一種圓柱形測量裝置與自動識別算法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的圓柱形三維激光掃描標靶技術(shù)背景
[0002]隨著測繪技術(shù)的快速發(fā)展傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足人們的一些特殊用途和要求。對于真三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求越來越迫切。三維數(shù)據(jù)在表達內(nèi)容和形式上有二維數(shù)據(jù)所無法比擬的優(yōu)越性，更加的直觀、用戶的體驗感更強。一些細節(jié)特征更加的清晰，三維激光掃描技術(shù)應運而生。
[0003]三維激光掃描儀可以在短時間內(nèi)獲得場景中大量物體的三維坐標，但是無法獲取某一個指定點的準確坐標。掃描標靶的出現(xiàn)就是解決這個問題。掃描儀在掃描的過程中自動獲取標靶并以極高的掃描精度對目標物體進行掃描。三維激光掃描技術(shù)又稱為“三維實景復制技術(shù)”，通過高速激光掃描測量，快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)，具有快速、實時、非接觸、主動等特點，在古建筑保護、文化遺產(chǎn)保護、重要建筑物的施工質(zhì)量評價、建筑物變形監(jiān)測等方面得到了廣泛應用。
[0004]以前普通的圓柱形的圓柱形標靶只是包括圓柱部分和底座部分，不支持對于測量控制點的照準和配置水平，這就使得三維激光掃描點云和常規(guī)控制測量的聯(lián)系需要通過其他方式來進行，增加中間聯(lián)系測量的手段會增加點云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換誤差，從而使得模型的精確度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對技術(shù)背景中的問題，克服以往的普通標靶的不足，發(fā)明一種新型的激光雷達掃描標靶。標靶采用圓柱形設計，標靶表面采用特殊的礦物染料涂抹，位置固定的情況下，可以在不同方向同時觀測標靶，同時增加可以照準控制點標志的普通底座，同時增加了照準棱鏡，也可以當做普通棱鏡使用。在保證精度的同時可以提高測量效率，從而實現(xiàn)激光雷達和全站儀的聯(lián)系測量，減少外業(yè)工作量，也可以保證點云轉(zhuǎn)換的精度。既可以和普通的棱鏡一樣使用，同時也可以當做激光雷達的反射裝置使用。儀器通體采用工程材料制作，結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定、結(jié)實耐用、安裝方便，操作簡單。非常適合于野外環(huán)境下作業(yè)。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0007]一種新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形標靶，包括:整體結(jié)構(gòu)的圓柱形標靶主體、底座和連接柱，標靶表面采用特殊的礦物染料涂抹。標靶圓柱和底座之間通過連接柱鏈接，底座一端為鏈接連接柱的凹槽，可以固定連接柱位置不轉(zhuǎn)動，另一端設置有螺絲孔，可以和三腳架鏈接，用于將整個標靶圓柱固定在三角架上。
[0008]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，標靶采用的是真題工程材料制作，不易變形，經(jīng)久耐用。
[0009]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，標靶采用圓柱形制作，結(jié)合圓柱擬合算法可以保證在各個方向測量所得的圓柱的中軸線在同一位置，便于各站點云的擬合和配站。
[0010]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的測量裝置中，所述整體結(jié)構(gòu)的圓柱形標靶主體、底座和連接柱，標靶表面采用特殊的礦物染料涂抹有利于測量人員對于標靶的識別同時提聞對于激光的反射效率。
[0011]所優(yōu)選的是，所述的標靶圓柱和底座之間通過連接柱鏈接，底座一端為鏈接連接柱的凹槽，可以固定連接柱位置不轉(zhuǎn)動，另一端設置有螺絲孔，可以和三腳架鏈接，用于將整個標靶圓柱固定在三角架上。
[0012]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，所述增加的頂端棱鏡便于激光和全站儀的聯(lián)系測量，減少了轉(zhuǎn)換的精度，提高了工作效率。
[0013]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，所描述的棱鏡的球心和圓柱的中軸線在同一豎直線上，可以保證測量的精度。
[0014]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，標靶表面采用特有的設計圖案進行繪制，便于人眼識別。
[0015]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，標靶便面采用實驗驗證的材料進行涂抹，便于算法的自動識別。
[0016]所優(yōu)選的是，所述的新型激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置中，增加精確的圓水準氣泡和水準管氣泡，保證裝置的安置水平和準確度。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明所述的新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置的棱鏡正面?zhèn)纫晥D。
[0018]圖2為本發(fā)明所述的新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置的反射區(qū)域涂抹。
[0019]圖3為本發(fā)明所述的新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置的俯視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明所述的新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置的仰視圖。
[0021]圖5為本發(fā)明所述的新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形測量裝置的棱鏡側(cè)面仰視圖。 圖6為圓柱擬合實施方案的參數(shù)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0023]如圖1所示標靶由以下幾個大部分構(gòu)成底座、標靶轉(zhuǎn)盤、水準管水準器、對地瞄準鏡、連接柱、標靶圓柱、固定柱。
[0024]如圖2所示為一種新型的激光掃描系統(tǒng)的圓柱形標靶的反射區(qū)域涂抹。使用象牙黑這種礦物染料涂抹便于工作人員進行目標識別。
[0025]具體方法:
[0026]圓柱擬合方案:
[0027]距離函數(shù)參數(shù)化圓柱面的重新參數(shù)化如附圖6所示。
[0028]
[0029]
[0030]設圓柱面到坐標原點的最近距離為P In I ,其中η為圓柱的法向量,且|η| = I ;圓柱中心軸的方向矢量為a,且I a| = I ;圓柱的半徑為1/k。η與a滿足η.a = O,將η用球面坐標表示，即
[0031]n = (cosWsin θ，sinWsin θ，cos θ )(I)
[0032]其中，Ψ為η與z軸的夾角；Θ為η與χ軸的夾角。Spi為空間任意一點矢，Pi到圓柱面的距離函數(shù)
[0033]d(S, Pi) = I [ρ「(P+1/k)n]*a1-1/k(2)
[0034]則圓柱面幾何距離函數(shù)的參數(shù)化方程可以近似表示為
[0035]由于ηΨ，ηθ和η構(gòu)成正交基，所以可將圓柱中心軸的方向矢量a參數(shù)化為
[0036]d(S, Pi) = k/2 [ I Pi 12Jpi P.n_ (Pi.a)2+P 2] + P-Pi.η (3)
[0037]anWcos α+η Θ sin α(4)
[0038]因此，圓柱面就可由5個相互獨立的參數(shù)(P，Ψ，Θ，k，α)表示。將(ρ，Ψ，θ，k，α )代入式⑶得到
[0039]d (S, Pi) = A ( P , Ψ, θ , k, α ) Pt (Pi)(5)
[0040]其中
[0041]P (pi) = {χ/, Ji2, Zi2, XiYi, XiZi, YiZi, Xi, yi； Zi, 1}(6)
[0042]Α(Ρ，Ψ，θ , k, α )=
[0043]{k/2 [1-(cosWcos θ cos α -sin θ sin α )2],
[0044]k/2 [1- (sinWcos θ cos α +cosWsin α )2],
[0045]k/2 [1- (sin θ cos α )2],
[0046]-k (οοβΨοοβ θ οοβ-β?ηΨβ?η α ) * (-cos α sin θ ),
[0047]-k (β?ηΨοοβ θ cos α +οοβΨβ?η α ) * (-cos α sin θ ),
[0048]- (kp+1) cosWsin θ ,
[0049]- (kp+1) sinWsin θ ,
[0050]- (kp+1) cos θ