CN110030943A - 一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，该方法主要是以扫描区域的几个特征点为参考点，建立扫描设备与这些参考点的相互转换关系，从而建立指定的待扫描区域与扫描设备的空间位置关系，如此由软件的控制扫描设备扫描这些待扫描区域。本发明的有益效果：充分利用扫描型全站仪短距离精度高、扫描速度快的特点，以2个或2个以上后视特征点建立扫描独立坐标系与测量设备的测站坐标系的转换关系，由软件规划扫描线路、控制仪器按所规划的线路对待扫描范围进行扫描，可不需要设置专门的检测平台，测量设备跟随测区搬运到任意位置进行扫描，用于轨道板检测时，达到快速、准确、灵活的检板效果。

Description

一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，具体涉及一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法。

背景技术

在很多场合下，需要测绘某些特定区域范围的物体表面形状或地形等，此时我们只关心这些特定范围内部的形状或之间的相互关系，而对于它们实际的地理信息（如在系统坐标下的二维或三维坐标）并不关心。

例如在高速铁路领域，无碴轨道板的几何尺寸对于保障轨道平顺性起着重要作用，无碴轨道板一般在工厂预制、存放，然后运输到铺装现场进行铺设。铁道行业相关标准规范对轨道板的几何尺寸出厂检验有非常严格的技术指标，这些指标主要是轨道板上的一些特征点或面之间的相对位置关系，而与检测轨道板时这些特征点或面在系统坐标下的具体位置无关。这些技术指标每块轨道板均必需检测，其中CRTSIII型板检测项目包含底板外观三维尺寸、承轨台钳口面、承轨面相关尺寸；预埋套管中线距离、歪斜、横向偏差、垂向偏差等。

目前，CRTSIII型轨道板几何尺寸出厂检验存在的主要方法及缺陷主要包括:

全站仪检测法: 针对轨道板套管、大小钳口等特制检测工装，然后在工装上安放反射棱镜，通过测量反射棱镜位置以及这些工装预知的工装尺寸，编制软件来计算各指标是否合格。该方法存在如下主要缺点：需人工配合的工作量大， 每块轨道板的检测时间超过20分钟，大部分轨道板场每天生产能力约为96块/天，对于一个轨道板场而言， 几何尺寸出厂检验工作量巨大；受全站仪、工装加工精度的影响，检测精度也难于保证；需要将轨道板运输至专门的检测平台，效率低，成本大；受预制厂场地和生产工艺的限制，上述几何尺寸检测一般安排在生产车间内的养护过程中或结束后，在将轨道板长期置于存板场后，轨道板受重力、混凝土徐变的影响仍然可能会产生较大的变形，此变形目前未于检测，车间内检测的结果不能真实反映出厂时的真实几何尺寸。需寻求一种操作简单、快速、准确、灵活、不需要检测台的检测方法来完成轨道板几何尺寸出厂检验。

针对CRTSIII型轨道板几何尺寸检测等相关技术中的问题，特别是在存板场检测的方法，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法，包括以下步骤：

S1.在测区特定位置上选择或设置若干个特征点，这些特征点设计位置与待扫描范围相对位置关系已知；

S2.采用测量设备测量这些特征点在测站坐标系下的坐标，建立扫描区域的扫描独立坐标系，并根据测量得到的这些特征点间的距离、或根据图纸查得这些特征点位置关系推算这些特征点在扫描独立坐标系的坐标值，通过这些特征点在测站坐标系下和扫描独立坐标系下的坐标值，计算得到测站坐标系下和扫描独立坐标系的转换参数；

S3.根据在测区上按设定的待扫描范围，控制测量设备对这些待扫描范围进行扫描；

S4.对S3扫描得到测区的若干个点坐标值，进一步按需求计算其几何信息。

进一步的，S1中所述特征点数量为2个，检测时须将待扫描物体置于水平或垂直状态或任意已知倾角，S2所述的测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数可采用双点后方交会的方法。

进一步的，特征点数量为3个或以上，检测时待扫描物体处于测量设备较佳的可视扫描位置，S2所述的测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数可采用七参数方法，其中两坐标系的长度变形参数为1。

进一步的，所述特征点设置为通过反射棱镜或直接通过测量设备免棱镜测距。

进一步的，在S2计算得到测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数后，或在步骤S3执行待扫描范围动作之前，需将待扫描范围的扫描独立坐标系坐标转换为测站坐标系坐标，或将待扫描范围的测站坐标系坐标转换为扫描独立坐标系的坐标。

进一步的，S3所述的软件根据在测区上按设定的待扫描范围，控制测量设备对这些待扫描范围进行扫描，扫描方法是预先在软件系统内根据需要对不同的待扫描范围设定不同或相同的扫描密度，并设定扫描线路，然后再由软件驱动测量设备按设定的线路和各区域所需密度进行扫描。

进一步的，S2中所述转换参数在扫描了部分待扫描范围后，根据扫描得到的点云计算待扫描范围的特征点，对其进行修正。

进一步的，步骤S2所述的测量设备采用无合作目标方式进行扫描，优选扫描型全站仪。

进一步的，步骤S2所述的软件，安装在测量设备或计算机、智能手机等终端设备上。

本发明的有益效果：充分利用扫描型全站仪短距离精度高、扫描速度快的特点，以2个或2个以上后视特征点建立扫描独立坐标系与测量设备的测站坐标系的转换关系，由软件规划扫描线路、控制仪器按所规划的线路对待扫描范围进行扫描，可不需要设置专门的检测平台，测量设备跟随测区搬运到任意位置进行扫描，例如用于轨道板检测时，可在存板场随机安置扫描全站仪进行出厂前检板，达到快速、准确、灵活的检板效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的附图。

图1是根据本发明实施例1所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法的设3个特征点求坐标系转换参数的布置示意图。

图2是根据本发明实施例1所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法的通过3个共用点的七参数转换示意图。

图3是根据本发明实施例2所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法的设2个特征点的二点后方交会设站示意图。

图中：1、测区；2、特征点；3、测量设备；4、待扫描范围；21、特征点A；22、特征点B；23、特征点C。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，根据本发明实施例所述的一种测量数据采集与处理方法，包括以下步骤：

S1.在测区1即轨道板3个螺栓孔上分别设置规格相同的反射棱镜作为特征点2，这些反射棱镜设计位置与待扫描范围4相对位置关系可从设计图纸上查得或其它方式得知。

S2.采用扫描型全站仪作为测量设备3测量这3个反射棱镜在测站坐标系下的坐标。建立扫描区域的扫描独立坐标系，并根据测量得到的3个反射棱镜间的距离、或根据图纸查得这些反射棱镜位置关系推算这些反射棱镜在扫描独立坐标系的坐标值。通过这些反射棱镜在测站坐标系下和扫描独立坐标系下的坐标值，计算得到测站坐标系和扫描独立坐标系的转换参数。方法如下：

用扫描型全站仪3测量这3个反射棱镜中心在全站仪测站坐标系（即全站仪在轨道板附近任意位置完成整平，不需对中，无需设置全站仪测站坐标及视准轴定向）下的坐标值。通过所测量到的反射棱镜中心的坐标值，计算出扫描型全站仪3与测区1上需要待扫描范围4的空间位置关系。

如图2所示，以其中第一个螺栓孔上特征点21中心A为坐标原点O，与第二个螺栓孔上特征点22中心B连线为X轴正方向，右旋90度为Y轴正方向，以轨道板底面指向轨道板顶面为Z轴正方向建立空间三维直角坐标系，以下称为扫描独立坐标系，可见XOY平面与轨道板顶面平面与轨道板平面近似平行，两平面的距离为反射棱镜中心到轨道板面的垂直距离，令此垂直距离为H₀，H₀由反射棱镜、配套工装的制造以及各螺栓孔与轨道板顶面设计高差计算可知。剩余的第三个特征点23中心称为C。

依全站仪测得的特征点21、22、23这3个特征点反射棱镜中心的全站仪测站坐标系下的坐标值，令其分别为A（X_a ^’，Y_a ^’，H_a ^’）、B（X_b ^’，Y_b ^’，H_b ^’）、C（X_c ^’，Y_c ^’，H_c ^’），可计算得到AB空间距离为S_ab、AC的空间距离S_ac、BC的空间距离S_bc，并将扫描独立坐标系原点沿Z轴平移到轨道板顶面，平移后即轨道板顶面高度值为0，A点在扫描独立坐标系的坐标值为A（0，0，H₀）、B点坐标为（S_ab，0，H₀）；由于A、B、C几乎共面，可将Sac、Sbc当作在扫描独立坐标系XOY平面上的AC、BC的平面距离，即在平面三角形ABC中，A点平面坐标为A（0，0，H₀），B点坐标为（S_ab，0，H₀），C点坐标为（S_ab，S_bc，H₀）。

实际上，如果不考虑轨道板预制误差的影响或为了简化计算，A、B、C三点的轨道板坐标可从设计图、反射棱镜与配套工装的制造参数直接查得，无需上面的计算过程。

进一步地，由于A、B、C三点在全站仪测站坐标系下的坐标值测得，分别为A（X_a ^’，Y_a ^’，H_a ^’）、B（X_b ^’，Y_b ^’，H_b ^’）、C（X_c ^’，Y_c ^’，H_c ^’）;在扫描独立坐标系下的三维坐标为A（0，0，H₀）、（S_ab，0，H₀）、C（S_ab，S_bc，H₀），即两坐标系下有重合的3个点共6个坐标值，因此可通过七参数坐标转换的方法求解扫描独立坐标系与全站仪测站坐标系的转换参数，从而可以将扫描独立坐标系内任意点转换为测站坐标系下的坐标值，也可将测站坐标系转换为扫描独立坐标系即将扫描型全站仪设站参数与扫描独立坐标系一致。为进一步提高转换参数的精度，可以设置更多的反射棱镜作为测量标志并获得这些标志在两个坐标系的坐标值，然后用最小二乘法解算最优转换参数。

S3.软件控制测量设备在测区1上按设定的待扫描范围4进行扫描。方法如下:

依设计图纸等查得待扫描的承轨台等区域的特征点（如轨道板承轨台四个角点）在扫描独立坐标系内的坐标，可以将这些特征点来限定扫描范围，然后依S2所述解算得到的扫描独立坐标系转换到全站仪测站坐标系的转换参数，将这些特征点的轨道板坐标转换为测站坐标系的坐标，或将测站坐标系转换为扫描独立坐标系即将扫描型全站仪设站参数与扫描独立坐标系一致。然后由软件驱动全站仪逐一对这些扫描区域进行扫描。扫描时采用全站仪非合作目标的免棱镜测距功能，为提高扫描速度，优选扫描型全站仪。

S4.对S3 扫描得到的若干个点坐标值，进一步按需求计算其几何信息。

按S3所述方式逐一扫描各扫描范围4（例如各承轨台），得到各扫描范围4在测站坐标系下的点云，对这些点云进行轨道板承轨台钳口面、承轨面相关尺寸，预埋套管中线距离、歪斜、横向偏差、垂向偏差等指标进行分析、对照是否合格。

实施例2

如图1所示，根据本发明实施例所述的一种测量数据采集与处理方法，包括以下步骤：

S1.在测区1即在选择其中两个轨道板承轨台角点作为特征点，分别为特征点21、特征点22，这两个特征点设计位置与待扫描范围4相对位置关系可从设计图纸上查得或其它方式得知，轨道板需置于近似水平状态。

S2.采用测量设备3测量特征点21、特征点22在测站坐标系下的坐标。建立扫描区域的扫描独立坐标系，并根据测量得到特征点21、特征点22间的距离、或根据图纸查得特征点21、特征点22位置关系推算特征点21、特征点22在扫描独立坐标系的坐标值。通过特征点21、特征点22分别在测站坐标系下和扫描独立坐标系下的坐标值，计算得到测站坐标系和扫描独立坐标系的转换参数。方法如下：

用扫描型全站仪3测量特征点21、特征点22在全站仪测站坐标系（即全站仪在轨道板附近任意位置完成整平，不需对中，无需设置全站仪测站坐标及视准轴定向）下的坐标值。通过所测量到的特征点21、特征点22的坐标值，计算出扫描型全站仪3与测区1上待扫描范围4的空间位置关系。

如图3所示，将特征点21命为A点，以A为坐标原点O；将特征点22命为B点，以A、B连线为X轴正方向，右旋90度为Y轴正方向，以轨道板底面指向轨道板顶面为Z轴正方向建立空间三维直角坐标系，以下称为扫描独立坐标系。依全站仪测得的A、B点的坐标值反算其平距S（因轨道板水平，平距与斜距相同），则A点在扫描独立坐标系下的坐标值为（0，0，0），B点坐标值为（S，0，0）。然后可利用两点后方交会方式将全站仪测站坐标与扫描独立坐标系一致，即完成扫描型全站仪的设站。扫描全站仪一般自带后方交会设站程序，通过测量A、B两点完成全站仪设站，使全站仪测量坐标与扫描独立坐标系一致，即测站坐标系与全站仪测量坐标相同。

S3.软件控制测量设备在测区1上按设定的待扫描范围4进行扫描。方法如下:

依设计图纸等查得待扫描的承轨台等区域的特征点在扫描独立坐标系内的坐标，可以将这些特征点来限定扫描范围，进而由软件驱动全站仪逐一对这些扫描区域进行扫描。值得说明的是，待扫描的承轨台等区域的特征点在扫描独立坐标下的坐标，其坐标原点理论上是轨道板承轨台角点特征点21，但实际测量特征点21坐标时，全站仪测量的部位可能与该理论轨道板承轨台角点存在细微的瞄准误差，这一误差通常在5mm之内，此误差一般不会对后续扫描带来较大的不利影响，但仍然尽量提高两者的重合度，即尽量减小此误差。测量特征点21坐标时，同样尽量提高其重合度。为进一步减小瞄准误差对后续扫描带来的不利影响，在后续扫描过程中，可通过部分已扫描的结果进行分析计算、修正S2计算得到的测站坐标系和扫描独立坐标系的转换参数，例如从扫描得到的点云拟合出5个螺栓孔中心坐标后，以这些螺栓孔中心为特征点修正测站坐标系和扫描独立坐标系的转换参数，然后继续以新的转换参数进行扫描。

扫描时采用全站仪非合作目标的免棱镜测距功能，为提高扫描速度，优先扫描型全站仪。

S4.对S3 扫描得到的若干个点坐标值，进一步按需求计算其几何信息。

按S3所述方式逐一扫描各扫描范围4（例如各承轨台），得到各扫描范围4在测站坐标系下的点云，对这些点云进行轨道板承轨台钳口面、承轨面相关尺寸，预埋套管中线距离、歪斜、横向偏差、垂向偏差等指标进行分析、对照是否合格。

上述实施例2是基于轨道板处于水平状态的，本领域普通技术人员也可按本发明所述完成轨道板处于垂直状态条件下的实施例，也可完成轨道板处于某已知或某测定倾角条件下的实施例。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，充分利用扫描型全站仪精度高、扫描速度快的特点，以2个或2个以上特征点的后方交会方式设站，由软件规划扫描线路，控制仪器按所规划的线路对承轨台等区域进行扫描，可不需要设置专门的检测平台，甚至在存板场随机安置扫描全站仪进行出厂前检板，达到快速、准确、灵活的检板效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在测区（1）特定位置上选择或设置若干个特征点（2），这些特征点（2）设计位置与待扫描范围（4）相对位置关系已知；

S2.采用测量设备（3）测量这些特征点（2）在测站坐标系下的坐标，建立扫描区域的扫描独立坐标系，并根据测量得到的这些特征点（2）间的距离、或根据图纸查得这些特征点（2）位置关系推算这些特征点（2）在扫描独立坐标系的坐标值，通过这些特征点（2）在测站坐标系下和扫描独立坐标系下的坐标值，计算得到测站坐标系下和扫描独立坐标系的转换参数；

S3.根据在测区（1）上按设定的待扫描范围（4），控制测量设备对这些待扫描范围（4）进行扫描；

S4.对S3扫描得到测区（1）的若干个点坐标值，进一步按需求计算其几何信息。

2.根据权利要求1所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法，其特征在于，S1中所述特征点（2）数量为2个，检测时须将待扫描物体置于水平或垂直状态或任意已知倾角，S2所述的测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数可采用双点后方交会的方法。

3.根据权利要求1所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法，其特征在于，特征点（2）数量为3个或以上，检测时待扫描物体处于测量设备（3）较佳的可视扫描位置，S2所述的测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数可采用七参数方法，其中两坐标系的长度变形参数为1。

4.根据权利要求1所述的一种自由设站模式的指定特定范围的扫描方法，其特征在于，所述特征点（2）设置为通过反射棱镜或直接通过测量设备（3）免棱镜测距。

5.根据权利要求1所述的一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，其特征在于，在S2计算得到测站坐标系下和扫描独立坐标系的相互转换的转换参数后，或在步骤S3执行待扫描范围（4）动作之前，需将待扫描范围（4）的扫描独立坐标系坐标转换为测站坐标系坐标，或将待扫描范围（4）的测站坐标系坐标转换为扫描独立坐标系的坐标。

6.根据权利要求1所述的一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，其特征在于，S3所述的软件根据在测区（1）上按设定的待扫描范围（4），控制测量设备对这些待扫描范围（4）进行扫描，扫描方法是预先在软件系统内根据需要对不同的待扫描范围（4）设定不同或相同的扫描密度，并设定扫描线路，然后再由软件驱动测量设备（3）按设定的线路和各区域所需密度进行扫描。

7.根据权利要求1所述的一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，其特征在于，S2中所述转换参数在扫描了部分待扫描范围（4）后，根据扫描得到的点云计算待扫描范围（4）的特征点，对其进行修正。

8.根据权利要求1所述的一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，其特征在于，步骤S2所述的测量设备（3）采用无合作目标方式进行扫描，优选扫描型全站仪。

9.根据权利要求6所述的一种自由设站模式指定特定范围的扫描方法，其特征在于，步骤S2所述的软件，安装在测量设备（3）或计算机、智能手机等终端设备上。