CN104807404A - 一种多用途球形测量装置与自动提取算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途球形测量装置与自动提取算法，包括：标靶外壳、内置棱镜、棱镜盖、底座圆环。其中，棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁吸附。标靶球底部设置有连接螺旋，可固定在测量基座上；也可单独使用，任意角度旋转，灵活方便。球内预置五个反射棱镜槽，其中顶部和水平四个互相垂直方向各一个。反射棱镜采用内置卡槽式结构，安装方便，同时保证棱镜中心位于球心。标靶球采用工程材料制作，一次性成型，结实耐用不易变形；标靶球外表面采用象牙黑颜料涂抹，使用全站仪时方便提取目标，有益于提高三维激光扫描仪扫描精度。标靶布设简单易行，无需对中和整平。扫描点云采用算法进行提取和计算，可以控制计算误差，从而提高了标靶的精度。

Description

一种多用途球形测量装置与自动提取算法

技术领域

本发明涉及一种多用途球形测量装置与自动提取算法

背景技术

三维激光扫描技术又称为“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。在目前的工程应用中，测量目标物的点云信息，往往需要进行和全站仪的联测，从而实现点云数据和区域控制点坐标的联合，将点云数据转化到区域坐标系下。目前实际工程中采用的各种方法比较麻烦，转换精度比较低，更不可能进行多余观测进行数据质量检测。

常规圆棱镜由玻璃体、棱镜框、横轴(水平轴)、竖轴(垂直轴)、U型架、棱镜座等部件组成，常规棱镜可绕水平轴(即棱镜横轴)俯仰转动，也可在测量时绕垂直轴(即棱镜竖轴)转动。理论上要求棱镜无论怎样转动横轴和竖轴的中心延长线必须交于一点，测量光反射中心也要交于这一点，即机械旋转点和测量点始终保持一致，不会产生水平和垂直移动，但实际加工出的圆棱镜很难做到。这样圆棱镜就带入了自身的误差，互换使用后的误差就更大。

在对目标点进行观测时，实际上就是观测代表目标点的棱镜中心。任何目标点都存在需要从不同的位置对它进行观测的要求。要实现多个角度观测并不难，只需要棱镜能旋转就可以实现，常规圆棱镜当然也能旋转，但是常规圆棱镜在棱镜各向异性要求上(从同一位置对以不同的上、下、左、右小角度偏转的棱镜进行测量，所获得的棱镜中心的三维坐标值的差异)鲜有涉足，当旋转后圆棱镜中心代表的实际测量的物理中心位置就很难保证一致。

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。标靶采用球形设计，内置全站仪激光反射棱镜，激光反射棱镜外部采用标靶球同半径球形作为封盖，可以单独使用标靶或者 棱镜，也可以组合使用。内置五个全站仪反射棱镜，在保证标靶球位置固定的情况下，可以在不同方向同时观测标靶，保证精度的同时可以提高测量效率，也可以实现激光雷达和全站仪的联系测量，减少外业工作量。从而保证点云转换的精度。装置还可以作为普通的棱镜使用，但是比普通标靶更方便。

本发明提供的技术方案为：

一种多用途球形测量装置，包括：

标靶球外壳、内置棱镜、棱镜盖、底座圆环。其中，棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁吸附。标靶球底部设置连接螺旋，可以固定在常规测量基座上，也可以单独任意角度使用，不需要固定，依靠自身重力安置于匹配的支撑底座上，方便使用。

标靶球内部预置五个反射棱镜，其中顶部一个，四面各一个。反射棱镜采用内置卡槽式结构，安装方便，而且可以保证棱镜中心在标靶球球心。

标靶球采用整体工程材料制作，结实耐用，不易变形；

内置反射棱镜采用卡槽式装配手段，安装拆解方便，并且材料不易变形，标靶精度高。标靶球内部采用一次成型技术，同时内部预留常规反射棱镜的标准玻璃体槽位，运用螺旋阻挡的技术手段，保证玻璃体位置的正确安装与稳定。

标靶内置的全站仪反射棱镜配有球形外罩，保证了仪器的摘卸方便。在激光扫描仪使用标靶时将反射棱镜进行遮挡，防止了反射棱镜对激光扫描仪的损坏。

标靶球底部设置连接螺旋，标靶球既可以凭借自身重力放置在预配底座圆环上，也可以固定在普通测量底座上，从而可以在多种不同的环境条件下使用。

标靶球表面最后测试使用的是象牙黑这种矿物染料涂抹，方便测量人员提取目标，同时有益于提高三维激光扫描仪扫描的精度。

测量中心严格位于球心，基于简单几何原理的对中概念，五个反射棱镜分别位于四个互相垂直的立面中的一个面，竖直向上一个面，五个棱镜和标靶球圆心严格重合。

标靶布设简单易行，重复设置极其简单，无需对中，无需整平；具有可 靠的重复设置精度，无需维护；适用于任意方向的观测；平面和高程观测严格归心，使用同一装置；可以方便地放置在电杆、边墙上；

采用球型棱镜取代常规圆棱镜，从根本上免除了棱镜对中和整平过程，同时提高了棱镜在各方向获取数据的同一性，将高程测量与平面测量统一到相同物理基准上。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁连接。标靶球底部设置连接螺旋，既可以单独使用也可以用底部的连接螺旋进行连接，使用方便灵活。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述标靶球的内部预置五个反射棱镜，其中顶部一个，四面各一个，并且保证棱镜中心位于标靶球的球心。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述的标靶球整体工程材料制作，结构性好，不易变形。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述的内置反射棱镜采用卡槽式装配方式，安装拆解方便，标靶精度较高。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述激光扫描仪使用标靶时将反射棱镜进行遮挡，防止了反射棱镜对激光扫描仪的损坏。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述标靶球表面最后测试使用的是象牙黑这种矿物染料涂抹，便于工作人员进行提取目标，同时有利于提高三维激光扫描仪扫描的精度。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述测量中心严格位于球心并且五个棱镜中心和标靶球圆心严格重合。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述标靶的布设无需对中，无需整平，无需维护，适用于任意方向的观测。

所优选的是，所述的多用途球形测量装置与自动提取算法中，所述的采用球型棱镜取代常规圆棱镜，从根本上消除了棱镜对中和整平过程中的误差，从而将高程测量与平面测量统一到相同的物理基准上。

本发明中运用球形棱镜代替常规的圆棱镜，从根本上消除了棱镜的对中 和整平过程中的误差。增加了数据采集的准确度。本发明中标靶球表面使用象牙黑这种矿物染料涂抹便于工作人员进行目标提取，且有利于提高三维激光扫描仪的扫描的精度。

附图说明

图1为本发明所述的多用途球形测量装置与自动提取算法的结构示意图。

图2为本发明所述的多用途球形测量装置与自动提取算法一个棱镜的主视图。

图3为本发明所述的多用途球形测量装置带有遮光罩的一个棱镜的侧视图。

图4为本发明所述的多用途球形测量装置俯视图。

图5为本发明所述的多用途球形测量装置仰视图。

图6为本发明所述的多用途球形测量装置西南等轴视图。

图7为本发明所述的多用途球形测量装置正视图。

图8为本发明所述的多用途球形测量装置加入标靶支撑柱的效果图。

图9为本发明所述的多用途球形测量装置使用标准底座的效果图。

图10为本发明所述的多用途球形测量装置加上外罩的效果图。

图11为本发明所述的多用途球形测量装置与提取算法中的提取算法种子点选取的示意图。

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所示标靶球外壳、内置棱镜、棱镜盖、底座圆环。其中，棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁吸附。标靶球底部设置连接螺旋，可以固定在常规测量基座上，也可以单独任意角度使用，不需要固定，依靠自身重力安置于匹配的支撑底座上。标靶球内部预置五个反射棱镜，其中顶部一个，四面各一个。反射棱镜采用内置卡槽式结构，安装方便，而且可以保证棱镜中心在标靶球球心。

如图2所示为一种多用途球形测量装置的侧视图。可以看到其中的一个棱镜，以及它独特的卡槽结构。

如图3所示为一种多用途球形测量装置其中一个棱镜的侧视图。其中可以清楚地看到它的棱镜保护壳结构。

如图4所示为一种多用途球形测量装置的俯视图。从中可以清楚的看到五个棱镜在空间中的排列方式。五个棱镜的中心位置在一个点上。

如图7所示为一种多用途球形测量装置透视图中的正视图。可以清楚地看到正面棱镜的结构。

利用球面拟合技术假设球面的中心为P_O(x_o，y_o，z_o)，半径为r，则球面公式为：

(x-x_o)²+(y-y_o)²+(z-z)²＝r     (1) 

球面拟合采用全最小二乘准则，公式如下：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{{(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2+{(z_i-c)}^2}-R)}^2=\min ---\left(2\right)$

其中的几何意义为所有的离散点到拟合球面的几何距离平方和最小。

采用穷举法搜索所有离散点，进而求解球参数，获取球方程，从而绘制球体，完成对标靶球的拟合，获取球心坐标。

具体方法： 

1)种子点的选取 

由于球的特有性质，无论从球面的哪个方向扫描，得到的点云数量及形 状都基本相同，把球投影到各个方向也都是圆。根据球的这些特有性质及栅格点云的分布情况要把种子点选为对称的形状，以一点为中心向八个方向放射的星形结构能较好地拟合球面，减小拟合球面所导致的误差。种子点选取示意如图11。

2)球面提取自适应参数确定

在选择好种子点后，将它们拟合成所需要的二次曲面。然后计算分好的每小块点云中点与该二次曲面的距离，当距离小于某一阈值时，可以认为该点是二次曲面上的点。当这些符合条件的点达到一定数量，便可以认为该符合条件的点集合能够拟合成我们需要的二次曲面，再用这些符合条件的点拟合成精确的二次曲面。距离阈值和符合条件点的个数(以下称合格点)是需要确定的两个自适应参数，参数选得理想与否直接关系到球面提取的正确性和精度。

合格点是首先需要确定的。根据选择的种子点可以确定所选种子点附近的点密度a，又已知在点云中的球半径R，则球的投影面积为πR²，球面上合格点通过公式πR²/a的值来判定。

距离阈值的选择也必须适当。太大的阈值会导致误差点的选入，影响球面提取的精度，失去了该方法剔除误差点的优势。由于每种三维激光扫描仪都有一定的点位精度，距离阈值太小会导致球面上的三维点无法全部提取，无论怎样选择种子点都不能提取合格点，不能从点云中提取出球面。

3)球面点集聚类 

球面方程

$F(x,y,z)=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}-R=0---\left(3\right)$

其中，x₀，y₀，z₀，R为球面参数，o＝(x₀，y₀，z₀)表示球面中心，R表示球面半径。球面方程的一般形式

$F(x,y,z)=x^2+y^2+z^2+c_{7}x+c_{8}y+c_{9}z+c_{10}=0\left\{\begin{array}{c}{x}_0=-\frac{c_7}{2}\\ y_0=-\frac{c_8}{2}\\ z_0=-\frac{c_9}{2}\\ R=\frac{\sqrt{{c_7}^2+{c_8}^2+{c_9}^2-4c_{10}}}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

用种子点拟合球面，由球面方程(3)通过参数变换得到球面方程(4)球面拟合可以采用线性最小二乘法实现。

由于方程(4)中包含常数项x_i ²+y_i ²+z_i ²，故可以采用奇异值分解法求解。球面拟合方程组Ax＝b，其中

$A=\left[\begin{array}{cccc}{z}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ x_n& y_n& z_n& 1\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{c}{c}_7\\ c_8\\ c_9\\ c_{10}\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{x_1}^2+{y_1}^2+{z_1}^2\\ {x_2}^2+{y_2}^2+{z_2}^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {x_n}^2+{y_n}^2+{z_n}^2\end{array}\right]---\left(5\right)$

在求得最小二乘解x后，通过坐标转换公式(4)就可以得到球面参数：球心坐标(x₀，y₀，z₀)和半径R。

根据公式

$\mathrm{Dis}=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2}-R---\left(6\right)$

得到样本点到拟合球面的距离。如果Dis小于阈值则判定该点为球面上的点，反之则留在样本点集中等待其他拟合对象的判定。

图中，标靶球外壳1、内置反射棱镜2、棱镜遮光罩3、遮光罩吸附磁铁4、底座5、底部固定螺旋6、反射棱镜固定螺旋7。

Claims (10)

1.一种多用途球形测量装置与自动提取算法，其特征在于，包括：标靶球包括外壳、内置棱镜、棱镜盖、底座圆环。其中，棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁吸附。标靶球底部设置连接螺旋，可以固定在常规测量基座上，也可以单独任意角度使用，灵活方便。同时标靶球内部预置五个反射棱镜，其中顶部一个，四面各一个。反射棱镜采用内置卡槽式结构，安装方便，而且可以保证棱镜中心在标靶球球心。标靶球采用整体工程材料制作，结实耐用，不易变形；内置反射棱镜采用卡槽式装配，安装拆解方便，并且材料不易变形，标靶精度高。标靶内置的全站仪反射棱镜配有球形外罩，保证了仪器的摘卸方便和扫描仪器安全。在使用激光扫描仪扫描标靶时用球形外罩将反射棱镜进行遮挡，防止反射棱镜对激光扫描仪扫描头的损坏。标靶球底部设置连接螺旋，标靶球既可以凭借自身重力放置在预配底座圆环上，也可以固定在普通测量底座上，从而可以在多种不同条件下使用。标靶球表面使用的是经过测试的象牙黑这种矿物染料涂抹，方便测量人员提取目标，同时有益于提高三维激光扫描仪扫描的精度。标靶布设简单易行，重复设置极其简单，无需对中，无需整平；采用球型棱镜取代常规圆棱镜，从根本上免除了棱镜对中和整平过程，将高程测量与平面测量统一到相同物理基准上。

2.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述的新型的多用途球形测量装置中棱镜盖和标靶球之间采用圆形磁铁连接。标靶球底部设置连接螺旋，既可以单独使用也可以用底部的连接螺旋进行连接，使用方便灵活。

3.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述标靶球的内部预置五个反射棱镜，其中顶部一个，四面各一个，棱镜中心位于标靶球的球心。

4.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述的标靶球整体工程材料制作，结构稳定性好，不易变形。

5.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述的内置反射棱镜采用卡槽式装配方式，安装和拆解方便，标靶精度较高。

6.如权利要求1所述所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述激光扫描仪使用标靶时将反射棱镜进行遮挡，防止了反射棱镜对激光扫描仪的损坏。

7.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述标靶球表面最后测试使用的是象牙黑这种矿物染料涂抹，便于工作人员进行提取目标，同时有利于提高三维激光扫描仪扫描的精度。

8.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述测量中心严格位于球心并且五个棱镜和标靶球圆心严格重合。标靶的布设无需对中，无需整平，无需维护适用于任意方向的观测。

9.如权利要求1所述的多用途球形测量装置，其特征在于，所述的装置采用球型棱镜取代常规圆棱镜，从根本上减少了棱镜对中和整平过程中的误差，从而将高程测量与平面测量统一到相同的物理基准上。

10.如权利要求1所述的自动提取算法，其特征在于，所述的装置外表面采用特有的图案进行绘制，结合本算法可以自动提取图案，计算出标靶球心坐标。