專利名稱：一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑物的三維繪測領(lǐng)域，特別涉及一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法。
背景技術(shù)：
對建筑進行三維測繪，在土木工程、文物保護、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和需求。傳統(tǒng)的三維測繪方法，包括全站儀、GPS-RTK(RTKRealTimeKinematic實時動態(tài)測量)等，都屬于單點測量，對單一物體(建筑、雕塑等)測量點的分布較為稀疏，一般最多測量數(shù)十到數(shù)百個點，不利于建立精確的三維模型，而如果增加測量點，則測量效率又無法得到保障。特別是對一些形狀特殊(曲線型等)的建筑可能最終效果較差；而對一些高層建筑，由于不能合理的布設(shè)棱鏡、控制點，也會導致誤差的增加。且這些方法受測量環(huán)境、時間效率等各種限制較大(如高層建筑頂部等難以測量)，使用起來較為不便。三維激光掃描儀能同時測量大量點的三維坐標，具有高精度、高速度的特點，但是，由三維激光掃描儀測得的每一站數(shù)據(jù)都位于各自的局部坐標系中，空間信息是基于機器坐標系，不能體現(xiàn)建筑物的真實地理信息。為得到完整的建筑模型，必須進行粗配準、精配準、全局配準等步驟，過程中基準點的選取等很容易造成傳遞誤差；而且最終模型的坐標系統(tǒng)仍然是自由坐標系，不符合國家標準，在工程、管理中的應(yīng)用收到了很大的限制。如何讓三維激光掃描儀的測量結(jié)果符合測繪標準，適應(yīng)工程、管理的應(yīng)用需要，是一個急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，包含以下實施步驟:步驟A:在建筑物四周設(shè)置站點，選取其中一個作為基準站，并測量基準站位置的WGS-84坐標值。步驟B:在建筑物外表面和內(nèi)表面布設(shè)控制點?？刂泣c的數(shù)量應(yīng)該保證三維激光掃描儀在每個站點的掃描范圍內(nèi)至少有5個以上的控制點。步驟C:用全站儀逐站測量并記錄控制點坐標，控制點點集為IxJ控制點坐標值為WGS-84坐標值。步驟D:用三維激光掃描儀逐站掃描測量，得到建筑物視點云數(shù)據(jù)，控制點點集為IyJ其中控制點坐標值為機器坐標系內(nèi)的坐標值。步驟E:視點云粗配準，利用點集IxJ和點集{yj計算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，利用基于最小平方和誤差的配準方法進行粗配準，經(jīng)過粗配準后的視點云數(shù)據(jù)都已經(jīng)被轉(zhuǎn)換至WGS-84標準坐標系。步驟F:利用步驟E中的粗配準結(jié)果進行全局配準。
本發(fā)明解決了單純依靠全站儀或GPS-RTK技術(shù)進行三維測繪速度慢、建模困難的問題；同時通過利用GPS和全站儀測定控制點，解決了多視點云數(shù)據(jù)粗配準困難的問題，同時使得最終配準的點云被統(tǒng)一到WGS-84坐標系下，點云數(shù)據(jù)可以直接用于工程、管理，同時可以和現(xiàn)行的GIS技術(shù)標準進行對接，具有較大的應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明的實施步驟流程圖。圖2是建筑物測量站點設(shè)置示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實現(xiàn)步驟流程圖如圖1所示。步驟SlOl:獲取基準站位置WGS-84坐標。根據(jù)測量現(xiàn)場情況，在建筑物四周設(shè)置站點，如圖2所示。優(yōu)選地，站點距離待測建筑物10m-50m。一般室外設(shè)置8_10個站,室內(nèi)根據(jù)建筑物情況而定。選取其中任意一個站點作為基準站空間開闊的任意位置為基準站，利用基準站接收機選擇天氣較好時間連續(xù)觀測數(shù)個小時(具體觀測時間根據(jù)現(xiàn)場情況而定，觀測時間越長則精度越高)。根據(jù)觀測值計算得到基準站的精確WGS-84坐標值。步驟S102:布設(shè)控制點。在待測建筑物內(nèi)外表面安置控制點，一般為標革巴或光學棱鏡或者其他具有識別作用的物體，數(shù)量上需要保證三維激光掃描儀每站掃描時能同時有5個以上的控制點在掃描范圍以內(nèi)。步驟S103:全站儀架設(shè)至基準點設(shè)定參數(shù)架設(shè)全站儀，將步驟SlOl測得的基準站點作為全站儀的初始參數(shù)。注:實踐中為了提高效率，布設(shè)全站儀控制點與基準點測定、以及全站儀參數(shù)設(shè)定可以同時進行。步驟S104:全站儀測定并記錄控制點坐標。按照全站儀測繪方法，逐站測量，得到所有控制點的坐標值。所得控制點的坐標值為 WGS-84 (World Geodetic System 一 1984 Coordinate System, 一種國際上米用的地心坐標系)坐標值。步驟S105:利用三維激光掃描儀掃描測量待測建筑利用三維激光掃描儀掃描逐站掃描待測建筑物，得到建筑物的視點云數(shù)據(jù)。注:為了提聞效率，步驟S104和步驟S105可以同時進打。步驟S106:手動選取各站點內(nèi)的控制點點坐標。將在步驟S105中得到了建筑物的視點云中手動選取出控制點，得到控制點坐標的在機器坐標系中的的坐標。步驟S107:計算初始變化矢量。步驟S108:將各視點云數(shù)據(jù)變換至WGS-84坐標系。需要說明的是，上述兩步的目的是進行粗配準。初始變化矢量指的指旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。理論上，兩幅待配準圖像只需要4對以上的對應(yīng)點就能求出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，但如果對應(yīng)特征點對數(shù)量過少，將導致配準精度和可靠性的降低。為了解決這個問題，必須擴大對應(yīng)特征點對的數(shù)量。本發(fā)明的粗配準方法采用基于最小平方和誤差的配準方法，先介紹如下:現(xiàn)考慮兩個對應(yīng)點集{xj, {yj, i = 1,2,…，11，(\和71是3*1的列向量)，則有:Xi = Ry j+T (I)其中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矢量。要配準這兩個點集，目標就是要找到合適的R，T使得匹配點的歐氏距離和(如公式⑵所示)最小。
權(quán)利要求
1.一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，包含以下實施步驟: 步驟A:在建筑物四周設(shè)置站點，選取其中一個作為基準站，測量基準站位置的WGS-84坐標值； 步驟B:在建筑物外表面和內(nèi)表面布設(shè)控制點； 步驟C:用全站儀逐站測量并記錄控制點坐標，其中控制點點集為IxJ ； 步驟D:用三維激光掃描儀逐站掃描測量，得到視點云數(shù)據(jù)，其中控制點點集為{yi}； 步驟E:視點云粗配準，將視點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至WGS-84標準坐標系； 步驟F:利用步驟E中的粗配準結(jié)果進行全局配準。
2.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述步驟C中，全站儀的初始參數(shù)設(shè)置為基準站坐標參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述步驟D中所述控制點的數(shù)量需要保證三維激光掃描儀每站掃描時能同時有5個以上的控制點。
4.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述步驟E是利用基于最小平方和誤差的配準方法進行粗配準。
5.如權(quán)利要求4所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，利用點集IxJ和點集{yj計算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，將所述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量作用于對應(yīng)的視點云數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述步驟F是通過最小化公式
7.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述步驟C和步驟D可以同時執(zhí)行。
8.如權(quán)利要求1所述的一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法，其特征在于，所述控制點為標靶、棱鏡或其他具有識別作用的物體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全站儀聯(lián)合三維激光掃描儀用于建筑測量的方法在建筑物四周設(shè)置站點，選取其中一個作為基準站，測量基準站位置的WGS-84坐標值。在建筑物外表面和內(nèi)表面布設(shè)控制點，用全站儀逐站測量并記錄控制點坐標，得到控制點點集為{xi}用三維激光掃描儀逐站掃描測量，得到建筑物視點云數(shù)據(jù)，其中控制點點集為{yi}利用{xi}和{yi}實現(xiàn)視點云粗配準，視點云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換至WGS-84標準坐標系，最后利用粗配準結(jié)果進行全局配準。
文檔編號G01C7/00GK103196426SQ20131012441
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者邢保振, 吳雨 申請人:四川九洲電器集團有限責任公司