CN104809754A - 一种基于三维实景模型的空间同步定位和信息记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间同步定位和信息记录的系统，主要可用于建构筑物中采集信息时，对其所在的位置在三维实景模型中进行定位，并且将采集的信息记录在所对应的位置上。本发明的系统首先通过三维激光扫描仪获取观测对象表面的三维点云数据，经过点云数据处理软件和逆向建模软件处理得到带有三维坐标信息的三维实景模型，并基于三维实景模型建立计算机端软件平台；计算机终端的三维实景模型软件平台连接在一个万向云台定位仪上，可对观测对象上的任意位置进行瞄准。该定位仪以万向云台和激光发射仪为基础，建立可搭载信息采集仪器的万向云台定位仪，同时内置数据处理、存储和传输的模块。最后万向云台定位仪和三维实景模型软件平台按照一种空间匹配的方法进行三维实景模型和实际空间的匹配，从而成为具有空间同步定位和信息记录功能的系统。

Description

一种基于三维实景模型的空间同步定位和信息记录系统

技术领域

本发明涉及一种空间同步定位和信息记录的系统，特别是一种可应用于建构筑物领域帮助信息采集设备所捕捉的位置在三维实景模型实现同步定位并进行信息记录的系统。

技术背景

目前在工程检测中，虽然可以通过图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等实现远程捕捉大型建筑物上的开裂、钢筋裸露、热量泄露、变形等缺陷，但是对于缺陷所在位置真实坐标系的定位和标记，却没有很好的解决方法，给后续的改进、修缮、监测等工作带来不小的困难。比如，就图像采集来说，当捕捉到的缺陷较小，而建筑物较为规则，表面缺乏明显可识别特征时，就难以为图像捕捉到的缺陷进行定位，只能耗费大量的人力寻找发现的缺陷的位置。即便找到的缺陷进行修复之后，需要再次对后续的质量进行评估也无法准确的定位，还需要人工重复前面寻找的工作。

而此前解决这类问题采用比较低效的方法，比如在规则建筑物表面建立识别特征。例如，核电站反应堆的保护罩的安全检测需求较高，但因为表面是一个较为规则的圆柱面，因此没有可识别的特征。国内旧有的方法是在核电站保护罩的表面纵向划分区域，每个区域都用数字标记。当图像采集设备捕捉到缺陷时，同时需要找到和记录所在区域的数字标记，维修时还需要人工进行竖向查找。这种方法除了需要耗费大量人工，同时精确度也不够。

另一种力图解决定位问题的方法，也主要应用在图像捕捉方面，就是首先建立观测对象的CAD模型，再利用CAD模型对图像捕捉仪器观测到的缺陷进行空间定位，并且将捕捉到的图像关联在观测对象CAD三维展开图上。这种方法较前面特征标记的方式有了很大的进步，是一种相对智能的方法。在法国等西方国家已经有公司研发了类似解决方案和系统。但是这种方法仍然存在许多缺点，首先CAD模型和观测对象的真实情况存在一定的差距，对于精度要求较高信息无法准确的从模型中反应出来；而CAD展开图这种二维效果的可视化不够高，记录的信息单一，目前只能用于图像信息的记录，有很大的改进的空间；同时这种方法的技术门槛很高，价格昂贵，没有成为普及的解决方法。

发明内容

为了解决上述现有技术不足之处，并且进一步在智能化、可视化、精确性上进行突破，本发明运用新兴的三维激光扫描技术，对观测对象及其周围环境进行三维实景复制，建立基于点云数据的真实模型。三维激光建模技术又称为实景复制技术，被认为是继GPS空间定位系统之后测绘技术领域的一项革命性突破，具有非接触性、快速性、高密度、高精度、数字化、自动化等特性，并且正在逐步被应用在工程中。因为该技术建立的是实景模型，因此模型中的空间数据具有非常大的价值。本发明正是以该模型为基础搭建软件平台，作为后面的信息记录平台。

建立数据模型之后，通过建立具有激光定位和信息传输功能的万向云台作为搭载图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等信息采集设备的硬件平台。该平台能够将激光照射的目标点，经过一系列数据计算和处理，与前面所述三维实景模型中的该点，实现同步定位。

最后，该系统将万向云台搭载的图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等信息采集仪器获取的信息，传输到三维模型所在的位置，记录下来。如此，数据采集仪器采集的信息和采集对象的真实三维模型之间实现了同步定位和信息记录。

具体来说，本发明专利所述系统通过以下方案来实现：

A、搭建基于观测对象的三维实景数字模型的软件平台。步骤如下：

1.用三维激光扫描仪对观测对象及其周围环境进行扫描。这个过程中，观测对象作为建立模型的主体，需要对其表面的三维数据进行全面采集，不能有遗漏。采集观测对象周围的数据主要是为了后面可以获得观测点的三维信息，因此范围不需要过大，够用即可。

2.将三维激光扫描仪获取的点云数据，导入计算机的三维数据处理软件，进行点云拼接、去除、降噪、封装，生成曲面并优化，最终建立彩色的三维实景模型。

3.将三维实景模型导入所开发的可以和万向云台采集的数据进行转化和同步的软件中，建立信息存储和管理平台。

B、构建基于万向云台的定位仪。定位仪主要包括下面的模块：

1.万向云台：即能够进行全方位转动的平台，内部有两个电机，一个驱动水平360度旋转，另一个驱动上下角度的转动。并且转动精度高，每一次转动的数据都能自动记录。

2.激光定位模块：即在万向云台上发射激光为观测点定位的模块，使激光照射点为观测目标。

3.计算模块：内置于万向云台计算软件模块，可根据之前记录的已知靶标点坐标和自身坐标，结合自身转到观测点的水平和垂直角度，计算出观测点的坐标。

4.搭载采集仪器模块：这个模块主要是用来搭载数据采集仪器，如图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等，保证这些仪器采集数据时与激光同轴，使得激光照射点即为仪器数据采集的中心。

5.数据的存储模块：数据存储主要有万向云台本身的位置信息、激光照射目标点信息和所搭载的数据采集仪器采集的信息。

C、数据处理、传输和同步定位：

1.数据传输：本发明实现包括万向云台的数据和计算机端的数据可通过wifi和数据线的相互传输。

2.数据处理：本发明在数据处理功能上，首先，万向云台自身的软件能将目标点的信息进行转换，以便接下来可以在观测对象的三维实景模型中定位；同时，让采集仪器获取的数据通过处理，可以输出到计算机端的三维实景模型软件平台使用，并且在模型中标记和关联起来。

3.同步定位：本发明所述的同步定位，可在计算机的实景模型中进行可视化操作，选择某个点时，可控制万向云台，在观测对象中定位到该点；也可以通过遥控万向云台，定位到某点时，计算机端的三维实景模型也同步移动到该点。

本发明专利的有益效果是：

本发明专利用三维激光扫描技术获取被观测对象的点云数据建立三维实景模型，其空间数据价值高，可进行可视化操作，记录信息直观；本发明同步定位和自动记录实现自动化、智能化、数字化，在测量、搜索缺陷、记录信息等方面大量替代人工操作，大大提高效率和节约成本；对已经记录的信息，可在模型中逆向操作，控制万向云台对维修之后缺陷位置进行重复检查；万向云台定位仪可搭载可多种信息采集仪器并且接口可以不断扩展，让多种数据采集仪器通用一套硬件平台；同时，实现采集信息和空间信息全数字化，以三维数字空间为容器，融合记录多维信息，便于管理、分析、分享、协同工作和永久保存。

附图说明

图1为三维实景建模流程图；

图2为核电保护罩点云效果图；

图3为核电保护罩点云模型图；

图4为核电保护罩三角化模型图；

图5为系统工作示意图，其中1.被测对象，2.缺陷，3.靶标，4.三维实景模型，5.计算机，6.数据线，7.三脚架，8.万向云台，9.激光定位仪，10.搭载平台

图6为定位原理图

图7为万向云台定位仪转角和空间关系图

具体实施方式

下面我们结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，为建立观测对象的三维实景模型的过程，分为以下五个步骤：

1.张贴定位靶标：张贴靶标的总数量根据扫描对象所需要的扫描站数而定，每一站需要在扫描对象上贴5个以上的靶标（不共线，不共面），并且两站扫描之间，至少需要有两个共同的靶标。这些靶标将作为点云拼接的特征点，以及建立空间坐标系的特征点。

2.三维激光扫描：即用三维激光扫描仪将被测物体的表面的空间信息进行采集，为后面建立三维实景模型的数据基础。

3.点云数据处理：对三维激光扫描仪获取的点云数据进行附色、拼接、降噪、合并、优化等，成为适合于建立模型的整体点云数据。

4.建立实景模型：根据点云数据，根据需要和要求建立被测物体三维点云模型、三角化模型用于搭建软件平台的三维实景模型。

5.建立软件平台：基于实景模型建立用于空间同步定位和信息记录的软件平台。

下面结合实例对本流程进行说明：

本实例采用Z+Fimager5010C三维激光扫描仪对国内某核电保护罩进行扫描，采集原始数据，并逆向建模软件Geomagic Studio对扫描采集的数据进行处理，建立核电保护罩的三维实景模型，最终基于三维实景模型软件平台，具体操作过程如下：

步骤1：在核电保护罩上粘贴靶标。因为该核电保护罩为圆柱面，为了实现不同扫描站点之间的数据拼接，确保每一个扫描站能看到5个不共线不共面的靶标。

步骤2：用Z+Fimager5010C三维激光扫描仪对核电保护罩整体进行扫描。为了数据的充分采集，本人在不同位置和角度上进行了24站的扫描。

步骤3：将三维激光扫描仪获取的核电保护罩数据导入计算机中进行建模。建模过程按如下子步骤：

①点云附色：步骤2中三维激光扫描仪获取的数据包括点的三维坐标和颜色信息，这里将颜色信息添加到三维坐标点中，只需要用Z+Fimager5010C扫描仪配套的Z+Flaser control软件打开扫描后的数据，执行附色操作。

②进行点云拼接：不同站点扫描的数据，有着不同的坐标系，这一步就是将坐标系统一起来。在Z+Flaser control中标记出步骤1中所贴靶标点的位置，软件将根据这些靶标点，进行基于特征的拼接，最终让所有数据统一在同一坐标系下。如图2所示，为数站拼接在一起的核电保护罩点云效果图。

③建立点云模型：将统一坐标系后的点云数据导入到Geomagic Studio中，去除无用的点云和采集过程中的噪点，进行点云合并和统一采样等操作，使点云数据得到优化，并构成一个整体的核电保护罩的实景三维点云模型，如图3所示，为合并之后建立的核电保护罩点云模型图。

④曲面化模型：为了让核电保护罩具有更好的三维可视化效果，进一步进行模型化处理。将点云模型在Geomagic Studio中进一步封装成三角化模型。如图4，即为在Geomagic Studio中封装的核电保护罩三角网模型图。此后可根据需要建立NURBS曲面模型，以及参数化模型。

步骤4：基于核电保护罩的三维点云模型和三角化模型开发软件平台，使其能进行可视化操作，具备所需的信息记录功能，以及与万向云台定位仪同步定位等功能。

接下来，对本发明的系统是如何实现空间同步定位和信息记录的工作进行说明：

图5为系统工作示意图，三维实景模型软件平台（4）和计算机（5）组成系统的计算机终端；万向云台（8）、激光发射仪（9）、三脚架（7）和搭载其他数据采集仪器的搭载平台（10）构成了万向云台定位仪；计算机终端和万向云台定位仪通过数据线（6）或者wifi实现数据传输；被测对象（1）上的多个已知靶标点（3）的作用是当万向云台定位仪处在不同的位置时，可通过这些靶标点与计算机端的三维实景模型的匹配完成对其定位和达成空间匹配；最终本系统所要做到的是当万向云台定位仪找到缺陷（2）时，计算机端的三维实景模型能自动对位到该点，显示该点的三维坐标，并对搭载平台中的仪器所采集的该位置的图像、变形、温度等信息进行记录。同时，此后也可通过在计算机端定位改点，从而使万向云台定位仪自动搜索定位到该点。

不管是对缺陷位置的正向同步定位还是逆向搜索，前提是计算机终端的三维实景模型和实际观测对象完成空间匹配。下面结合图6和图7对其原理进行说明。

如图6，当万向云台定位仪被放置在O处时，O的坐标是未知的。我们需要得出O的三维坐标，并且让三维实景模型中的坐标系和外界环境的空间坐标系匹配起来。

我们选定观测对象上的A（x_A,y_A,z_A）、B(x_B,y_B,z_B)、C(x_C,y_C,z_C)三个已知靶标点为匹配点，进行手动匹配。

首先手动调整万向云台定位仪，使其发射的激光光斑点投射在A上，同时在计算机软件中将三维实景模型中的定位调整到A点，这时计算机将其坐标反馈给万向云台定位仪，作为此次观测匹配的起始点。

手动调整万向云台定位仪，将激光投射到B点，并在计算机中的的三维实景模型中对B点完成坐标匹配。从A到B万向云台水平转角为α₁，垂直转角为θ₁。如图7，可知AOD和BOD是两个垂直的面，D为A在两个面相交直线上的垂点，则可知BD也垂直AD，于是可得到：

$L_{\mathrm{AB}}^2=L_{\mathrm{AD}}^2+L_{\mathrm{BD}}^2---\left(1\right)$

其中

L_AD＝R_A·sinα₁

根据余弦定理可知且R_D＝R_Acosα_i，所以有

$L_{\mathrm{BD}}^2=R_B^2+{\left(R_A\cos {\mathrm{\α}}_1\right)}^2-{2R}_A{R}_B\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\α}}_1---\left(3\right)$

将公式（2）和公式（3）代入（1），则

$L_{\mathrm{AB}}^2={\left(R_A\sin {\mathrm{\α}}_1\right)}^2+R_B^2+{\left(R_A\cos {\mathrm{\α}}_1\right)}^2-2R_A{R}_B\cos {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1$

又cos²α₁+sin²α₁＝1所以

$L_{\mathrm{AB}}^2=R_A^2+R_B^2-{2R}_A{R}_B\cos {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1---\left(4\right)$

如图6，再次转动万向云台定位仪，从B到C，同时在计算机的三维实景模型中完成坐标匹配。根据万向云台转过的水平转角α₂，垂直转角θ₂，同上面的计算方法可得到：

$L_{\mathrm{BC}}^2=R_B^2+R_c^2-{2R}_B{R}_c{\cos \mathrm{\α}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2---\left(5\right)$

最后，让万向云台定位仪从C转回A，转动的水平角为α₃垂直角度为θ₃，同样得到：

$L_{\mathrm{AC}}^2=R_A^2+R_c^2-2R_A{R}_c\cos {\mathrm{\α}}_3\cos {\mathrm{\θ}}_3---\left(6\right)$

联合公式（4）、（5）、（6），可以得到万向云台所在的位置O到A（x_A,y_A,z_A）、B(x_B,y_B,z_B)、C(x_C,y_C,z_C)三个已知靶标点的距离R_A、R_B、R_C。设O的坐标为（x_O,y_O,z_O），则

$R_A^2={(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2+{(a_A-z_O)}^2---\left(7\right)$

$R_B^2={(x_B-x_O)}^2+{(y_B-y_O)}^2+{(z_B-z_O)}^2---\left(8\right)$

$R_C^2={(x_C-x_O)}^2+{(y_C-y_O)}^2+{(z_C-z_O)}^2---\left(9\right)$

联合公式（7）、（8）、（9）可以x_O、y_O、z_O值，即为O的坐标。

得到O点的坐标之后，万向云台定位仪将O的坐标值传输到计算机端，并在三维实体模型中完成定位和匹配。此时通过四点的坐标匹配，也完成了观测对象与三维实景模型的空间匹配。

此后，让万向云台和三维实景模型进入同步定位模式。这时候了实现正向同步定位和信息记录，同时也可以根据已有的记录信息逆向定位。比如E为缺陷位置，在同步定位模式下，当万向云台定位仪定位到E点时，计算机的三维实体模型软件平台根据万向云台定位仪转过的角度信息同步定位到E点，同时可以将万向云台定位仪搭载的图像采集仪、热影像仪、变形监测仪等采集的信息，附在该点上。而当下次需要找到E点时，再次进行上述空间匹配操作，当三维实体模型软件平台定位到E点时，万向云台定位仪的激光也会定位到实际空间中的E点。

Claims (4)

1.一种基于三维激光扫描获得的点云数据建立的三维实景模型，与万向云台定位仪相结合建立空间同步定位和信息记录系统，其建立的方法为：通过三维激光扫描仪获取观测对象表面的三维点云数据，经过点云数据处理软件和逆向建模软件处理得到带有三维坐标信息的三维实景模型，并基于三维实景模型建立计算机端软件平台；以万向云台和激光发射仪为基础，搭建可搭载信息采集仪器的万向云台定位仪，同时内置数据处理、存储和传输的软件模块；最后万向云台定位仪和三维实景模型软件平台按照一种空间匹配的方法进行三维实景模型和实际空间的匹配，从而成为具有空间同步定位和信息记录的系统。

2.根据权利1所述的基于三维实景模型同步定位和信息记录的系统，其特征为：三维实景模型基于三维激光扫描技术，是对实景进行复制，具有真实的三维空间坐标，并且基于这一特点实现空间定位。

3.根据权利1所述的基于三维实景模型同步定位和信息记录的系统，其特征在于：万向云台定位仪由万向云台实现任意角度的旋转，由激光发射仪完成目标点的定位，且具有能搭载其它数据采集设备的搭载平台，成为多种数据采集仪器通用的定位平台。

4.根据权利1所述的基于三维实景模型同步定位和信息记录的系统，其特征在于：空间匹配是通过手动匹配三个已知的靶标点A（x_A,y_A,z_A）、B(x_B,y_B,z_B)、C(x_C,y_C,z_C)，以及计算万向云台定位仪所在点O点，完成空间匹配。方法如下：让万向云台分别从A到B到C，再回到A，记录所转过的水平和垂直角度分别为α₁、θ₁和α₂、θ₂及α₃、θ₃，则得到万向云台定位仪所在点O（x_O,y_O,z_O）到A、B、C三点之间的距离R_A、R_B、R_C和A、B、C三个点之间的距离L_AB、L_BC、L_CA的关系为：

$L_{\mathrm{AB}}^2=R_A^2+R_B^2-2R_A{R}_B\cos {\mathrm{\α}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1---\left(1\right)$

$L_{\mathrm{BC}}^2=R_B^2+R_c^2-{2R}_B{R}_c{\cos \mathrm{\α}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2---\left(2\right)$

$L_{\mathrm{AC}}^2=R_A^2+R_c^2-2R_A{R}_c\cos {\mathrm{\α}}_3\cos {\mathrm{\θ}}_3---\left(3\right)$

$R_A^2={(x_A-x_O)}^2+{(y_A-y_O)}^2+{(a_O-z_O)}^2---\left(4\right)$

$R_B^2={(x_B-x_O)}^2+{(y_B-y_O)}^2+{(z_B-z_O)}^2---\left(5\right)$

$R_C^2={(x_C-x_O)}^2+{(y_C-y_O)}^2+{(z_C-z_O)}^2---\left(6\right)$

联合公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）可得到O（x_O,y_O,z_O)点的坐标。再将万向云台定位仪所在的位置O，反馈到三维实景模型中进行定位，从而完成空间匹配。