描的标靶放置问题；该编码测量杆完全不受野外地形的限制，使用简单方便。
本发明所述的编码测量杆可以用于单个扫描仪进行测量的情况，单个扫描仪对编码测量杆进行多次观测，然后进行数据比较，应用于变形监测；也可以用于使用多个扫描仪共同测量的情况，进行多站扫描数据的配准，本发明所述的扫描仪可以为激光扫描仪，优选为三维激光扫描仪。
如图2所示，利用本发明所述的编码测量杆，进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，包括以下步骤：
步骤A1，选定扫描仪的架设位置即监测点，根据待测量场景的地形情况，选择多个监测点，保证可以观测到整个待测量场景，在地面上做好多次连续观测的扫描仪器架设位置标志，设置监测精度，确立监测方案；将扫描仪架设在监测点上，调整扫描仪(使用气泡调平，气泡即需要整置水平的仪器使用来参考仪器是否已经和地面水平的凭证，由于气泡封闭在液体装置内，液体受重力影响，只有在仪器水平条件下，液体表面才会水平，这样浮在液体表面的气泡，才会居于液体中央，不偏不倚)，扫描仪整平对中，使其中心点与地面划定，即调整使扫描仪的横轴与地面平行，经过扫描仪中心的竖轴必须通过地面标记的监测点。
步骤A2，将编码测量杆固定在待测量场景中；选择合适的位置摆放好编码测量杆后，记录编码测量杆的地面标志，将编码测量杆调整为竖直，可以使用气泡调平。
步骤A3，使用扫描仪识别出编码测量杆的每一个分段，并且采集编码测量杆的控制标杆的长度、编码测量杆的每个分段节点到扫描仪中心线所在平面的距离以及每个分段节点的坐标值；
首先结合已知的编码测量杆的每个分段的长度，计算得出每个分段节点的离地高度；
其次再计算扫描仪中心点高度；扫描仪中心点高度的计算方法为：实际编码测量杆分段节点离地高度减去编码杆分段节点在扫描获取的点云中测得的坐标值。
所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点。
步骤A4，变换扫描仪的位置，重复步骤A3，进行多次扫描。
步骤A5，基于第一次测量的扫描仪的中心高度，计算每一次测量的扫描仪的中心高度的旋转和高程偏移量。
在进行远距离测量或者在待测量场景中有遮挡的情况下，由于球形标靶比控制标杆更易观测到，因此可以采用只扫描球形标靶的常规方法进行测量，此时球形标靶的位置可以根据需要沿控制标杆的杆体上下移动。
如图3所示，也可以将控制标杆和球形标靶结合起来进行测量，也可以在编码测量杆上再加入一个或多个标靶，进行平差计算。由扫描仪中心、编码测量杆的每一分段的中心点、标靶中心点构成稳定的三角形解算条件，多个分段则可以得到多个三角形，从而通过三角形关系计算，以及平差计算，可以更加准确的扫描仪中心位置和坐标系方向，可提高观测的解算精度。
两次扫描后可以确定出两次扫描之间扫描仪中心高差ΔH；通过计算同一个编码控制杆的中心线在两次节点坐标的差异，可以确定出两次扫描仪之间各坐标系沿着中心点的转角，即X轴方向的转角Δα，Y轴方向的转角Δβ，Z轴方向的转角可以将两次数据配准，统计出观测目标的变形量。
在具体操作中，可以采用两种测量方式，第一种测量方式在待测量场景中设置一根编码测量杆进行多次测量，这种测量方式主要是想连续观测同一个编码测量杆，进行数据比较，常常应用于变形监测的观测之中。
第二种测量方式中，在待测量场景中可设置两根或者多根测量杆，可以利用两个或者更多的编码测量杆进行多次观测。由于使用两个或多个编码测量杆进行定点观测时，每一个编码测量杆都可以独立完成多次观测数据的配准，相当于有了更多的冗余观测值，从而可以进行平差，一定程度上提高由于水平装置不平而产生的数据配准精度问题。另外，待测量场景中页可以增加传统控制标靶，控制标靶可以与控制标杆的节点坐标之间建立三角关系，也可带入平差过程中，提高配准精度。
利用本发明所述的编码测量杆，进行多站激光扫描数据配准的方法，包括以下步骤：
步骤B1，将多个编码测量杆固定在待测量场景中；扫描工作前，查看待测量场景的地形分布，合理摆放编码测量杆，保证每一个扫描仪的扫描范围都可以同时通视所有测量杆。
步骤B2，使用n个扫描仪，分别为扫描仪1号、扫描仪2号、…扫描仪n号，n≥2，每个扫描仪均以各自的扫描仪中心为坐标原点，分别采集每个编码测量杆的每个分段节点的坐标值；所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点；在扫描测量过程中，保证编码测量杆不要被遮挡及被摆动，并且根据扫描位置远近，可以调整扫描点云密度与强度，保证扫描质量。
步骤B3，选取任意三个能构成三角形的分段节点，通过所述三个分段节点在扫描仪1号中的坐标值以及在其它扫描仪中的坐标值，分别计算其他扫描仪相对于扫描仪1号的坐标变换参数。
在具体操作中，如图4所示，假设场景中扫描仪1号和扫描仪2号以及编码测量杆A和编码测量杆B，通过对点云扫描得到的标志杆数据进行识别，拟合出杆体中心线与多段之间的边界线，两线投影相交可以得到每一个分段节点的坐标和长度。点O1PA1PA2为在两次扫描点云中均有坐标的点，O1和O2分别为两个扫描仪的中心点，PA1和PA2为编码测量杆A上的两个分段节点，PB1为编码测量杆B上的一个分段节点，PA1PA2 PB1 O1形成一个四面体▽1，PA1PA2 PB1O2形成一个四面体▽2；以扫描仪1号的扫描仪中心为坐标原点，对于四面体▽1来说：在以O1为坐标原点的坐标系中，PA1、PA2和PB1坐标为：P′A1(x′A1,y′A1,z′A1)、P′A2(x′A2,y′A2,z′A2)、P′B1(x′B1,y′B1,z′B1)和O1′(0,0,0)，因此，这个四面体的每个边长均为已知量；以扫描仪2号的扫描仪中心为坐标原点，对于四面体▽2来说，在以O2为坐标原点的坐标系中，PA1、PA2和PB1坐标为：P″A1(x″A1,y″A1,z″A1)、P″A2(x″A2,y″A2,z″A2)、P″B1(x″B1,y″B1,z″B1)和O2″(0,0,0)，所有边的边长也为已知量。
以扫描仪1号的扫描仪中心为坐标原点，即以O1为坐标原点，通过三个点PA1、PA2和PB1在两个坐标系中的坐标值，可以计算出O1和O2两个坐标系之间的变化关系，从而可以解算第二个坐标系中点在第一个坐标系中的位置。
假设第一个编码测量杆可以从数据中识别出N1个节点，第二个编码测量杆可以得到N2个节点，则有种组合，每一种组合可以计算出一个坐标变换参数，进而得出多组坐标变换参数，因此，可以进行平差处理，从而解算出更为准确的变换关系。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编码测量杆，其特征在于，包括一个控制标杆(1)和一个球形标靶(2)，所述球形标靶(2)嵌套在所述控制标杆(1)上，并可沿所述控制标杆(1)上下移动。
2.根据权利要求1所述的编码测量杆，其特征在于，所述控制标杆(1)为直杆，截面为方形或者圆形。
3.根据权利要求1所述的编码测量杆，其特征在于，所述控制标杆(1)的杆体上被不同颜色或者不同材质的涂料分割为多个长短不同的分段(3)，不同分段(3)之间的横截面中心点为分段节点(4)。
4.一种使用权利要求1所述的编码测量杆进行激光扫描变形监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A1，将编码测量杆固定在待测量场景中；
步骤A2，使用扫描仪采集编码测量杆的控制标杆的长度、编码测量杆的每个分段节点到扫描仪中心线所在平面的距离以及每个分段节点的坐标值；
步骤A3，根据步骤2采集到的数据以及已知的编码测量杆的每个分段的长度，计算扫描仪中心的高度；
步骤A4，变换扫描仪的位置，重复步骤A2-步骤A3，进行多次扫描；
步骤A5，基于第一次测量的扫描仪的中心高度，计算每一次测量的扫描仪的中心高度的旋转和高程偏移量。
5.根据权利要求4所述的编码测量杆进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，其特征在于，步骤A2中，所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点。
6.根据权利要求4所述的编码测量杆进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，其特征在于，步骤A3包括以下步骤：
步骤A31，计算得出每个分段节点的离地高度；
步骤A32，计算扫描仪中心点高度，即将编码测量杆分段节点离地高度减去编码测量杆分段节点在扫描获取的点云中测得的坐标值。
7.根据权利要求4所述的编码测量杆进行激光扫描变形监测或者点云配准的方法，其特征在于，还包括对编码测量杆上的球形标靶进行扫描测量或者对球形标靶和控制标杆共同扫描测量或者对多个编码测量杆进行扫描测量，进行平差计算。
8.一种使用权利要求1所述的编码测量杆进行多站激光扫描数据配准的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤B1，将多个编码测量杆固定在待测量场景中；
步骤B2，使用n个扫描仪，分别为扫描仪1号、扫描仪2号、…扫描仪n号，n≥2，每个扫描仪均以各自的扫描仪中心为坐标原点，分别采集每个编码测量杆的每个分段节点的坐标值；
步骤B3，选取任意三个能构成三角形的分段节点，通过所述三个分段节点在扫描仪1号中的坐标值以及在其它扫描仪中的坐标值，分别计算其他扫描仪相对于扫描仪1号的坐标变换参数。
9.根据权利要求8所述的编码测量杆进行多站激光扫描数据配准的方法，其特征在于，步骤B2中，所述分段节点为编码测量杆每个分段的截面中心点，具体获取方式为：由扫描仪扫描获取的部分编码测量杆表面点云，拟合出准确的控制标杆竖直中心线；根据控制标杆的杆体表面分段之间的点云强度差异，拟合出准确的分界线；将分界线水平投影到杆体控制标杆竖直中心面，投影的分界线与控制标杆竖直中心线相交，获得具有准确三维坐标的分段节点。
10.根据权利要求8所述的编码测量杆进行多站激光扫描数据配准的方法，其特征在于，还包括对编码测量杆上的球形标靶进行扫描测量或者对球形标靶和控制标杆共同扫描测量，进行平差计算。
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