CN114858140B - 基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备 - Google Patents

基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备 Download PDF

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CN114858140B CN202210303074.7A CN202210303074A CN114858140B CN 114858140 B CN114858140 B CN 114858140B CN 202210303074 A CN202210303074 A CN 202210303074A CN 114858140 B CN114858140 B CN 114858140B
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Abstract

本申请实施例公开了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备，本申请实施例在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；从点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。本方案可以快速便捷地在现场布置标靶装置，快速获取信息从而实现三维激光扫描的坐标向大地坐标的变换。

Description

基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备
技术领域
本申请涉及测量技术领域，具体涉及一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备。
背景技术
在深部地下工程的地质调查中，位于高应力隧洞(道)、超深采场及巷道，都是具有极高的岩爆、冲击地下和塌方风险，人员在隧洞掌子面或边墙区域等类似环境下，进行开挖面地质结构信息获取是十分危险，甚至要付出生命代价。
非接触测量是解决这种困境的一种有效方法，但当前诸如三维激光扫描或者摄影测量获取开挖面点云信息或者影像信息，三维激光扫描获得的隧洞壁面点云信息是以三维激光扫描仪的局部坐标系为基准，为了能够通过三维激光扫描点云信息获取结构面产状等几何信息，需要将其从扫描仪的局部坐标系变换到大地坐标系。
通常情况下，需要辅助全站仪确定不少于三个已知点的大地坐标，采用人工在测量面上定三个以上的标靶，全站仪测定标靶点大地坐标后，借助标靶坐标数据对点云数据进行配准，将所有点云从扫描仪局部坐标系转换为大地坐标系。为了构建三维地质模型时均要实施全站仪测量足够的测量点，满足后期点云数据配准工作，但这个工作是十分繁琐耗时的且需要多人配合完成，这违背了在极高岩爆、冲击地压或塌方风险快速测量和减少人员暴露的要求。
因而，从地质结构面信息获取角度，如何可以快速便捷地在现场布置标靶装置，快速获取信息实现三维激光扫描从扫描仪局部坐标系向大地坐标系的变换，对深部工程快速开挖面信息的获取尤为重要，且具有重要应用价值。
发明内容
本申请实施例提供一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备，可以快速便捷地在现场布置标靶装置，快速获取信息从而实现三维激光扫描的坐标向大地坐标的变换。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法，所述标靶装置包括三角标靶架、第一板面、第二板面以及第三板面，其中：
所述第一板面以及所述第二板面为等腰三角形，所述第三板面为等腰梯形，所述三角标靶架由下往上依次设置有架脚、第一圆水准器、高度调节器以及方向调节器；
所述三角标靶架通过所述方向调节器与所述第二板面连接，所述第二板面的底边通过折页铰链与所述第三板面的下底连接，所述第三板面的上底通过折页铰链与所述第一板面的底边连接，所述第一板面以及所述第二板面通过一支柱架固定连接，所述第一板面的中心位置设置有第二圆水准器，所述第三板面上设置有三个十字标靶，所述第三板面的中心位置设置有三维电子罗盘数显；
在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；
根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
在一些实施方式中，所述根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向，包括：
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第一法向量；
根据所述第一法向量确定所述第二倾向。
在一些实施方式中，所述根据所述第一法向量确定所述第二倾向，包括：
根据所述第一法向量以及预设的倾向计算公式确定所述第二倾向，所述第一法向量为(a1、b1、c1)，其中：
当b1＞0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000031
所述α1为所述第二倾向；
当b1≤0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000032
在一些实施方式中，所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，包括：
根据所述第一倾向以及所述第二倾向确定倾向差；
根据所述倾向差以及预设的坐标转换公式将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，所述坐标转换公式为：
Figure GDA0003709739020000033
其中，(x′ y′ z′)为大地坐标，(x y z)为所述点云数据中的坐标，所述Δα为所述倾向差。
在一些实施方式中，所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标之后，所述方法还包括：
从所述大地坐标中提取三角形坐标；
计算所述三角形坐标的第二法向量；
根据所述第二法向量以及预设的倾向计算公式确定第三倾向。
在一些实施方式中，所述计算所述三角形坐标的第二法向量之后，所述方法还包括：
根据所述第二法向量以及预设的倾角计算公式确定所述三角形坐标的倾角，所述第二法向量为(a2、b2、c2)，其中：
所述倾角计算公式为：
Figure GDA0003709739020000034
所述β为所述三角形坐标的倾角。
在一些实施方式中，所述方向调节器包括螺旋栓、下底座、脚螺旋以及上底座，其中，所述螺旋栓连接所述下底座，所述下底座连接所述脚螺旋，所述脚螺旋连接所述上底座，所述上底座通过固定杆连接所述第二板面。
第二方面，本申请实施例还提供了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置，包括：标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置，其中：
所述标靶装置包括三角标靶架、第一板面、第二板面以及第三板面，其中：
所述第一板面以及所述第二板面为等腰三角形，所述第三板面为等腰梯形，所述三角标靶架由下往上依次设置有架脚、第一圆水准器、高度调节器以及方向调节器；
所述三角标靶架通过所述方向调节器与所述第二板面连接，所述第二板面的底边通过折页铰链与所述第三板面的下底连接，所述第三板面的上底通过折页铰链与所述第一板面的底边连接，所述第一板面以及所述第二板面通过一支柱架固定连接，所述第一板面的中心位置设置有第二圆水准器，所述第三板面上设置有三个十字标靶，所述第三板面的中心位置设置有三维电子罗盘数显；
在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
所述三维激光扫描仪，用于获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
所述处理装置，用于从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
第三方面，本申请实施例还提供了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换设备，包括标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置，所述处理装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行本申请实施例提供的任一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法中的步骤。
第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行本申请实施例提供的任一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法中的步骤。
本申请实施例在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。本方案可以快速便捷地在现场布置标靶装置，快速获取信息从而实现三维激光扫描的坐标向大地坐标的变换。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请实施例提供的标靶装置的一结构示意图；
图2是本申请实施例提供的标靶装置的一侧视图示意图；
图3是本申请实施例提供的标靶装置的一俯视图示意图；
图4是本申请实施例提供的标靶装置中脚螺旋的主视图、侧视图以及俯视图；
图5是本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法的一流程示意图；
图6是本申请实施例提供的十字标靶在第三板面上的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置的一结构示意图；
图8是本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换设备中处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的说明中，本申请的具体实施例将参考由一部或多部计算机所执行的步骤及符号来说明，除非另有述明。因此，这些步骤及操作将有数次提到由计算机执行，本文所指的计算机执行包括了由代表了以一结构化型式中的数据的电子信号的计算机处理单元的操作。此操作转换该数据或将其维持在该计算机的内存系统中的位置处，其可重新配置或另外以本领域测试人员所熟知的方式来改变该计算机的运作。该数据所维持的数据结构为该内存的实体位置，其具有由该数据格式所定义的特定特性。但是，本申请原理以上述文字来说明，其并不代表为一种限制，本领域测试人员将可了解到以下所述的多种步骤及操作亦可实施在硬件当中。
本申请的原理使用许多其它泛用性或特定目的运算、通信环境或组态来进行操作。所熟知的适合用于本申请的运算系统、环境与组态的范例可包括(但不限于)手持电话、个人计算机、服务器、多处理器系统、微电脑为主的系统、主架构型计算机、及分布式运算环境，其中包括了任何的上述系统或装置。
本申请中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请提供了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法，该方法需要结合标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置共同实现。
其中，如图1所示，图1为本申请提供的标靶装置的结构示意图，标靶装置包括三角标靶架1、第一板面2、第二板面3以及第三板面4，其中：
第一板面2以及第二板面3为等腰三角形，第三板面4为等腰梯形，三角标靶架1由下往上依次设置有架脚11、第一圆水准器12、高度调节器13以及方向调节器14；
三角标靶架1通过方向调节器14与第二板面3连接，第二板面3的底边通过折页铰链51与第三板面4的下底连接，第三板面4的上底通过折页铰链52与第一板面2的底边连接，第一板面2以及第二板面3通过一支柱架固定连接，第一板面2的中心位置设置有第二圆水准器21，第三板面4上设置有三个十字标靶41，第三板面4的中心位置设置有三维电子罗盘数显42；
所述方向调节器14包括螺旋栓141、下底座142、脚螺旋143以及上底座144，其中，所述螺旋栓141连接所述下底座142，所述下底座142连接所述脚螺旋143，所述脚螺旋143连接所述上底座144，所述上底座144通过固定杆连接所述第二板面3，所述高度调节器13放置在螺旋栓141与第一圆水准器12中间的中线位置。
三角标靶架1的支撑脚有3个架脚，包括1个固定架脚，2个可调式架脚，可调式架脚的上部设置有调副标靶按钮15，固定架脚上设置有松紧主标靶架螺旋16。
标靶装置中十字标靶41的在三维激光扫描的过程中，需要放置在被测面上，但由于被测面可能存在高陡岩体或者是处于危险岩体下，往往不容易放置十字标靶。并且将十字标靶在放置在被测面上面，获取被测面的倾向、倾角需要人为使用地质罗盘测量，不仅需要人为操作，且测量出的倾向、倾角具有一定的误差。
所以本申请在对被测面进行激光扫描之前，通过调节标靶装置使得第三板面4靠近于被测面，并且使得第一圆水准器12以及第二圆水准器21的气泡处于居中状态，其中，本实施例中的被测面可以为隧洞裸露壁面。本申请不需要直接在被侧面上设置标靶装置，只需要将标靶装置放置在地面上，然后通过调整被测装置，使得被测装置的第三板面4靠近于被测面，通过测试第三面板4的产状信息计算得到被侧面的产状信息。
需要说明的是，本申请的第一圆水准器12以及第二圆水准器21可快速调节水平，通过第三板面4十字标靶可快速标记在被测面上，第一板面2、第二板面3以及第三板面4方便携带、三角标靶架1为可调式三角标靶架、三维电子罗盘数显42可快速获取第三板面4的倾向与倾角信息，通过上述部件可实现三维激光扫描过程中快速安全设置标靶，为三维激光扫描工作中扫描点云数据由扫描仪局部坐标向相对大地坐标两系统转换工作的辅助工具。
具体地，可通过可调式三角标靶架使中第一圆水准器12实现下底座142的快速水准粗平。下底座142与标靶部件采用分离式拼装模式，标靶部件(第一板面2、第二板面3以及第三板面4等)可快速安装到下底座142上，并能自由调整标靶正向方向，便于三维激光扫描仪直射向十字标靶获取标靶特征点。标靶部件放置于三角标靶架1上，三角标靶架1上的三个脚螺旋143可实现标靶部件快速水准精平，具体地，通过第一圆水准器12来实现上底座144调平，方法：旋转两脚螺旋143使第一圆水准器12所在平面平行于任意一对脚螺旋143；然后，旋转另外一个脚螺旋143使第一圆水准器12的长气泡管气泡居中。标靶部件中第三板面4采用折叠式，其上布置的三维电子罗盘数显42，可准确读取三号第三板面4的产状数据(包括倾向、倾角)。
可见，本申请可以通过标靶装置获取第三板面4的产状信息，借助该产状信息实现点云从扫描仪坐标系到大地坐标系的转换。本申请在实现点云从扫描仪坐标系到大地坐标系的转换时只需要布置一个本申请的标靶装置，减少了人员在深部危险洞段的暴露时间，实现隧洞裸露壁面信息快速获取的目的。此外，该方法去除了全站仪测量的复杂工序，只需三维激光扫描仪对本申请的标靶装置与被测量隧洞岩壁(被测面)一并扫描即可，在操作速度与测量精度上实现最优化。
其中，三维激光扫描技术是一种先进快捷获取结构面产状信息的立体扫描技术，可以通过发射脉冲激光，将编码的脉冲激光束经反射棱镜，高速而有序地逐行扫过被测物体表面，激光接收器记录每个激光脉冲从发出到反射所用时间以及每个激光脉冲的发射角度，利用时间原理计算出激光点在被测物体上的三维坐标，再由提前放置在扫描区作为控制点的三个十字标靶，作为点云拼接的连接点，把局部坐标换算成大地坐标，实现点云数据的精准拼接。
为了进一步理解本申请提供的标靶装置，请参阅图2，图2是本申请中标靶装置的一侧视图，请参阅图3，图3为本申请标靶装置的一俯视图，请参阅图4，图4为本申请标靶装置中脚螺旋143的主视图、侧视图以及俯视图。
请参阅图5，图5是本申请一实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法的流程示意图。该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法的执行主体可以是本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置，或者集成了该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置的设备，其中，该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置可以采用硬件或者软件的方式实现。本实施例在通过三维激光扫描仪采取被侧面的点云数据之前，需要将调节标靶装置上第三板面4靠近于被测面，并且使得第一圆水准器12以及第二圆水准器21的气泡处于居中状态时，以执行本申请中的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法，具体地，该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法可以包括：
101、通过三维激光扫描仪获取被测面以及标靶装置的点云数据。
本实施例中，调节标靶装置上第三板面4靠近于被测面，三维激光扫描仪需要一并获取被侧面以及标靶装置的点云数据。
102、从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向。
本实施例中，当获取了被侧面以及标靶装置的点云数据之后，将从获取的点云数据中提取第三板面4上三个十字标靶41，如图6所示，该三个十字标靶分别为，标靶A、B以及C，坐标分别为A(XA、YA、ZA)、B(XB、YB、ZB)以及C(XC、YC、ZC)。
其中，本实施例中的十字标靶可以为黑白十字标靶。
此外，还需要三维电子罗盘数显42中获取所述第三板面4的第一倾向。
在一些实施例中，还需要从三维电子罗盘数显42中获取所述第三板面4的第一倾角。
103、根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向。
本实施例中，可以根据获取到的三个十字标靶的点云坐标确定第三面板4的第二倾向，具体方法包括：
1、根据所述点云坐标确定所述第三板面的第一法向量。
法向量计算公式为：
Figure GDA0003709739020000091
Figure GDA0003709739020000092
Figure GDA0003709739020000093
式中，
Figure GDA0003709739020000094
和
Figure GDA0003709739020000095
为向量
Figure GDA0003709739020000096
和
Figure GDA0003709739020000097
的单位矢量，
Figure GDA0003709739020000098
为第三面板4的第一法向量。
2、根据所述第一法向量确定所述第二倾向。
具体地，根据所述第一法向量以及预设的倾向计算公式确定所述第二倾向，所述第一法向量为(a1、b1、c1)，其中：
当b1＞0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000101
所述α1为所述第二倾向；
倾角计算公式为：
Figure GDA0003709739020000102
所述β1为第二倾角；
当b1≤0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000103
倾角计算公式为：
Figure GDA0003709739020000104
根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
具体地，所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，包括：
根据所述第一倾向以及所述第二倾向确定倾向差；
其中，倾向差Δα＝α-α1，α为从三维电子罗盘数显42中读取到的数值。
然后根据所述倾向差以及预设的坐标转换公式将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，所述坐标转换公式为：
Figure GDA0003709739020000105
其中，(x′ y′ z′)为大地坐标，(x y z)为所述点云数据中的坐标，所述Δα为所述倾向差。
所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标之后，所述方法还包括：
从所述大地坐标中提取三角形坐标，在大地坐标下，由上述法向量计算公式、倾向计算公式以及倾角计算公式，把组成每个单独三角形的三个点坐标，算出其法向量，再算出其倾向倾角。
具体为：从所述大地坐标中提取三角形坐标；计算所述三角形坐标的第二法向量；根据所述第二法向量以及预设的倾向计算公式确定第三倾向，所述第二法向量为(a2、b2、c2)。
当b2＞0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000111
所述α2为所述第二倾向；
当b2≤0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000112
根据所述第二法向量以及预设的倾角计算公式确定所述三角形坐标的倾角，其中：
此时，所述倾角计算公式为：
Figure GDA0003709739020000113
所述β2为所述三角形坐标的第三倾角，即在大地坐标下的倾角。
本申请利用辅助标靶装置的快速布置和测量，实现三维激光扫描获取的点云数据由扫描仪局部坐标向相对大地坐标两系统转换工作，替代传统方法中通过全站仪开展足够数量测量点后配准坐标的方法，满足深部地下工程具有岩爆、塌方等极其危险的操作环境下快速实施三维激光扫描，并准确获取点云信息的需求。扫描仪系统局部坐标系下的点云数据通过辅助标靶实现向相对大地坐标系统变换。本申请提出了配套辅助标靶实现坐标变换的技术方法，该方法是利用先获得三维激光扫描仪得出的倾向，和地质罗盘所测倾向，算出倾向之差，得到扫描仪下坐标和大地坐标的关系，把坐标转换为大地坐标，最后计算其倾向倾角。通过本申请坐标变化方法得到的新点云坐标系的三个坐标轴是与大地坐标系的三个坐标轴均平行，是一个相对大地坐标系。该坐标系不给出点云准确大地坐标，但它可直接用于识别点云中地质结构面产状信息、迹线长度、结构面组间距等几何参数信息，足以满足深部地下工程信息快速采集与地质结构面信息识别提取的要求。
综上所述，本实施例中，在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面紧贴于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。本方案可以快速便捷地在现场布置标靶装置，快速获取信息从而实现三维激光扫描的坐标向大地坐标的变换。
为便于更好的实施本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法，本申请实施例还提供一种基于上述基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法的装置。其中名词的含义与上述基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法中相同，具体实现细节可以参考方法实施例中的说明。
请参阅图7，图7为本申请实施例提供的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置的结构示意图，其中该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置可以包括标靶装置701、三维激光扫描仪702以及处理装置703等。
所述标靶装置701包括三角标靶架、第一板面、第二板面以及第三板面，其中：
所述第一板面以及所述第二板面为等腰三角形，所述第三板面为等腰梯形，所述三角标靶架由下往上依次设置有架脚、第一圆水准器、高度调节器以及方向调节器；
所述三角标靶架通过所述方向调节器与所述第二板面连接，所述第二板面的底边通过折页铰链与所述第三板面的下底连接，所述第三板面的上底通过折页铰链与所述第一板面的底边连接，所述第一板面以及所述第二板面通过一支柱架固定连接，所述第一板面的中心位置设置有第二圆水准器，所述第三板面上设置有三个十字标靶，所述第三板面的中心位置设置有三维电子罗盘数显；
在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置701使得所述第三板面紧贴于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
所述三维激光扫描仪702，用于获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
所述处理装置703，用于从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
在一些实施例中，所述处理装置703在处理所述根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向步骤时，具体用于：
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第一法向量；
根据所述第一法向量确定所述第二倾向。
在一些实施例中，所述处理装置703在处理所述根据所述第一法向量确定所述第二倾向步骤时，具体用于：
根据所述第一法向量以及预设的倾向计算公式确定所述第二倾向，所述第一法向量为(a1、b1、c1)，其中：
当b1＞0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000131
所述α1为所述第二倾向；
当b1≤0时，所述倾向计算公式为：
Figure GDA0003709739020000132
在一些实施例中，所述处理装置703在处理所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标步骤时，具体用于：
根据所述第一倾向以及所述第二倾向确定倾向差；
根据所述倾向差以及预设的坐标转换公式将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，所述坐标转换公式为：
Figure GDA0003709739020000133
其中，(x′ y′ z′)为大地坐标，(x y z)为所述点云数据中的坐标，所述Δα为所述倾向差。
在一些实施例中，所述处理装置703在处理所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标步骤之后，具体还用于：
从所述大地坐标中提取三角形坐标；
计算所述三角形坐标的第二法向量；
根据所述第二法向量以及预设的倾向计算公式确定第三倾向。
在一些实施例中，所述处理装置703在处理所述计算所述三角形坐标的第二法向量步骤之后，具体还用于：
根据所述第二法向量以及预设的倾角计算公式确定所述三角形坐标的倾角，所述第二法向量为(a2、b2、c2)，其中：
所述倾角计算公式为：
Figure GDA0003709739020000141
所述β为所述三角形坐标的倾角。
在一些实施例中，所述方向调节器包括螺旋栓、下底座、脚螺旋以及上底座，其中，所述螺旋栓连接所述下底座，所述下底座连接所述脚螺旋，所述脚螺旋连接所述上底座，所述上底座通过固定杆连接所述第二板面。
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置和各单元的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
上述基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置可以实现为一种计算机程序的形式，该计算机程序可以在基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换设备上运行，该基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换设备包括标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置，具体地，计算机程序可以在该处理装置上运行，该处理装置如图8所示。
请参阅图8，图8是本申请实施例提供的一种处理装置的示意性框图。该处理装置800可以是终端，也可以是服务器，其中，终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、个人数字助理和穿戴式设备等具有通信功能的电子设备。服务器可以是独立的服务器，也可以是多个服务器组成的服务器集群。
参阅图8，该处理装置800包括通过系统总线801连接的处理器802、存储器和网络接口805，其中，存储器可以包括非易失性存储介质803和内存储器804。
该非易失性存储介质803可存储操作系统8031和计算机程序8032。该计算机程序8032包括程序指令，该程序指令被执行时，可使得处理器802执行一种覆盖率融合方法。
该处理器802用于提供计算和控制能力，以支撑整个处理装置800的运行。
该内存储器804为非易失性存储介质803中的计算机程序8032的运行提供环境，该计算机程序8032被处理器802执行时，可使得处理器802执行一种覆盖率融合方法。
该网络接口805用于与其它设备进行网络通信。本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的处理装置800的限定，具体的处理装置800可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
其中，所述处理器802用于运行存储在存储器中的计算机程序8032，以实现如下步骤：
通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；
根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
应当理解，在本申请实施例中，处理器802可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器802还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Appl ication Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。该计算机程序包括程序指令，计算机程序可存储于一存储介质中，该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现上述方法的实施例的流程步骤。
因此，本申请还提供一种存储介质。该存储介质可以为计算机可读存储介质。该存储介质存储有计算机程序，其中计算机程序包括程序指令。该程序指令被处理器执行时使处理器执行如下步骤：
通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；
根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
所述存储介质可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本申请实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，终端，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法，其特征在于，所述标靶装置包括三角标靶架、第一板面、第二板面以及第三板面，其中：
所述第一板面以及所述第二板面为等腰三角形，所述第三板面为等腰梯形，所述三角标靶架由下往上依次设置有架脚、第一圆水准器、高度调节器以及方向调节器；
所述三角标靶架通过所述方向调节器与所述第二板面连接，所述第二板面的底边通过折页铰链与所述第三板面的下底连接，所述第三板面的上底通过折页铰链与所述第一板面的底边连接，所述第一板面以及所述第二板面通过一支柱架固定连接，所述第一板面的中心位置设置有第二圆水准器，所述第三板面上设置有三个十字标靶，所述第三板面的中心位置设置有三维电子罗盘数显；
在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
通过三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；
根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向，包括：
根据所述点云坐标确定所述第三板面的第一法向量；
根据所述第一法向量确定所述第二倾向。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一法向量确定所述第二倾向，包括：
根据所述第一法向量以及预设的倾向计算公式确定所述第二倾向，所述第一法向量为(a1、b1、c1)，其中：
当b1＞0时，所述倾向计算公式为：
Figure FDA0003966586530000021
所述α1为所述第二倾向；
当b1≤0时，所述倾向计算公式为：
Figure FDA0003966586530000022
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，包括：
根据所述第一倾向以及所述第二倾向确定倾向差；
根据所述倾向差以及预设的坐标转换公式将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标，所述坐标转换公式为：
Figure FDA0003966586530000023
其中，(x′y′z′)为大地坐标，(x y z)为所述点云数据中的坐标，所述vα为所述倾向差。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标之后，所述方法还包括：
从所述大地坐标中提取三角形坐标；
计算所述三角形坐标的第二法向量；
根据所述第二法向量以及预设的倾向计算公式确定第三倾向。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算所述三角形坐标的第二法向量之后，所述方法还包括：
根据所述第二法向量以及预设的倾角计算公式确定所述三角形坐标的倾角，所述第二法向量为(a2、b2、c2)，其中：
所述倾角计算公式为：
Figure FDA0003966586530000024
所述β为所述三角形坐标的倾角。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方向调节器包括螺旋栓、下底座、脚螺旋以及上底座，其中，所述螺旋栓连接所述下底座，所述下底座连接所述脚螺旋，所述脚螺旋连接所述上底座，所述上底座通过固定杆连接所述第二板面。
8.一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换装置，其特征在于，包括标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置，其中：
所述标靶装置包括三角标靶架、第一板面、第二板面以及第三板面，其中：
所述第一板面以及所述第二板面为等腰三角形，所述第三板面为等腰梯形，所述三角标靶架由下往上依次设置有架脚、第一圆水准器、高度调节器以及方向调节器；
所述三角标靶架通过所述方向调节器与所述第二板面连接，所述第二板面的底边通过折页铰链与所述第三板面的下底连接，所述第三板面的上底通过折页铰链与所述第一板面的底边连接，所述第一板面以及所述第二板面通过一支柱架固定连接，所述第一板面的中心位置设置有第二圆水准器，所述第三板面上设置有三个十字标靶，所述第三板面的中心位置设置有三维电子罗盘数显；
在对被测面进行激光扫描之前，通过调节所述标靶装置使得所述第三板面靠近于所述被测面，并且使得所述第一圆水准器以及所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
所述三维激光扫描仪，用于获取所述被测面以及所述标靶装置的点云数据；
所述处理装置，用于从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标，以及从三维电子罗盘数显中获取所述第三板面的第一倾向；根据所述点云坐标确定所述第三板面的第二倾向；根据所述第一倾向以及所述第二倾向将所述点云数据中的坐标转换成大地坐标。
9.一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换设备，其特征在于，包括标靶装置、三维激光扫描仪以及处理装置，所述处理装置包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行如权利要求1至7任一项所述的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法。
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