CN113721246A - 一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，包括如下步骤：将无人船放置于水面，操作人员站立于岸边通过遥控器远程操控无人船在水面上行驶；在岸上架设电脑，电脑内装设数据处理单元；将三维激光扫描仪架设于无人船的上表面；将水下全景声呐架设于无人船的一侧侧壁外表面；三维激光扫描仪对水面以上的物体进行三维激光扫描，水下全景声呐对水面以下的物体进行扫描；操作人员通过数据处理单元对上传的水上点云数据和水下点云数据分析处理后进行三维建模。所述三维建模方法，通过操作人员在岸边操控无人船，集中化、简单化的操作，快速和安全的同时获取到水下水上的点云数据，保证数据的完整性，提升三维建模的准确性、高效性。

Description

一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法

技术领域

本发明属于测绘技术领域，具体涉及一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法。

背景技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。三维激光技术实现了从单点测量进化到面测量的革命技术突破，因此在多个领域，如：文物保护、数字城市、变形监测等，得到了运用。

三维激光扫描设备根据运用的途径，可分为：空中的机载激光扫描仪、地面的激光扫描仪、水下的三维全景识别声呐。近来年，地面的激光扫描仪和水下全景识别声呐已在水利上多个方面进行了运用，取得了大量成功案例。

利用地面的三维激光扫描仪可对防洪大堤、泵站、桥梁等设施进行扫描；水下的全景识别声呐可对水下的不可见的物体结构进行扫描。通过激光扫描仪的架站扫描，可以获取物体的点云数据，从而进一步数据处理，可对物体进行建模分析，具有重要意义。

但现今，扫描仪都是分开使用，对一个水利物体，如防洪大堤，地面三维激光扫描仪就单纯获取水面上点云，水下三维全景识别声呐就单纯获取水面下点云，不能同时对物体进行扫描。同时对一个物体的扫描需要通过三脚架来架设不同的测站，经常需要换站2-4次，较为麻烦。尤其是水下全景识别声呐的换站，由于在水上作业，还可能存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，以解决现有测绘建模过程中需要对水上点云数据和水下点云数据分别采集的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，所述三维建模方法，通过操作人员在岸边操控无人船，进一步集中化、简单化的操作，快速和安全的同时获取到水下水上的点云数据，保证数据的完整性，提升三维建模的准确性、高效性。

具体地，本发明采用的技术方案是：

一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，所述方法包括如下步骤：将无人船放置于水面，操作人员站立于岸边通过遥控器远程操控无人船在水面上行驶；在岸上架设电脑，在电脑内装设数据处理单元；将三维激光扫描仪架设于所述无人船的上表面；将水下全景声呐架设于所述无人船的一侧侧壁外表面，所述水下全景声呐的探测端伸入水面以下；操作人员通过遥控器操控无人船在水面上行驶，三维激光扫描仪和水下全景声呐跟随无人船行驶；三维激光扫描仪对水面以上的物体进行三维激光扫描，获得水面以上物体的水上点云数据，所述三维激光扫描仪与电脑通信连接，将所获得的水上点云数据发送至电脑内的数据处理单元；水下全景声呐对水面以下的物体进行扫描，获得水面以下物体的水下点云数据，所述水下全景声呐与电脑通信连接，将所获得的水下点云数据发送至电脑内的数据处理单元；操作人员通过数据处理单元对上传的水上点云数据和水下点云数据分析处理后进行三维建模。

进一步地，所述无人船包括：船体；电源，设置于所述船体的船舱内；控制主板，设置于所述船体的船舱内，所述控制主板与电源电性连接，所述控制主板上设置有无线信号接收模块；驱动电机，装设于所述船体的船舱内，所述驱动电机的输入端与控制主板通信连接，所述驱动电机的输出端与船体的螺旋桨连接；所述三维激光扫描仪架设于所述船体的上表面；所述遥控器内设无线信号发射模块，所述遥控器通过无线信号发射模块与控制主板上的无线信号接收模块通信连接，形成对无人船的遥控控制。

进一步地，所述船体的上表面设置有与数据处理单元通信连接的GPS定位器，形成船体的定位数据的传输。

进一步地，所述三维激光扫描仪通过一支架架设于船体的上表面；所述三维激光扫描仪通过一水平仪架设于所述支架上。

进一步地，所述电源装设于远离水下全景声呐的船舱内侧底面；所述电源为可充电锂电池；所述螺旋桨的数量为2个。

进一步地，所述船体的一侧侧壁外表面装设有一升降杆，所述升降杆上滑动装设有一滑块；所述水下全景声呐通过一安装架可拆卸地装设于升降杆的滑块上。

进一步地，所述安装架上架设有一云台，所述水下全景声呐通过云台架设于所述安装架上。

进一步地，所述水下全景声呐通过电缆与装设有数据处理单元的电脑通信连接；所述电脑内装设有与水下全景声呐通信连接的控制模块，形成对水下全景声呐的开启、扫描或关闭的控制；所述云台通过电缆与控制模块通信连接。

进一步地，所述船体的上表面开设有与船舱内侧连通的开口；所述开口内盖设有舱盖。

进一步地，所述船体的外表面沿船体周向包覆有防撞保护层。

本发明的有益效果在于：

所述三维建模方法，通过在无人船上设置三维激光扫描仪，形成对水面以上物体的点云数据的采集，通过在无人船上搭载水下全景声呐，形成对水面以下物体的点云数据的采集，操控人员通过遥控器站在岸边远程操控无人船在水面上行驶，从而实现对水上点云数据和水下点云数据的同步采集，然后通过采集到的水上点云数据和水下点云数据进行三维建模，有效提升三维建模的效率以及数据采集的同步性、准确性。

无人船的运行，可以在河道、湖水等水域中航行，同时省去了换站的繁琐步骤，节省了大量时间，高效率完成任务；

操作人员只需要在岸边通过无人船遥控器、电脑的配合，就可以完成扫描任务，便捷简单；

同时避免了操作人员过多的水下作业，提高了人员的安全性；

无人船上搭载GPS定位器，可对无人船的航行轨迹和定点的架站位置进行测量，获取空间坐标信息；

无人船周边加装防撞保护层，进一步保证了无人船的安全；

无人船上搭载了水下全景声呐和水上的三维激光扫描仪，可同步运行，获取物体的水下360°和水上360°的全部点云数据信息，更加具有研究意义。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法中的无人船的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例1所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法中遥控器与无人船的控制关系示意图；

图4为本发明实施例1所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法中三维激光扫描仪、水下全景声呐以及数据处理单元的控制关系示意图；

图5为本发明实施例2所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法中升降杆、云台以及水下全景声呐的配合结构示意图；

其中，1、无人船，11、船体，111、船舱，112、螺旋桨，113、升降杆，1131、滑块，114、开口，115、舱盖，12、电源，13、控制主板，131、无线信号接收模块，14、驱动电机；

2、遥控器，21、无线信号发射模块；

3、电脑，31、数据处理单元，32、控制模块；

4、三维激光扫描仪，41、支架，42、水平仪；

5、水下全景声呐，51、探测端，52、安装架，53、云台，54、电缆；6、GPS定位器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

参见图1～4，本发明所提供的一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，所述方法包括如下步骤：

将无人船1放置于水面，操作人员站立于岸边通过遥控器2远程操控无人船1在水面上行驶；在岸上架设电脑3，在电脑3内装设数据处理单元31；

将三维激光扫描仪4架设于所述无人船1的上表面；将水下全景声呐5架设于所述无人船1的一侧侧壁外表面，所述水下全景声呐5的探测端51伸入水面以下；

操作人员通过遥控器2操控无人船1在水面上行驶，三维激光扫描仪4和水下全景声呐5跟随无人船1行驶；

三维激光扫描仪4对水面以上的物体进行三维激光扫描，获得水面以上物体的水上点云数据，所述三维激光扫描仪4与电脑3通信连接，将所获得的水上点云数据发送至电脑3内的数据处理单元31；

水下全景声呐5对水面以下的物体进行扫描，获得水面以下物体的水下点云数据，所述水下全景声呐5与电脑3通信连接，将所获得的水下点云数据发送至电脑内的数据处理单元31；

操作人员通过数据处理单元31对上传的水上点云数据和水下点云数据分析处理后进行三维建模。

进一步地，所述无人船1包括：船体11；电源12，设置于所述船体11的船舱111内；控制主板13，设置于所述船体11的船舱111内，所述控制主板13与电源12电性连接，所述控制主板13上设置有无线信号接收模块131；驱动电机14，装设于所述船体11的船舱111内，所述驱动电机14的输入端与控制主板13通信连接，所述驱动电机14的输出端与船体11的螺旋桨112连接；所述三维激光扫描仪4架设于所述船体11的上表面；所述遥控器2内设无线信号发射模块21，所述遥控器2通过无线信号发射模块21与控制主板13上的无线信号接收模块131通信连接，形成对无人船1的遥控控制。

通过船1与遥控器2之间的遥控控制，方便操作人员站在岸边操作，避免了操作人员过多的水下作业，提高了人员的安全性。

进一步地，所述船体11的上表面设置有与数据处理单元31通信连接的GPS定位器6，形成船体1的定位数据的传输。

GPS定位器6的设计，可提供无人船1的定位辅助功能，GPS定位器6可通过手机操作，同步获取无人船1的坐标信息，便于及时准确定位。

进一步地，所述三维激光扫描仪4通过一支架41架设于船体11的上表面；所述三维激光扫描仪4通过一水平仪42架设于所述支架41上。

水平仪42与支架41的配合的设计，可提升三维激光扫描仪4的稳定性，提升数据获取的准确性。

进一步地，所述电源12装设于远离水下全景声呐5的船舱111内侧底面；所述电源12为可充电锂电池；所述螺旋桨112的数量为2个。

电源12与水下全景声呐5设置于无人船1的相对两端，可起到平衡作用，防止无人船1一侧重量过重而导致倾翻，保证无人船1行驶的稳定性。双螺旋桨112的配置，可提升无人船1的动力，便于无人船1在水面上航行。

进一步地，所述水下全景声呐5通过电缆54与装设有数据处理单元31的电脑3通信连接；所述电脑3内装设有与水下全景声呐5通信连接的控制模块32，形成对水下全景声呐5的开启、扫描或关闭的控制；所述云台53通过电缆54与控制模块32通信连接。

电缆54的设计，可提升数据传输的稳定性，控制模块32的设计，可实现对水下全景声呐5以及云台53的远程控制，提升便利性。

进一步地，所述船体11的上表面开设有与船舱111内侧连通的开口114；所述开口114内盖设有舱盖115。

舱盖115的设计，在维护时，可开启舱盖115，观察无人船1的船舱111内侧的情况，便于对船舱111内侧部件进行维护和保养，提升使用寿命。

防撞保护层的设计，可对无人船1进行保护，保证无人船1船体的安全。

进一步地，所述船体11的外表面沿船体11周向包覆有防撞保护层(未图示)。

无人船1可以在河道、湖水等水域中航行，同时省去了换站的繁琐步骤，节省了大量时间，高效率完成任务；操作人员只需要在岸边通过无人船遥控器、手机、电脑的配合，就可以完成扫描任务，便捷简单；同时避免了操作人员过多的水下作业，提高了人员的安全性。。

实施例2

参见图5，所述船体11的一侧侧壁外表面装设有一升降杆113，所述升降杆113上滑动装设有一滑块1131；所述水下全景声呐5通过一安装架52可拆卸地装设于升降杆113的滑块1131上。

升降杆113与滑块1131的配合设计，可使得水下全景声呐5在使用时通过滑块1131下降至水面以下进行数据采集，在不使用时，可通过滑块上升至水面以上，防止水下全景声呐5长时间待在水中被腐蚀，提升使用寿命。

进一步地，所述安装架52上架设有一云台53，所述水下全景声呐5通过云台53架设于所述安装架52上。

云台53的设计，可带动水下全景声呐5在水下进行360°旋转，从而对水下物体进行全景扫描，提升数据采集的质量和数量。

其中，升降杆113可为不带滑块1131的伸缩杆；

滑块1131在升降杆113上滑动设置有锁止结构，为常规设计，在此不再赘述。

其余同实施例1。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，或对某个功能模块进行删减，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进或删减，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将无人船(1)放置于水面，操作人员站立于岸边通过遥控器(2)远程操控无人船(1)在水面上行驶；

在岸上架设电脑(3)，在电脑(3)内装设数据处理单元(31)；将三维激光扫描仪(4)架设于所述无人船(1)的上表面；将水下全景声呐(5)架设于所述无人船(1)的一侧侧壁外表面，所述水下全景声呐(5)的探测端(51)伸入水面以下；

操作人员通过遥控器(2)操控无人船(1)在水面上行驶，三维激光扫描仪(4)和水下全景声呐(5)跟随无人船(1)行驶；

三维激光扫描仪(4)对水面以上的物体进行三维激光扫描，获得水面以上物体的水上点云数据，所述三维激光扫描仪(4)与电脑(3)通信连接，将所获得的水上点云数据发送至电脑(3)内的数据处理单元(31)；

水下全景声呐(5)对水面以下的物体进行扫描，获得水面以下物体的水下点云数据，所述水下全景声呐(5)与电脑(3)通信连接，将所获得的水下点云数据发送至电脑内的数据处理单元(31)；

操作人员通过数据处理单元(31)对上传的水上点云数据和水下点云数据分析处理后进行三维建模。

2.根据权利要求1所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述无人船(1)包括：

船体(11)；

电源(12)，设置于所述船体(11)的船舱(111)内；

控制主板(13)，设置于所述船体(11)的船舱(111)内，所述控制主板(13)与电源(12)电性连接，所述控制主板(13)上设置有无线信号接收模块(131)；

驱动电机(14)，装设于所述船体(11)的船舱(111)内，所述驱动电机(14)的输入端与控制主板(13)通信连接，所述驱动电机(14)的输出端与船体(11)的螺旋桨(112)连接；

所述三维激光扫描仪(4)架设于所述船体(11)的上表面；

所述遥控器(2)内设无线信号发射模块(21)，所述遥控器(2)通过无线信号发射模块(21)与控制主板(13)上的无线信号接收模块(131)通信连接，形成对无人船(1)的遥控控制。

3.根据权利要求2所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述船体(11)的上表面设置有与数据处理单元(31)通信连接的GPS定位器(6)，形成船体1的定位数据的传输。

4.根据权利要求2所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述三维激光扫描仪(4)通过一支架(41)架设于船体(11)的上表面；

所述三维激光扫描仪(4)通过一水平仪(42)架设于所述支架(41)上。

5.根据权利要求2所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述电源(12)装设于远离水下全景声呐(5)的船舱(111)内侧底面；

所述电源(12)为可充电锂电池；

所述螺旋桨(112)的数量为2个。

6.根据权利要求5所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述船体(11)的一侧侧壁外表面装设有一升降杆(113)，所述升降杆(113)上滑动装设有一滑块(1131)；

所述水下全景声呐(5)通过一安装架(52)可拆卸地装设于升降杆(113)的滑块(1131)上。

7.根据权利要求6所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述安装架(52)上架设有一云台(53)，所述水下全景声呐(5)通过云台(53)架设于所述安装架(52)上。

8.根据权利要求7所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述水下全景声呐(5)通过电缆(54)与装设有数据处理单元(31)的电脑(3)通信连接；

所述电脑(3)内装设有与水下全景声呐(5)通信连接的控制模块(32)，形成对水下全景声呐(5)的开启、扫描或关闭的控制；

所述云台(53)通过电缆(54)与控制模块(32)通信连接。

9.根据权利要求2或3或4所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述船体(11)的上表面开设有与船舱(111)内侧连通的开口(114)；

所述开口(114)内盖设有舱盖(115)。

10.根据权利要求2所述的可同时获得水上水下点云数据的三维建模方法，其特征在于，所述船体(11)的外表面沿船体(11)周向包覆有防撞保护层。

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