CN108646259B - 一种三维激光扫描仪设站定向装置及方法 - Google Patents

一种三维激光扫描仪设站定向装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描仪设站定向装置，包括数码广角光学相机、三维激光扫描仪和四个黑白棋盘靶标；所述相机位于三维激光扫描仪中转镜的水平横轴上；所述四个黑白棋盘靶标设置在三维激光扫描仪的四周，且三维激光扫描仪位于四个黑白棋盘靶标围成的图形的中心点上。本发明还提供了一种基于上述三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法。本发明能够在确保三维激光扫描仪位置和方向传递精度的前提下，有效降低扫描仪扫描点云的密度，不仅节约扫描仪获取点云的时间，同时也降低对扫描仪所能获取点云的最高分辨率的要求，适合低成本的三维激光扫描仪进行设站定向使用。

Description

一种三维激光扫描仪设站定向装置及方法
技术领域
本发明属于三维激光测量和工程测量技术领域，特别涉及一种三维激光扫描仪设站定向装置及方法。
背景技术
三维激光扫描仪作为一种新型的快速、高精度、高密度测量技术装备，因其可以快速获取物体表面高精度、高密度空间位置点而很快成为一种三维测量和检测的高技术装备。该设备与传统的全站仪相比，其应用上的优势主要体现在对复杂物体表面几何形态信息的快速、全面、准确的获取。与传统全站仪等测量手段一次获取一个物体表面的离散抽样特征点不同的是，扫描仪一次扫描作业，大约3～5分钟，即可获取物体表面数以千万计的空间位置点，这些点在一些专业数据处理软件的辅助下，很容易就提取出物体表面高精度的复杂几何形态特征。
三维激光扫描仪与传统的全站仪相比，测量原理相同之处是同样采用光电激光测距原理测量设备与被测物体之间的高精度距离。全站仪通过光学度盘测量设备与被测物体之间的水平和垂直夹角，扫描仪则通过机械度盘控制水平和垂直夹角。但是全站仪可以很快通过直接测量控制点棱镜来实现全站仪的设站和定向。而扫描仪因为无法单独快速测量一个点或者一个标识实现扫描仪的快速绝对位置设站和定向而使得传统的控制测量原理无法快速易行的在扫描仪上实现，因此导致三维激光扫描仪在做需要绝对定位坐标系统的传统测量作业中，无法在不损耗精度和作业效率的情况下，快速实现绝对定位。
目前通常的扫描仪绝对定位方法是在一次扫描中采用3个以上球形标靶，扫描仪在扫描这些标靶点云数据的同时，采用全站仪或者GPS等传统测量定位方法给这些标靶定位，然后在扫描数据的后处理软件中，在按照标靶点号与扫描点云中的靶球中心人工一一对应后，再手工输入这些靶球的三维坐标，最后点云后处理软件才能根据这些靶球坐标确定的绝对定位坐标系，把整个扫描仪测站的数据转换到这个绝对定位坐标系中。这种方法特点是外业数据采集时需要带至少5个以上标靶或者靶球，每个扫描仪测站至少保持2个靶球不动，并同时布置3个新靶球供下一站进行扫描，外业需要至少2个人以上设置目标靶球。
常规的三维激光扫描仪在做绝对坐标系下测量时，一般先采用相邻测站都必须扫描到的公共标靶或者靶球点进行测站相对坐标系下的点云拼接，然后再在拼接好的加载有所有测站点云数据中进行绝对坐标系的转换。这种方法缺点一是把拼接和坐标转换分成两步走，这样比较费时耗力。这种方法另外一个很大的缺点是整体点云拼接时需要具有很大内存和CPU处理能力的计算机，而且随着扫描测站数量的增多，拼接时间会不断增加，而且能够拼接的扫描测站数量受处理计算机性能的绝对制约。
常规三维激光扫描仪作业最终提供的激光点云数据文件，是通过各站之间的公共目标靶球连接后，建立的一般以第一站扫描仪仪器中心为坐标原点，和扫描仪自身轴系建立的相对坐标系统。而用户在具体测量项目中使用的坐标系统都是通过常规测绘方法 (全站仪、GPS、水准仪)建立的测量坐标系统，原点不在扫描仪的中心上，坐标轴方向也不是扫描仪的坐标轴方向。因此，用户在直接使用扫描仪的点云数据获取被测物体表面上在用户工程坐标系下的三维空间坐标时，需要进行比较繁琐的空间坐标传递和坐标系统转换。
上述通过识别靶球三维点云拟合中心的方法，要求扫描仪扫描靶球的点云分辨率比较高，通常10米处的点云点间距要达到6mm以内，这对扫描仪性能要求很高，只有价格比较昂贵的进口三维激光扫描仪才能办到。这样无形中增加了测量的成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种使用方便、能够省时省力，降低测量成本的三维激光扫描仪设站定向装置。
技术方案：本发明提供一种三维激光扫描仪设站定向装置，包括数码广角光学相机、三维激光扫描仪和四个黑白棋盘靶标；所述数码广角光学相机位于三维激光扫描仪中转镜的水平横轴上；所述四个黑白棋盘靶标设置在三维激光扫描仪的四周，且三维激光扫描仪位于四个黑白棋盘靶标围成的图形的中心点上。
为了能够提高测量的准确性,所述广角光学数码相机的像素分辨率达到500万以上，并可程序控制自动对焦。
所述数码广角光学相机设置在三维激光扫描仪内部；所述数码广角光学相机镜头与三维激光扫描仪的镜头呈90°。内置相机一旦标定好参数后，其相对于扫描仪轴系间位置是固定的，所以参数也是固定。这样使整个装置使用更加方便和实用。同时，这种结构在保证测量精度的同时，有效的降低了整个装置的生产成本。
所述四个黑白棋盘靶标距离三维激光扫描仪5～10米，其中，三维激光扫描仪前方的两个黑白棋盘靶标与三维激光扫描仪形成的角度在0°～120°；三维激光扫描仪后方的两个黑白棋盘靶标与三维激光扫描仪形成的角度在0°～120°，其中，在初始位置时的三维激光扫描仪镜头朝向为三维激光扫描仪前方。以这样一种图形结构分布的4个已知点位置，使用测绘专业的“后方交会法”定位出的扫描仪位置和方位的图形精度最高。而5～10米的目标距离既确保了图形精度，同时又保证了在500万像素相机拍摄的光学影像上识别出标靶中心位置具有1～2毫米的影像分辨率。
所述黑白棋盘靶标为正方形，黑白棋盘靶标的长在10cm～30cm之间，其中黑色正方形块的边长为大正方形边长的一半。太小的标靶接收不到足够的激光点照射，也就没有足够多的扫描点供距离测量使用。太大的标靶不便于携带，也会对被测量物体形成较大面积遮挡。
本发明还提供了一种采用上述三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，包括以下步骤：
步骤10：将数码广角光学相机和扫描仪架设在测绘三脚架上，并固定四个黑白棋盘靶标的位置，通过三维激光扫描仪、相机、四个黑白棋盘靶标和全站仪结合进行外业数据采集，采集所有被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪测量特征点计算出被测黑白棋盘靶标的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果。
其中，所述步骤10中外业数据采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪的设站点；
步骤102：在被测量物体的长度方向的起点位置架设三维激光扫描仪；
步骤103：设置三维激光扫描仪的位置与被测物体之间的距离在三维激光扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪的激光正对被测物体；所述数码广角光学相机设置在三维激光扫描仪内部；所述数码广角光学相机镜头与三维激光扫描仪的镜头呈90°；在距离所述三维激光扫描仪5-10米的范围内架设4个黑白棋盘靶标；在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；
步骤104：在开始扫描之前，三维激光扫描的镜头朝向前方，即测量的前进方向；三维激光扫描仪开始扫描，三维扫描仪从开始的位置顺时针旋转360°持续扫描和采集被测物体点云和4个黑白靶标的点云，标记为S1；三维激光扫描仪在旋转的同时数码广角光学相机也随之旋转，当数码广角光学相机的镜头旋转到前方时，采集第一张三维激光扫描仪前方物体影像，标记为I11；当数码广角光学相机的镜头旋转到后方时，采集第二张三维激光扫描仪前方物体影像，标记为I12；其中，被测物体点云即包括被测物体到三维激光扫描仪的距离，4个标靶的点云即包括每个标靶到三维激光扫描仪的距离；每站扫描结束时，三维激光扫描仪镜头和数码广角光学相机镜头又分别回到起始位置；
步骤105：三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪从三维激光扫描仪前上方的黑白标靶开始顺时针依次测量四个标靶十字中心的坐标，分别标记为S11、S12、S13、S14点；
步骤106：全站仪对上述4个黑白标靶测量完毕后，整个三维激光扫描仪和全站仪在第1个测量位置的工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200米范围内，全站仪可以保持不动；如果超过全站仪视距100米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤107：重复上述步骤103-106，获取在第X个三维激光扫描仪的测量位置上，被测物体和四个标靶的三维点云SX，每站前后两个方向光学相机拍摄的带有标靶的光学影像IX1和IX2，并测量每站被扫描的4个黑白标靶的十字丝中心的全站仪测量点SX1， SX2，SX3，SX4的三维坐标，直到所有的三维激光扫描仪测站均测量完成。
进一步，所述三维激光扫描仪的测量位置沿着测量物体长度方向分布，每两个三维激光扫描仪的测量位置之间的间距为黑白标靶与三维激光扫描仪之间距离的2倍。
再者，所述步骤30中的数据计算模块的计算方法为：
步骤301：根据三维激光扫描仪采集的每站三维点云文件名、每站相机拍摄的前后2张影像文件名和全站仪特征点的点号自动把同一个扫描测站的数据匹配在一起；形成集合{SX、IX1、IX2、SX1、SX2、SX3、SX4}，其中X是三维激光扫描仪测站的编号；SX 表示第X个三维激光扫描仪测站上获得的被测物体和四个标靶的三维点云，IX1表示第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一张三维激光扫描仪前方物体影像，IX2表示第X 个三维激光扫描仪测站上采集的第二张三维激光扫描仪前方物体影像，SX1第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX2第X个三维激光扫描仪测站上采集的第二个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX3第 X个三维激光扫描仪测站上采集的第三个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX4 第X个三维激光扫描仪测站上采集的第四个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标；
步骤302：在计算机中选取每站前后拍摄的2张影像中的4个黑白棋盘标靶的初略中心位置；
步骤303：计算机使用图像自动识别算法确定黑白棋盘标靶的中心位置，并量测出每个黑白棋盘标靶中心影像在扫描仪水平和垂直度盘上的角度读数Hz和V；每个标靶中心到扫描仪中心的距离从每站的被测物体和四个标靶的三维点云SX中获取；并将标靶中心位置与全站仪测量对应标靶的三维坐标进行自动匹配，匹配后，4个黑白棋盘标靶十字丝中心同时具有三维激光扫描仪相对坐标系下和工程统一坐标系统下的两套三维空间坐标；
步骤304：将上述303步骤获得的4个黑白棋盘标靶点的两套三维空间坐标，使用“七参数”空间直角坐标转化法计算出每测站获得的原始点云数据所在的扫描仪相对坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系所对应的7个转换参数△X，△Y，△Z，△α，△β，△γ，K，其中，△X表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间x轴的坐标差，△Y表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间y轴的坐标差，△Z表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间z轴的坐标差，△α表示绕扫描仪相对坐标系X轴旋转角度，△β表示绕扫描仪相对坐标系Y 轴旋转角度，△γ表示绕扫描仪相对坐标系Z轴旋转角度，K表示两个坐标系之间的尺度缩放因子；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪每站原始点云数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向后所在的用户工程坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到输出模块。进一步，步骤303中的黑白棋盘标靶中心影像的水平角和垂直角读数Hz和V，是根据三维激光扫描仪内置数码广角光学相机的成像单元的各行列值在三维激光扫描仪水平角和垂直角度盘上的读数对应关系量测出来的三维激光扫描仪相对坐标系下黑白棋盘标靶十字丝中心的水平方位角和垂直高度角；在扫描点云中获取标靶中心到扫描仪的测量距离，然后用极坐标法计算获得标靶中心在扫描仪相对坐标系下的三维空间坐标。
工作原理：本发明将三维激光扫描仪采集到的测量物体和靶标分别到三维激光扫描仪的距离与相机采集到的靶标图像中量取的标靶中心的水平方位角和垂直高度角相结合来获得最后被测物体点云在用户工程坐标系下的测量结果。
有益效果：与现有技术相比，本发明能够在确保三维激光扫描仪位置和方向传递精度的前提下，有效降低扫描仪扫描点云的密度，不仅节约扫描仪获取点云的时间，同时也降低对扫描仪所能获取点云的最高分辨率的要求，适合低成本的三维激光扫描仪进行设站定向使用。
该装置和方法还特别适合软件进行外业数据的快速自动匹配和计算，并且使得三维激光扫描仪获得的海量点云数据的拼接和绝对定位不再受计算机性能的局限，技术上可以将任意多扫描测站数据很快拼接在统一的绝对定位坐标系中，从而使用更加方便，定位更加准确和快速。本发明能够直接获得具有与用户工程坐标系一致的三维激光点云数据。
附图说明
图1为三维激光扫描仪内置光学相机位置示意图；(a)为侧视图；(b)为俯视图；
图2为三维激光扫描仪设站定向方法外业实施现场示意俯视图；
图3为黑白棋盘标靶示意图；
图4为本发明提供的扫描仪设站定向方法作业流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明提供的三维激光扫描仪定向装置中的三维激光扫描仪内置光学相机位于扫描仪转镜1的水平横轴2的左侧，即扫描仪水平角0°位置；或右侧，即扫描仪水平角180°位置。
如图2所示，使用本发明提供的三维激光扫描仪定向装置进行外场作业时，在全站仪3可视并且距离小于100米范围内，架设本发明提供的三维激光扫描仪定向装置。其中，在三维激光扫描仪4前方和后方10米处各布置2个黑白棋盘标靶5。如图3所示，黑白棋盘标靶5中黑白各2个正方形方块将整个标靶四等分，两个黑色正方形块相交部分的交点即为黑白标靶的十字丝中心。全站仪测量的位置，以及光学影像中识别的标靶中心都是这个位置。扫描仪在水平转动360°扫描整个场景的三维点云数据的同时，光学相机在扫描仪水平角转到90°和270°这两个位置，即内置光学相机6分别对准三维激光扫描仪4的前、后2个黑白标靶5时，各拍摄一张带有2个黑白标靶的光学影像。内业数据计算时，利用这两张黑白标靶的光学影像来确定4个标靶中心相对于扫描仪中心的水平角Hz和垂直角V。利用扫描获得的标靶的三维点云来提取标靶中心到扫描仪的空间距离。进而使用“极坐标法”计算出标靶中心在扫描仪相对坐标系下的空间三维坐标。作业现场全站仪使用常规全站仪测量方法，利用现场的控制点进行“后方交会”设站定向后，全站仪即具有用户工程坐标系下的三维坐标位置和坐标方位角。
如图4所示，采用上述三维激光扫描仪定向装置进行激光点云绝对定位，具体步骤为：
步骤10：将相机和扫描仪架设在测绘三脚架上，并固定四个黑白棋盘靶标的位置，通过三维激光扫描仪、相机、四个黑白棋盘靶标和全站仪结合进行外业数据采集，采集所有被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪特征点计算出被测物体的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果。
其中，所述步骤10中外业数据采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪的设站点；
步骤102：在被测量物体的长度方向的起点位置架设三维激光扫描仪，获取包含被测物体和4个标靶在内的点云，标记为S1，且设置三维激光扫描仪的位置与被测物体之间的距离在三维激光扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪的激光正对被测物体，在距离所述三维激光扫描仪5-10米的范围内架设4个黑白棋盘靶标；在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；
步骤103：三维激光扫描仪开始扫描，三维激光扫描仪以测量的前进方向为准区别扫描仪的左边和右边，三维激光扫描仪的操作屏幕始终位于前进方向的左边；如图1开始扫描时，扫描仪镜头朝向测量前进方向，即扫描仪水平角90°位置时，广角光学相机位于测量方向左边，即水平角0°位置，此时光学相机镜头并未朝向黑白标靶，因此光学相机不工作，仅扫描仪从该位置开始顺时针旋转360°持续扫描和采集被测物体和黑白靶标的点云。当光学相机镜头转动到水平角90°位置时，即广角光学相机视角正对扫描仪前方30°～150°范围时，采集第一张扫描仪前方物体影像，标记为I11。当光学相机镜头转动到水平角270°时，即广角光学相机视角正对扫描仪后方210°～330°范围，采集本站第二张影像，标记为I12；每站扫描结束时，扫描仪镜头和广角光学相机镜头又分别回到起始的90°和0°位置。
步骤104：三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪从图2中右上角的黑白标靶开始顺时针依次测量四个标靶十字中心的坐标，分别标记为 S11、S12、S13、S14点。
步骤105：全站仪对上述4个黑白标靶测量完毕后，整个扫描仪和全站仪1个测站工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200 米范围内，全站仪可以保持不动；如果超过全站仪视距100米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤106：重复上述步骤102-105，获取在第X个三维激光扫描仪的测量位置上，被测物体和四个标靶的三维点云SX，每站前后两个方向光学相机拍摄的带有标靶的光学影像IX1和IX2，并测量每站被扫描的4个黑白标靶的十字丝中心的全站仪测量点SX1， SX2，SX3，SX4的三维坐标，直到所有的三维激光扫描仪测站均测量完成。从1～X个测站，沿物体长度方向分布，测站之间的间距控制在黑白标靶与扫描仪距离的2倍左右，测站总数取决于被测量物体的长度这里的第X个测站，是为了表达出扫描点云数据文件的命名规则。这种文件命名规则是为了方便数据后处理软件对扫描点云SX和黑白靶标 SX1，SX2，SX3，SX4之间进行自动匹配，便于软件进行非人工干预的数据自动化处理。
所述步骤30中的数据计算模块的计算方法为：
步骤301：根据三维激光扫描仪采集的每站三维点云文件名、每站相机拍摄的前后2张影像文件名和全站仪特征点的点号自动把同一个扫描测站的数据匹配在一起；形成集合{SX、IX1、IX2、SX1、SX2、SX3、SX4}，其中X是三维激光扫描仪测站的编号；SX 表示第X个三维激光扫描仪测站上被测物体的三维点云，IX1表示第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一张三维激光扫描仪前方物体影像，IX2表示第X个三维激光扫描仪测站上采集的第二张三维激光扫描仪前方物体影像，SX1第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX2第X个三维激光扫描仪测站上采集的第二个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX3第X个三维激光扫描仪测站上采集的第三个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX4第X个三维激光扫描仪测站上采集的第四个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标；
步骤302：在计算机中选取每站前后拍摄的2张影像中的4个黑白棋盘标靶的初略中心位置；
步骤303：计算机使用图像自动识别算法确定黑白棋盘标靶的中心位置，并量测出每个黑白棋盘标靶中心影像在扫描仪水平和垂直度盘上的角度读数Hz和V；每个标靶中心到扫描仪中心的距离从每站的被测物体和四个标靶的三维点云SX中获取；并将标靶中心位置与全站仪测量对应标靶的三维坐标进行自动匹配，匹配后，4个黑白棋盘标靶十字丝中心同时具有三维激光扫描仪相对坐标系下和工程统一坐标系统下的两套三维空间坐标；
步骤304：将上述303步骤获得的4个黑白棋盘标靶点的两套三维空间坐标，使用“七参数”空间直角坐标转化法计算出每测站获得的原始点云数据所在的扫描仪相对坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系所对应的7个转换参数△X，△Y，△Z，△α，△β，△γ，K，其中，△X表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间x轴的坐标差，△Y表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间y轴的坐标差，△Z表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间z轴的坐标差，△α表示绕扫描仪相对坐标系X轴旋转角度，△β表示绕扫描仪相对坐标系Y 轴旋转角度，△γ表示绕扫描仪相对坐标系Z轴旋转角度，K表示两个坐标系之间的尺度缩放因子；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪每站原始点云数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向后所在的用户工程坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到输出模块。
实施例：
本实施例中，被测物体被测量的有效范围为以扫描仪为球心，半径10米处圆球内所覆盖区域。用未使用本定向装置和方法的三维激光扫描仪进行扫描测量，为了使用黑白标靶的点云扫描数据识别出标靶中心的位置并保证5mm以内的定位精度，至少要保证 10米处的扫描点的点间距在5mm以内，即以扫描仪为球心，相邻扫描点与扫描仪的夹角在0.0005弧度，即水平和垂直间隔103″(360度制)处要有一个扫描点。整个扫描测站有6284行和6284列，共计3948万个三维激光扫描点。为了满足用户工程需要，例如隧道施工工程需要一个测站扫描时间控制在3分钟以内，则扫描仪每秒钟必须要能水平方向扫描35列，垂直方向每列扫描6284行，即每秒扫描约22万点。且扫描仪的扫描角分辨率要高于0.0286°(360°制)。
以一款配备焦距为3.6mm,总像素数为500万(2592列*1944行像素)的工业广角光学相机集成到每秒40000点，水平方向每秒扫描20列，垂直方向扫描2000行，扫描角分辨率只有0.125°(360°制)的国产三维激光扫描仪为例，该扫描仪完成每站扫描数据采集的时间为2.4分钟。在距离相机10米处，该相机拍摄照片的实际拍摄范围为长 10米，宽7.5米，完全覆盖了本发明方法所要求设置的前后各两个黑白标靶的范围。此时，该10米处拍摄影像的实际分辨率为3.85mm(水平和垂直方向均为3.85mm),通过计算机图像自动识别算法识别出的黑白标靶十字丝中心的位置精度可以达到2mm。
该扫描仪通过本发明方法使用光学相机获取的黑白标靶十字丝中心的影像，利用计算机图像自动识别算法，识别出标靶中心的位置，并且能保证在10米处的黑白标靶定位精度优于5mm，并将标靶的定位精度通过“7参数”坐标系转换算法传递给整站被测物体的扫描点云，使得整个被测物体点云的每个扫描点的三维空间位置精度优于5mm。
这样一款扫描仪即可完成10米处扫描点测量精度优于5mm的工程测量任务，大大降低用户使用进口高扫描速度和角分辨率扫描仪的设备投资成本，且实际采集和处理每站有效点云数量也大大降低，有效节约内业数据处理的时间和磁盘存储空间。

Claims (8)

1.一种三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述定向装置包括数码广角光学相机、三维激光扫描仪和四个黑白棋盘靶标；所述数码广角光学相机位于三维激光扫描仪中转镜的水平横轴上；所述四个黑白棋盘靶标设置在三维激光扫描仪的四周，且三维激光扫描仪位于四个黑白棋盘靶标围成的图形的中心点上；包括以下步骤：
步骤10：将数码广角光学相机和扫描仪架设在测绘三脚架上，并固定四个黑白棋盘靶标的位置，通过三维激光扫描仪、相机、四个黑白棋盘靶标和全站仪结合进行外业数据采集，采集所有被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪特征点；
步骤20：将步骤10中采集的外业数据导入到计算机；
步骤30：计算机中的数据计算模块根据被测黑白棋盘靶标的三维点云和黑白棋盘靶标十字丝中心的全站仪测量特征点计算出被测黑白棋盘靶标的三维点云绝对位置坐标并输出到计算机中的输出模块；所述步骤30中的数据计算模块的计算方法为：
步骤301：根据三维激光扫描仪采集的每站三维点云文件名、每站相机拍摄的前后2张影像文件名和全站仪特征点的点号自动把同一个扫描测站的数据匹配在一起；形成集合{SX、IX1、IX2、SX1、SX2、SX3、SX4}，其中X是三维激光扫描仪测站的编号；SX表示第X个三维激光扫描仪测站上获得的被测物体和四个标靶的三维点云，IX1表示第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一张三维激光扫描仪前方物体影像，IX2表示第X个三维激光扫描仪测站上采集的第二张三维激光扫描仪前方物体影像，SX1第X个三维激光扫描仪测站上采集的第一个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX2第X个三维激光扫描仪测站上采集的第二个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX3第X个三维激光扫描仪测站上采集的第三个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标，SX4第X个三维激光扫描仪测站上采集的第四个黑白标靶的黑白块相交十字丝中心的坐标；
步骤302：在计算机中选取每站前后拍摄的2张影像中的4个黑白棋盘标靶的初略中心位置；
步骤303：计算机使用图像自动识别算法确定黑白棋盘标靶的中心位置，并量测出每个黑白棋盘标靶中心影像在扫描仪水平和垂直度盘上的角度读数Hz和V；每个标靶中心到扫描仪中心的距离从每站的被测物体和四个标靶的三维点云SX中获取；并将标靶中心位置与全站仪测量对应标靶的三维坐标进行自动匹配，匹配后，4个黑白棋盘标靶十字丝中心同时具有三维激光扫描仪相对坐标系下和用户工程坐标系下的两套三维空间坐标；
步骤304：将步骤303获得的4个黑白棋盘标靶点的两套三维空间坐标，使用“七参数”空间直角坐标转化法计算出每测站获得的原始点云数据所在的扫描仪相对坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系所对应的7个转换参数△X，△Y，△Z，△α，△β，△γ，K，其中，△X表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间x轴的坐标差，△Y表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间y轴的坐标差，△Z表示三维激光扫描仪相对坐标系与绝对坐标系之间z轴的坐标差，△α表示绕扫描仪相对坐标系X轴旋转角度，△β表示绕扫描仪相对坐标系Y轴旋转角度，△γ表示绕扫描仪相对坐标系Z轴旋转角度，K表示两个坐标系之间的尺度缩放因子；
步骤305：根据扫描仪原始数据所在的临时任意空间坐标系与全站仪定位点所在的绝对定位空间坐标系之间的空间位置变换关系和参数，再将扫描仪每站原始点云数据中的每一个点的相对任意空间坐标系坐标，转换到与全站仪设站定向后所在的用户工程坐标系中的坐标，并作为中间成果输出到输出模块；
步骤40：计算机中的输出模块输出定位好的具有与全站仪控制测量坐标系统一致的三维激光点云数据结果。
2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述步骤10中的外业数据采集方法为：
步骤101：围绕被测量物体布设具有三维空间坐标的导线，并设定具有三维空间坐标的导线上的控制点，这些控制点即为全站仪的设站点；
步骤102：在被测量物体的长度方向的起点位置架设三维激光扫描仪；
步骤103：设置三维激光扫描仪的位置与被测物体之间的距离在三维激光扫描仪的有效测程范围内，并保持三维激光扫描仪的激光正对被测物体；所述数码广角光学相机设置在三维激光扫描仪内部；所述数码广角光学相机镜头与三维激光扫描仪的镜头呈90°；在距离所述三维激光扫描仪5-10米的范围内架设4个黑白棋盘靶标；在距离所述三维激光扫描仪200米范围以内选取一个步骤101中设定的控制点上架设全站仪并瞄准好后视导线控制点，完成全站仪的设站和定向操作；
步骤104：在开始扫描之前，三维激光扫描的镜头朝向前方，即测量的前进方向；三维激光扫描仪开始扫描，三维扫描仪从开始的位置顺时针旋转360°持续扫描和采集被测物体点云和4个黑白靶标的点云，标记为S1；三维激光扫描仪在旋转的同时数码广角光学相机也随之旋转，当数码广角光学相机的镜头旋转到前方时，采集第一张三维激光扫描仪前方物体影像，标记为I11；当数码广角光学相机的镜头旋转到后方时，采集第二张三维激光扫描仪前方物体影像，标记为I12；其中，被测物体点云即包括被测物体到三维激光扫描仪的距离，4个标靶的点云即包括每个标靶到三维激光扫描仪的距离；每站扫描结束时，三维激光扫描仪镜头和数码广角光学相机镜头又分别回到起始位置；
步骤105：三维激光扫描仪和全站仪架设完毕并完成扫描仪数据采集后，全站仪从三维激光扫描仪前上方的黑白标靶开始顺时针依次测量四个标靶十字中心的坐标，分别标记为S11、S12、S13、S14点；
步骤106：全站仪对上述4个黑白标靶测量完毕后，整个三维激光扫描仪和全站仪在第1个测量位置的工作全部结束；三维激光扫描仪搬站到下一个测量位置，如果全站仪距离扫描仪在200米范围内，全站仪可以保持不动；如果超过全站仪视距100米范围，全站仪在下一个控制点上设站；
步骤107：重复上述步骤103-106，获取在第X个三维激光扫描仪的测量位置上，被测物体和四个标靶的三维点云SX，每站前后两个方向光学相机拍摄的带有标靶的光学影像IX1和IX2，并测量每站被扫描的4个黑白标靶的十字丝中心的全站仪测量点SX1，SX2，SX3，SX4的三维坐标，直到所有的三维激光扫描仪测站均测量完成。
3.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述三维激光扫描仪的测量位置沿着测量物体长度方向分布，每两个三维激光扫描仪的测量位置之间的间距为黑白标靶与三维激光扫描仪之间距离的2倍。
4.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：步骤303中的黑白棋盘标靶中心影像的水平角和垂直角读数Hz和V，是根据三维激光扫描仪内置数码广角光学的成像单元的各行列值在三维激光扫描仪水平角和垂直角度盘上的读数对应关系量测出来的三维激光扫描仪相对坐标系下黑白棋盘标靶十字丝中心的方位角和高度角；
在扫描点云中获取标靶中心到扫描仪的测量距离，然后用极坐标法计算获得标靶中心再扫描仪相对坐标系下的三维空间坐标。
5.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述数码广角光学相机的像素分辨率达到500万以上，并可程序控制自动对焦。
6.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述数码广角光学相机设置在三维激光扫描仪内部；所述数码广角光学相机镜头与三维激光扫描仪的镜头呈90°。
7.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述四个黑白棋盘靶标距离三维激光扫描仪5～10米，其中，三维激光扫描仪前方的两个黑白棋盘靶标与三维激光扫描仪形成的夹角在60°～120°；三维激光扫描仪后方的两个黑白棋盘靶标与三维激光扫描仪形成的夹角在60°～120°，其中，在初始位置时的三维激光扫描仪的扫描镜头朝向为三维激光扫描仪前方。
8.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪设站定向装置的定向方法，其特征在于：所述黑白棋盘靶标为正方形，黑白棋盘靶标的长在10cm～30cm之间，其中黑色正方形块的边长为大正方形边长的一半。
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