CN108895962A - 高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测绘工程领域，具体涉及一种高精度扫描仪站点设置及测量路线来提高扫描精度的方法，依次包括以下过程：围绕扫描对象将扫描路线设置成闭合路线，设置相应的测站间距，选定扫描测站布设点；设置高精度控制墩标和控制墩标的测站点，现场数据扫描采集，无控制墩标测站点数据的拼接、有控制墩标测站点数据的拼接，点云三维建模。本发明提供的高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，有效的减少了测量时误差的传递与积累，该方法能够快速精准的建立工程的三维模型。

Description

高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法
技术领域
本发明属于测绘工程领域，具体涉及一种高精度扫描仪站点设置及测量路线来提高扫描精度的方法。
背景技术
三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，具有获取数据速度快、精度高、全自动化、全天候作业等特点，已成为空间数据获取的重要技术手段。随着三维激光扫描技术的不断发展和三维激光扫描仪应用的越来越广泛,国内外专家对扫描技术的各方面，包括标靶、仪器、作业方法等方面对三维激光扫描技术的精度进行了深入研究。主要研究成果如下：
(1)通过不同距离和扫描角度的扫描实验获标靶取精度指标；
(2)从理论方面对三维激光扫描技术的误差进行了分析，并通过实验进行了进一步验证研究；
(3)理论方面对三维激光扫描技术测得的坐标和实际的坐标之间存在偏差的情况进行了分析；
(4)在三维激光扫描技术中使用经纬仪的误差模型对扫描仪进行了精度校验；
(5)Stuart与Derek在扫描作业时，设计了不同的配准方案和不同次数的设站方案，然后使用最佳方案重建了古塔群，在作业的过程中，总结了外业工作的一些经验；
(Derek D.，Stuart J.Error Propagmion in Directly Geo referencedTerrestrial Laser Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording[C].FIGWorking Week Athens，Greece.WSA2Modelling and Visualization,May 22-27，2004)
(6)Taiehi使用公共扫描区重叠扫描方法，使用三维激光扫描仪，建立了隧道和桥梁三维模型。
(Taichi O.Modem survey oflarge bridge and tunnel project for theirconstruction control[C].FIG Working Wee LAthem，Greece.WSA3Modelling andVisualization，May 22-27，2004)
大型工程需要进行多站式测量，在进行多站点拼接配准时，误差会传递和累积，一般来说拼接的次数越多误差越大，使得最后生成的三维模型存在较大误差。国内外对三维激光扫描仪的精度进行了大量的研究，但是对站点设置及测量路线布置的研究还比较少。
发明内容
本发明针对测量数据进行配准时不可避免的存在配准误差且误差不断进行传递与累计的情况，提出了一种高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法来提高扫描精度。
高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，包括以下过程：
(1)现场勘查；全面考察被扫描物体及周围环境，确定扫描站点与被扫描物体的大致距离及精度要求；
(2)设计扫描路线。大型工程需要进行多站式设置，会导致误差进行传递与积累，本方案通过围绕扫描对象将扫描路线设置成闭合路线，通过首尾相连，相互平差的方式降低误差；
(3)确定测站数目及站点位置。根据扫描仪测距和精度要求，设置相应的测站间距，并且选定地势平台稳定、四周开阔、通视条件好的地方作为扫描测站布设点；
(4)设置高精度控制墩标。在选定的扫描站点内选取3到4个站点设置高精度控制墩标，高精度控制墩标应设置在地质结构稳定处且沿扫描路线较均匀分布，高精度控制墩标的水平和垂直方向的精度均严格按照二等水准点要求设置，其顶面中心处有一个高精度螺纹接口，用安装反射棱镜或扫描仪。
(5)高精度控制墩标中心点坐标的获取。通过双头螺栓将全站仪目标棱镜精准定位(安装)在高精度控制墩标中心点处，并通过高精度全站仪(精度可达0.1mm)获取目标棱镜中心点的三维坐标(x,y,z')，则高精度控制墩标中心点的坐标为(x,y,x)，其中z＝z'-h，h为目标棱镜高。
(6)扫描仪架设。在有控制墩标的测站点，扫描仪直接安置在控制墩标上，扫描仪下底面紧密贴合在同控制墩标上顶面上，并通过双头螺栓与控制墩标稳固连接在一起，保证扫描仪、双头螺栓与控制墩标铅直方向在一条直线上。在没有控制墩标的测站点，扫描仪通过三脚架架设。、
(7)现场数据扫描采集。
(8)无控制墩标测站点数据的拼接。无控制墩标测站点数据的拼接采用ICP配准法，ICP配准法是在一个三维扫描点云集内选取一部分点，并在另一个三维扫描点云集内选取对应的同名点即重叠扫描区的点。根据这些点对之间距离平方和最小的原则，通过不断迭代，寻求最佳变换矩阵，其具体过程如下：假设有2个点云集合X，Y，他们的扫描重叠区域为M，M中任意一点在X，Y上位置分别为xi，yi；n≤nmax为迭代次数；Rn，Tn为2个点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵。第n次迭代过程如下：
i计算n－1次迭代后两组点云重叠区M的最邻近点Xn＝Γ(Xn－1，Y)，使得Y中M处的每一个点与Xn中的同名点距离最近；
ii计算第n次旋转矩阵和平移矩阵Rn，Tn，即满足函数：
取最小值的解；
iii变换Xn，Xn+1＝RnXn+Tn；
iv当ω(Rn，Tn)-ω(Rn-1，Tn-1)≤δ，或者n＞nmax(nmax为最大迭代次数)时迭代结束，δ为欧氏距离均方差阈值。
(9)有控制墩标测站点数据的拼接。有控制墩标测站点仪器中心的坐标可直接由高精度控制墩标中心点坐标加上三维扫描仪仪器高h0获得，即为(x,y,z+h0)。则步骤(8)中的平移矩阵可以很快求得Tn＝(x,y,z+h0)T＝T0，其中T0为常数。步骤(8)中迭代方程可简化为：
在后续迭代过程中只需要对Rn求解，大大降低了迭代次数，提高了迭代精度。
(10)点云三维建模。
本发明提供的高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，有效的减少了测量时误差的传递与积累，该方法能够快速精准的建立工程的三维模型。
附图说明
图1为实施例的扫描闭合路线；
图2为实施例的扫描仪站点设置分布图；
图3为实施例设置控制墩标与未设置控制墩标数据拼接误差的对比分析图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施例。
(1)现场勘查,全面考察坝体的周围环境，做好相关记录；
(2)根据现场勘查进行分析，确定扫描站点与物体的大致距离及精度要求；
(3)设计扫描路线，建立控制墩标。为了建立全面完整的三维扫描模型，围绕扫描物体设计扫描路线，将扫描路线设置成闭合路线，该工程具体路线见图1；
(4)确定站点数及站点位置：本工程设置十个勘查站点，建立四个高精度控制墩标，见附图2，六个普通站点。在S-01、S-04、S-06、S-09处建立高精度控制墩标，具体布置见图1，高精度控制墩标的水平和垂直方向的精度均严格按照二等水准点要求设置，其顶面中心处有一个高精度螺纹接口，扫描仪通过双头螺栓直接与高精度控制墩标连接。普通站点扫描仪通过三脚架架设。
(5)对现场数据进行现场扫描采集；
(6)数据拼接。
无控制墩标测站点数据的拼接。无控制墩标测站点数据的拼接采用ICP配准法，ICP配准法是在一个三维扫描点云集内选取一部分点，并在另一个三维扫描点云集内选取对应的同名点即重叠扫描区的点。根据这些点对之间距离平方和最小的原则，通过不断迭代，寻求最佳变换矩阵，其具体过程如下：假设有2个点云集合X，Y，他们的扫描重叠区域为M，M中任意一点在X，Y上位置分别为xi，yi；n≤nmax为迭代次数；Rn，Tn为2个点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵。第n次迭代过程如下：
i计算n－1次迭代后两组点云重叠区M的最邻近点Xn＝Γ(Xn－1，Y)，使得Y中M处的每一个点与Xn中的同名点距离最近；
ii计算第n次旋转矩阵和平移矩阵Rn，Tn，即满足函数：
取最小值的解；
iii变换Xn，Xn+1＝RnXn+Tn；
iv当ω(Rn，Tn)-ω(Rn-1，Tn-1)≤δ，或者n＞nmax(nmax为最大迭代次数)时迭代结束，δ为欧氏距离均方差阈值。
有控制墩标测站点数据的拼接。有控制墩标测站点仪器中心的坐标可直接由高精度控制墩标中心点坐标加上三维扫描仪仪器高h0获得，即为(x,y,z+h0)。则步骤(8)中的平移矩阵可以很快求得Tn＝(x,y,z+h0)T＝T0，其中T0为常数。步骤(8)中迭代方程可简化为：
在后续迭代过程中只需要对Rn求解，大大降低了迭代次数，提高了迭代精度。
在实际点云拼接过程中，先完成有控制墩标的数据拼接，并将其作为控制站点，再将无控制墩标的数据拼接到有控制墩标的数据上。高精度控制点的设置一方面提高了自身拼接的精度和效率，同时作为控制站点，能够有效控制拼接的整体精度。设置控制墩标与未设墩标数据拼接的精度如图3所示。
(7)建立三维模型图。

Claims (3)

1.高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)现场勘查；全面考察被扫描物体及周围环境，确定扫描站点与被扫描物体的大致距离及精度要求；
(2)设计扫描路线；通过围绕扫描对象将扫描路线设置成闭合路线；
(3)确定测站数目及站点位置；根据扫描仪测距和精度要求，设置相应的测站间距，并且选定地势平台稳定、四周开阔、通视条件好的地方作为扫描测站布设点；
(4)设置高精度控制墩标；在选定的扫描站点内选取3到4个站点设置高精度控制墩标，高精度控制墩标应设置在地质结构稳定处且沿扫描路线较均匀分布，高精度控制墩标的水平和垂直方向的精度均严格按照二等水准点要求设置；
(5)高精度控制墩标中心点坐标的获取；将全站仪目标棱镜精准定位在高精度控制墩标中心点处，并通过高精度全站仪获取目标棱镜中心点的三维坐标(x,y,z')，则高精度控制墩标中心点的坐标为(x,y,x)，其中z＝z'-h，h为目标棱镜高；
(6)扫描仪架设；在有控制墩标的测站点，扫描仪直接安置在控制墩标上，扫描仪下底面紧密贴合固定在同控制墩标上顶面上，保证扫描仪与控制墩标铅直方向在一条直线上；在没有控制墩标的测站点，扫描仪通过三脚架架设；
(7)现场数据扫描采集；
(8)无控制墩标测站点数据的拼接；
(9)有控制墩标测站点数据的拼接；
(10)点云三维建模。
2.根据权利要求1所述的高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，其特征在于，步骤(8)所述的无控制墩标测站点数据的拼接，采用ICP配准法，具体过程为，在一个三维扫描点云集内选取一部分点，并在另一个三维扫描点云集内选取对应的同名点；根据这些点对之间距离平方和最小的原则，通过不断迭代，寻求最佳变换矩阵，其具体过程如下：两个点云集合X，Y，扫描重叠区域为M，M中任意一点在X、Y上位置分别为xi，yi；n≤nmax为迭代次数；Rn，Tn为两个点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵；第n次迭代过程如下：
i计算n－1次迭代后两组点云重叠区M的最邻近点Xn＝Γ(Xn－1，Y)，使得Y中M处的每一个点与Xn中的同名点距离最近；
ii计算第n次旋转矩阵和平移矩阵Rn，Tn，即满足函数：
取最小值的解；
iii变换Xn，Xn+1＝RnXn+Tn；
iv当ω(Rn，Tn)-ω(Rn-1，Tn-1)≤δ，或者n＞nmax(nmax为最大迭代次数)时迭代结束，δ为欧氏距离均方差阈值。
3.根据权利要求1所述的高精度三维激光扫描仪站点设置及测量路线布设方法，其特征在于，步骤(9)所述的有控制墩标测站点数据的拼接，过程为：有控制墩标测站点仪器中心的坐标可直接由高精度控制墩标中心点坐标加上三维扫描仪仪器高h0获得，即为(x,y,z+h0)；则平移矩阵求得Tn＝(x,y,z+h0)T＝T0，其中T0为常数；迭代方程为：
在后续迭代过程中只需要对Rn求解。
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