CN106123798B - 一种数字摄影激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字摄影激光扫描装置，激光扫描测量模块用于采集空间目标的三维激光扫描点云数据；数字相机模块用于获取视场范围内的数字影像；水平扫描基座带动所述扫描装置整机绕竖直轴360°旋转；所述定位整平模块用于获取所述扫描装置摄站点的全局坐标系下坐标；所述控制计算模块分别控制所述激光扫描测量模块进行扫描、所述数字相机模块进行曝光、所述水平扫描基座进行旋转以及所述定位整平模块进行测量；所述刚性支架模块，用于构建摄站激光点云和数字影像的设备坐标系，并通过所述定位整平模块将设备坐标系的激光点云和数字影像变换到全局坐标系。该装置紧凑集成、体积小、重量轻，可实现全视场激光点云数据和数字影像的获取。

Description

一种数字摄影激光扫描装置

技术领域

本发明涉及激光扫描测量装置技术领域，尤其涉及一种数字摄影激光扫描装置。

背景技术

三维激光扫描技术从上世纪90年代的原理样机逐步商品化而投入实际应用，已经成为三维空间信息获取不可缺少的技术手段。随着市场应用需求的提高，特别是地面三维激光扫描技术得到了迅速的发展，一方面要求设备整体性能提高，包括点云密度、测量精度、自动化处理程度等；另一方面需要集成GNSS、数码相机等部件，要求设备集成化、小型化、重量轻，以便于野外作业。

现有技术方案中，数字影像是通过激光扫描仪上部外置安装的一部数码相机得到的，由于外置相机的安装姿态在设备拆装和转换摄站时不能保证稳定不变，必须进行各摄站激光点云和数字影像的标定；同时由于单部相机的视场角有限，获取的数字影像范围也小；而每个摄站均计算标定参数，极大地增加了激光点云和数字影像融合的工作量。

发明内容

本发明的目的是公开一种数字摄影激光扫描装置，该装置紧凑集成、体积小、重量轻，可在统一坐标系下实现激光点云和数字影像的采集，拼接及三维空间数据融合，从而有效提高全局坐标系下空间三维彩色纹理数据的获取效率。

一种数字摄影激光扫描装置，所述扫描装置包括激光扫描测量模块、数字相机模块、刚性支架模块、水平扫描基座、定位整平模块和控制计算模块，其中：

所述激光扫描测量模块用于采集空间目标的三维激光扫描点云数据，具体包括光电主动测量单元，扫描驱动装置和扫描镜，其扫描驱动机构带动扫描镜绕水平轴360°旋转实现激光扫描测量；

所述数字相机模块用于获取有效激光扫描视场范围内的数字影像，该数字相机模块的数字相机按设定角度安装在所述扫描装置的一侧或两侧；

所述刚性支架模块实现对所述激光扫描测量模块和数字相机模块的刚性联接和支撑，同时构建数字摄影激光扫描装置的设备坐标系，并与水平扫描基座、定位整平模块建立固定的坐标转换关系；

所述水平扫描基座带动所述扫描装置整机绕竖直轴360°旋转，使所述扫描装置获取摄站全视场范围的激光扫描点云数据和数字影像；

所述定位整平模块用于获取所述扫描装置摄站的全局坐标和姿态数据；

所述控制计算模块分别控制所述激光扫描测量模块进行扫描、所述数字相机模块进行曝光、所述水平扫描基座进行旋转以及所述定位整平模块进行测量，并存储所获取的激光扫描点云数据、数字影像、旋转角度及GNSS坐标数据。

所述激光扫描测量模块扫描测量所得三维激光点云和所述数字相机模块的数字影像通过坐标转换统一到设备坐标系中，并通过所述定位整平模块实现全局坐标系(GNSS)下定向和定位，最终得到全局坐标系下的高分辨彩色纹理三维空间测量数据。

所述激光测量模块绕水平轴在360°范围旋转扫描，其水平轴扫描机构安装在刚性支架上。

所述数字相机模块包含内置的一部或多部测量型数码相机，且所述数码相机在水平方向上排列或在竖直方向上排列，并安装于刚性支架上。

若包含多部测量型数码相机，则多部数码相机间的视场部分交叠，且多部数码相机所获取的影像能实现无缝拼接。

所述多部测量型数码相机，按设定角度安装，相机视场在垂直方向交叠，实现了大视场激光扫描点云范围的数字影像覆盖。

所述激光扫描测量模块与数字相机模块间的安置关系确定，其位姿关系通过设备标定完成，通过整平、对中和定向，获取全局坐标系下的大网格密度、高精度及高分辨彩色纹理的三维空间测量数据。

所述定位整平模块，通过整平、对中和定向，可以实现扫描装置所采集数据的设备坐标到全局坐标的变换。

所述装置还包括扫描保护窗，通过该扫描保护窗为所述激光扫描测量模块提供防护。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该装置紧凑集成、体积小、重量轻，可有效实现全视场激光点云和数字影像的获取，得到全局坐标系下高精度、高分辨率的彩色点云，从而有效提高相关领域空间信息获取的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供数字摄影激光扫描装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供数字摄影激光扫描装置的另一结构示意图；

图3为本发明所举实例中数字相机模块所包含的两个相机按设定角度安装的示意图；

图4为本发明所举实例两个相机按设定角度安装的另一示意图；

图5为本发明所举实例两个相机按设定角度安装的第三种示意图；

图6为本发明实施例所提供空间目标点与设备坐标的关系示意图；

图7为本发明所举实例中GNSS模块与装置对中点的关系示意图；

图8为本发明所举实例中扫描装置GNSS全局坐标数据采集摄站的关系示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供数字摄影激光扫描装置的结构示意图，所述扫描装置包括激光扫描测量模块1、水平扫描基座2、数字相机模块3、刚性支架模块4、定位整平模块5和控制计算模块6，其中：

所述激光扫描测量模块1用于采集空间目标的三维激光扫描点云数据，具体包括驱动装置和扫描镜，所述驱动装置的驱动轴为空心轴，所述扫描镜设置于所述空心轴的一端，接收光束经过所述扫描镜，通过空心轴内腔形成接收光，所述空心轴带动所述扫描镜绕水平方向360°旋转。

所述数字相机模块3用于获取视场范围内的数字影像；该数字相机模块3按设定角度安装，安装在所述扫描装置的一侧或两侧；具体实现中，该数字相机模块包含内置的一部或多部测量型数码相机，且所述数码相机在水平方向上排列或在竖直方向上排列，如图1为数码相机在水平方向上排列的整体结构图，如图2所示为数码相机在竖直方向上排列的整体结构示意图。

所述刚性支架模块4实现对所述激光扫描测量模块和数字相机模块的刚性联接和支撑，同时构建数字摄影激光扫描装置的设备坐标系，并与水平扫描基座、定位整平模块建立固定的坐标转换关系。

所述水平扫描基座2带动所述扫描装置整机绕竖直轴360°旋转，使所述扫描装置获取摄站全视场范围的激光扫描点云数据和数字影像；这样当扫描装置水平转动时，数字影像可实现水平方向360°覆盖，且在竖直方向和360°水平旋转方向上与激光扫描点云数据重叠；上述激光扫描测量模块1与数字相机模块3间的安置关系通过设备标定完成，在通过整平、对中和定向后，获取全局坐标系下的大网格密度、高精度及高分辨彩色纹理的三维空间测量数据。经过设备参数和安置参数标定后，不再需要重复标定。

所述定位整平模块5用于获取所述扫描装置在全局坐标系下的坐标；该定位整平模块5可以实现摄站的全局坐标测量和姿态测量，进一步的，全局坐标系下的摄站定位可以通过全球卫星导航系统(GNSS)和对中整平实现。

所述控制计算模块6分别控制所述激光扫描测量模块1进行扫描、所述数字相机模块3进行曝光、所述水平扫描基座2进行旋转以及所述定位整平模块5进行测量，并存储所获取的激光扫描点云数据、数字影像、旋转角度及GNSS坐标数据。

所述激光扫描测量模块扫描测量所得三维激光点云和所述数字相机模块的数字影像通过坐标转换统一到设备坐标系中，并通过所述定位整平模块实现全局坐标系(GNSS)下定向和定位，最终得到全局坐标系下的高分辨彩色纹理三维空间测量数据。

进一步的，激光扫描点云数据和数字影像数据可以通过装置内各单元间所建立起的坐标转换关系，实现全局坐标系下数据采集、测量和数据处理。

具体实现中，上述激光测量模块进一步为竖直方向扫描机构，该竖直方向扫描机构绕水平轴在360°范围旋转。

进一步的，当数字相机模块包含多部测量型数码相机时，多部数码相机间的视场部分交叠，且多部数码相机所获取的影像能实现无缝拼接，扫描仪水平转动时，数码相机影像可在垂直方向和360°水平旋转方向与激光扫描点云重叠。

上述激光扫描测量模块1与数字相机模块3间安置关系确定，其位姿关系通过设备标定完成，在通过整平、对中和定向后，可以获取全局坐标系下大网格密度、高精度及高分辨彩色纹理的三维空间测量数据。

另外，所述装置还可以包括扫描保护窗，通过该扫描保护窗为所述激光扫描测量模块提供防护。

下面以具体的实例对上述数字摄影激光扫描装置的结构和工作过程进行详细描述，该实例中的数字摄影激光扫描装置包括激光测量模块、数字相机模块、刚性支架模块、水平扫描基座、GNSS模块和控制计算模块，其中：

如图3所示为本实例中数字相机模块所包含的两个相机按设定角度安装的示意图，如图4所示为两个相机按设定角度安装的另一示意图，如图5所示为两个相机按设定角度安装的第三种示意图，其中图3和4的相机安装在装置的一侧，图5的相机安装在装置的对侧，结合图3-5，两部相机的相机1视场角为α，相机2视场角为α'，装置同侧或对侧安装相机时，使相机视场交叠，即视场小于α+α'，并覆盖激光扫描装置的有效扫描范围。

如图6所示为本实施例所提供空间目标点与设备坐标的关系示意图，结合图6，本实例中在设备置平并初始化后，通过刚性支架构建了数字摄影激光扫描装置的设备坐标系，此时激光扫描指向和转台指向处于零位，各单元模块与设备坐标系之间的关系通过一次设备标定完成，则摄站内任意一激光扫描和数字影像目标点的设备坐标由以下模型得到：

如图7所示为本实例中GNSS模块与装置对中点的关系示意图，结合图7，本实例中的数字摄影激光扫描装置，GNSS模块的天线与激光对中点有严格的几何位置关系，只需安置设备高度，通过GNSS模块就可以得到激光扫描装置的设备原点全局坐标。

如图8所示为本实例中数字摄影激光扫描装置GNSS全局坐标数据采集摄站的关系示意图，结合图8，本实例中数字摄影激光扫描装置在置平、对中后，由GNSS模块获取装置对中点的GNSS坐标，通过控制点或者GNSS基站点实现激光扫描装置定向，再经过逐站对中点定向，可以将整个测区的激光点云数据和数字影像数据处理到统一的全局坐标系或国家坐标系下，作为一种具体实施的示例，刚性支架模块为基准的设备坐标系到全局坐标系的转换步骤如下：

a)将激光点云数据解算到扫描摄站设备坐标系；

b)将扫描摄站设备坐标系的激光点云数据转换到定向目标的摄站坐标系，定向目标转台角度为ω的旋转矩阵为：

c)通过定向点和对中点全局平面坐标，计算对中点相对于定向点的旋转角度κ；

d)将定向目标摄站坐标系下的激光点云转换到全局坐标系，角度κ的旋转矩阵为：

e)每个摄站的激光点云数据，依据b)、c)和d)步骤处理，可以实现测区多摄站激光点云数据的全局坐标统一和无缝拼接。

具体实现中，本实例的数字摄影激光扫描装置通过对相机的内方位和畸变检校，使用每部相机的一幅影像和对应范围的激光点云，进行影像与激光点云的外方位定标，可实现影像与激光点云的配准、影像融合于点云和点云融合于影像，具体实施步骤如下：

a)相机畸变检校用于改正镜头的径向畸变和切向畸变，畸变改正模型为：

其中：

x,，□y为像点改正值；x,y为像方坐标系下的像点坐标；x₀,y₀为像主点；

b)影像与激光点云的外方位定标，可以通过激光雷达圆周扫描后，选择某个扫描角度方向的影像，分别在激光点云和影像上选择同名特征点，计算激光点云的空间坐标到数字影像变换的空间坐标的位移和旋转角度参数，变换模型为：

其中：

X_i,Y_i,Z_i为激光点云空间坐标；X_si,Y_si,Z_si为对应影像像素变换空间坐标；□X,，□Y,，□Z为待求的3个平移参数；R为待求的3个旋转角度组成的罗德里格矩阵，形式为：

c)影像像素坐标和对应空间坐标的转换模型如下：

其中：

x,y为像方坐标系下的像点坐标；x₀,y₀为像主点；□x,，□y为像点改正值；f为焦距；X_i,Y_i,Z_i为影像像素变换空间坐标；X_s,Y_s,Z_s为平移参数；a_i,b_i,c_i可以由3个姿态角描述，3个姿态角为待求的小角度参数。

d)激光扫描仪转台记录不同角度相机成像的旋转角度θ，如果转台角度0°时进行外方位参数定标解算，不同转台角度影像像素的空间坐标，只需绕Z轴旋转θ角度，再按步骤c)的模型计算模型参数，即可以实现点云与影像配准。

e)建立激光点云与数字影像像素的对应关系，实现激光点云与数字影像的融合。

综上所述，本发明实施例所提供的扫描装置不再需要外置数字相机，不再需要对数字影像重复配准，而可以获取设备坐标系下摄站周边激光三维测量点云和数字影像数据；该扫描装置紧凑集成、体积小、重量轻，可实现全局坐标系下激光点云和数字影像的拼接和融合，从而有效提高相关领域空间信息获取的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种数字摄影激光扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括激光扫描测量模块、数字相机模块、刚性支架模块、水平扫描基座、定位整平模块和控制计算模块，其中：

所述激光扫描测量模块用于采集空间目标的三维激光扫描点云数据，具体包括光电主动测量单元，扫描驱动装置和扫描镜，其扫描驱动机构带动扫描镜绕水平轴360o旋转实现激光扫描测量；

所述数字相机模块用于获取有效激光扫描视场范围内的数字影像，该数字相机模块的数字相机按设定角度安装在所述扫描装置的一侧或两侧；

所述刚性支架模块实现对所述激光扫描测量模块和数字相机模块的刚性联接和支撑，同时构建数字摄影激光扫描装置的设备坐标系，并与水平扫描基座、定位整平模块建立固定的坐标转换关系；

所述水平扫描基座带动所述扫描装置整机绕竖直轴360o旋转，使所述扫描装置获取摄站全视场范围的激光扫描点云数据和数字影像；

所述定位整平模块用于获取所述扫描装置摄站的全局坐标和姿态数据；

所述控制计算模块分别控制所述激光扫描测量模块进行扫描、所述数字相机模块进行曝光、所述水平扫描基座进行旋转以及所述定位整平模块进行测量，并存储所获取的激光扫描点云数据、数字影像、旋转角度及GNSS坐标数据；

其中，所述三维激光扫描点云数据和所述数字影像通过坐标转换统一到所述设备坐标系中。

2.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述数字摄影激光扫描装置通过所述定位整平模块实现全局坐标系下定向和定位，得到全局坐标系下的高分辨彩色纹理三维空间测量数据。

3.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述激光测量模块绕水平轴在360o范围旋转扫描，其水平轴扫描机构安装在刚性支架上。

4.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述数字相机模块包含内置的一部或多部测量型数码相机，且所述数码相机在水平方向上排列或在竖直方向上排列，并安装于刚性支架上。

5.根据权利要求3所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

包含多部测量型数码相机，多部数码相机间的视场部分交叠，且多部数码相机所获取的影像能实现无缝拼接。

6.根据权利要求4所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述多部测量型数码相机，按设定角度安装，相机视场在垂直方向交叠，实现了大视场激光扫描点云范围的数字影像覆盖。

7.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述激光扫描测量模块与数字相机模块间的安置关系确定，其位姿关系通过一次设备标定完成，通过整平、对中和定向，获取全局坐标系下的大网格密度、高精度及高分辨彩色纹理的三维空间测量数据。

8.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述定位整平模块，通过整平、对中和定向，可以实现扫描装置所采集数据的设备坐标到全局坐标的变换。

9.根据权利要求1所述数字摄影激光扫描装置，其特征在于，

所述装置还包括扫描保护窗，通过该扫描保护窗为所述激光扫描测量模块提供防护。