一種編碼測量桿及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測繪技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種編碼測量桿及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地面激光掃描儀是一種利用發(fā)射和接收激光信號進(jìn)行測量的測繪儀器，在測繪、 礦業(yè)、城市、水利、文保等領(lǐng)域廣泛使用的測繪儀器，能快速生產(chǎn)大量高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0003] 地面激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí)，與傳統(tǒng)的全站儀類似，要設(shè)定掃描站，然后利用控制 點(diǎn)（或標(biāo)靶）信息，將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而獲得被測目標(biāo)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這個(gè)流 程，已經(jīng)成為地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)流程。
[0004] 現(xiàn)有的點(diǎn)云掃描的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法主要是利用放置在工作空間中的標(biāo)靶（如球形 標(biāo)靶、平面標(biāo)靶等）來配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過提取的控制標(biāo)靶的中心，利用多次掃描的同名標(biāo)靶的 對應(yīng)關(guān)系配準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這種使用多個(gè)控制標(biāo)靶提取中心的方法對于變形監(jiān)測等應(yīng)用，具有很 大的困難。
[0005] 此外，激光掃描工作中，現(xiàn)在通用的球型、平面標(biāo)靶均以點(diǎn)為主要特征進(jìn)行數(shù)據(jù)配 準(zhǔn)，在野外實(shí)際工作中標(biāo)靶布設(shè)較為麻煩；另一方面，在一些形變監(jiān)測過程中，標(biāo)靶可能會 隨著被測物體移動(dòng)，從而引起變形監(jiān)測的失?。徊⑶?，以標(biāo)靶為控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果不利 于連續(xù)觀測的幾何數(shù)據(jù)變化比較；傳統(tǒng)的標(biāo)靶多為平面，在實(shí)際掃描過程中，存在面向標(biāo)靶 平面掃描角度的偏差，標(biāo)靶中心的坐標(biāo)擬合質(zhì)量往往得不到保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種編碼測量桿及其使用方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種編碼測量桿，包括一個(gè)控制標(biāo)桿 和一個(gè)球形標(biāo)靶，所述球形標(biāo)靶嵌套在所述控制標(biāo)桿上并可沿所述控制標(biāo)桿上下移動(dòng)。
[0008] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述控制標(biāo)桿為直桿，截面為方形或者圓形。
[0010] 進(jìn)一步地，所述控制標(biāo)桿的桿體上被不同顏色或者不同材質(zhì)的涂料分割為多個(gè)長 短不同的分段，不同分段之間的橫截面中心點(diǎn)為分段節(jié)點(diǎn)。
[0011] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的第二種技術(shù)方案如下，一種使用上述編碼測量桿進(jìn)行 激光掃描變形監(jiān)測或者點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟A1，將編碼測量桿固定在待測量場景中；
[0013] 步驟A2,使用掃描儀采集編碼測量桿的控制標(biāo)桿的長度、編碼測量桿的每個(gè)分段 節(jié)點(diǎn)到掃描儀中心線所在平面的距離以及每個(gè)分段節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值；
[0014] 步驟A3,根據(jù)步驟2采集到的數(shù)據(jù)以及已知的編碼測量桿的每個(gè)分段的長度，計(jì) 算掃描儀中心的高度；
[0015] 步驟A4,變換掃描儀的位置，重復(fù)步驟A2-步驟A3,進(jìn)行多次掃描；
[0016] 步驟A5,基于第一次測量的掃描儀的中心高度，計(jì)算每一次測量的掃描儀的中心 高度的旋轉(zhuǎn)和高程偏移量。
[0017] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟A2中，所述分段節(jié)點(diǎn)為編碼測量桿每個(gè)分段的截面中心點(diǎn)，具體 獲取方式為：由掃描儀掃描獲取的部分編碼測量桿表面點(diǎn)云，擬合出準(zhǔn)確的控制標(biāo)桿豎直 中心線；根據(jù)控制標(biāo)桿的桿體表面分段之間的點(diǎn)云強(qiáng)度差異，擬合出準(zhǔn)確的分界線；將分 界線水平投影到桿體控制標(biāo)桿豎直中心面，投影的分界線與控制標(biāo)桿豎直中心線相交，獲 得具有準(zhǔn)確三維坐標(biāo)的分段節(jié)點(diǎn)。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟A3包括以下步驟：
[0020] 步驟A31，計(jì)算得出每個(gè)分段節(jié)點(diǎn)的離地高度；
[0021] 步驟A32,計(jì)算掃描儀中心點(diǎn)高度，即將編碼測量桿分段節(jié)點(diǎn)離地高度減去編碼測 量桿分段節(jié)點(diǎn)在掃描獲取的點(diǎn)云中測得的坐標(biāo)值。
[0022] 進(jìn)一步地，所述的編碼測量桿進(jìn)行激光掃描變形監(jiān)測或者點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法，還包 括對編碼測量桿上的球形標(biāo)靶進(jìn)行掃描測量或者對球形標(biāo)靶和控制標(biāo)桿共同掃描測量或 者對多個(gè)編碼測量桿進(jìn)行掃描測量，進(jìn)行平差計(jì)算。
[0023] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的第三種技術(shù)方案如下，一種使用上述編碼測量桿進(jìn)行 多站激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的方法，包括如下步驟：
[0024] 步驟B1，將多個(gè)編碼測量桿固定在待測量場景中；
[0025] 步驟B2,使用η個(gè)掃描儀，分別為掃描儀1號、掃描儀2號、…掃描儀η號，η多2， 每個(gè)掃描儀均以各自的掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別采集每個(gè)編碼測量桿的每個(gè)分段節(jié)點(diǎn) 的坐標(biāo)值；
[0026] 步驟Β3,選取任意三個(gè)能構(gòu)成三角形的分段節(jié)點(diǎn)，通過所述三個(gè)分段節(jié)點(diǎn)在掃描 儀1號中的坐標(biāo)值以及在其它掃描儀中的坐標(biāo)值，分別計(jì)算其他掃描儀相對于掃描儀1號 的坐標(biāo)變換參數(shù)。
[0027] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0028] 進(jìn)一步地，步驟Β2中，所述分段節(jié)點(diǎn)為編碼測量桿每個(gè)分段的截面中心點(diǎn)，具體 獲取方式為：由掃描儀掃描獲取的部分編碼測量桿表面點(diǎn)云，擬合出準(zhǔn)確的控制標(biāo)桿豎直 中心線；根據(jù)控制標(biāo)桿的桿體表面分段之間的點(diǎn)云強(qiáng)度差異，擬合出準(zhǔn)確的分界線；將分 界線水平投影到桿體控制標(biāo)桿豎直中心面，投影的分界線與控制標(biāo)桿豎直中心線相交，獲 得具有準(zhǔn)確三維坐標(biāo)的分段節(jié)點(diǎn)。
[0029] 進(jìn)一步地，所述的編碼測量桿進(jìn)行多站激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的方法，還包括對編碼 測量桿上的球形標(biāo)靶進(jìn)行掃描測量或者對球形標(biāo)靶和控制標(biāo)桿共同掃描測量，進(jìn)行平差計(jì) 算。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是：可以解決標(biāo)靶平面視角受限的問題，還有多次反復(fù)觀測的 精度控制問題，也可以結(jié)合掃描儀的工作流程，解決實(shí)際測量中的控制問題、連續(xù)觀測點(diǎn)云 數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和比較問題；同時(shí)，此方法還能用于普通的復(fù)雜環(huán)境的點(diǎn)云配準(zhǔn)上，減少標(biāo)靶布 設(shè)的工作量。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明所述編碼測量桿的結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明所述一根編碼測量桿多次測量整體結(jié)構(gòu)圖圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明所述編碼測量桿多次測量整體結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明所述利用兩個(gè)和兩個(gè)編碼測量桿進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)原理圖。
[0035] 附圖標(biāo)記：
[0036] 1、控制標(biāo)桿，2、球形標(biāo)靶，3、分段，4、分段節(jié)點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0038] 如圖1所示，一種編碼測量桿，包括控制標(biāo)桿1和球形標(biāo)靶2,球形標(biāo)靶2嵌套在控 制標(biāo)桿1上并可以沿控制標(biāo)桿1的桿體上下移動(dòng)。
[0039] 使用時(shí)，在進(jìn)行近距離測量或在通視條件良好的情況下，可以選用控制標(biāo)桿1進(jìn) 行測量，也可以選用球形標(biāo)靶2進(jìn)行測量，其中選用球形標(biāo)靶2進(jìn)行測量為現(xiàn)有技術(shù)；在進(jìn) 行遠(yuǎn)距離測量或者在待測量場景中有遮擋的情況下，由于球形標(biāo)靶2比控制標(biāo)桿1更易觀 測到，因此可以采用常規(guī)方法進(jìn)行測量，此時(shí)球形標(biāo)靶2的位置可以根據(jù)需要沿控制標(biāo)桿1 的桿體上下移動(dòng)。
[0040] 控制標(biāo)桿1為直桿，截面為方形或者圓形，可以為中空或者實(shí)心，寬度或者半徑 不限，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，可以根據(jù)場景的遠(yuǎn)近而選擇粗細(xì)不同的桿子?？紤]到激 光掃描儀隨掃描距離增加，點(diǎn)云密度變稀疏的特點(diǎn)，針對不同場景，例如〇. 5km*0. 5km和 10km*10km這兩種場景，其用于配準(zhǔn)的控制標(biāo)桿1的半徑不同，后者應(yīng)明顯大于前者，半徑 差會達(dá)到5cm以上。理論上說，控制標(biāo)桿1的桿體半徑越大越好，但在近距離采用半徑過大 的控制標(biāo)桿1會遮擋待掃描的地物，造成不便，因此控制標(biāo)桿1的桿體半徑不宜過大，綜上 所述，編碼測量桿的控制標(biāo)桿與待配準(zhǔn)的場景大小相關(guān)。
[0041] 控制標(biāo)桿的材料可以為金屬、木質(zhì)、塑料、碳纖維等，優(yōu)選為金屬，控制標(biāo)桿1為金 屬時(shí)，反射性能較穩(wěn)定，物理屬性也較結(jié)實(shí)。
[0042] 控制標(biāo)桿1的最優(yōu)長度范圍為lm_5m，也可以根據(jù)需要設(shè)定控制標(biāo)桿1的長度。
[0043] 控制標(biāo)桿1的桿體上被不同顏色或者不同材質(zhì)的涂料分割為多個(gè)長短不同的分 段3,最優(yōu)方案為每一個(gè)分段3的長度均不同，這樣可以通過長度來區(qū)分每一個(gè)分段3 ;在有 相同長度分段3的情況下，則需要通過顏色和長度的雙重標(biāo)識來區(qū)分每一個(gè)分段3,即相同 長度的分段3顏色必然不同，由上所述，可以根據(jù)長度或顏色或者長度和顏色的雙重指標(biāo) 來唯一的區(qū)分每一個(gè)分段3 ;分段數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)定；激光掃描儀可以根據(jù)控制標(biāo)桿1 的不同顏色或者不同材質(zhì)的涂料分辨出每一個(gè)分段3 ;不同分段3之間的橫截面中心點(diǎn)為 分段節(jié)點(diǎn)4。
[0044] 本發(fā)明中編碼測量桿的結(jié)構(gòu)，可以克服傳統(tǒng)掃描作業(yè)中的遮擋問題；另外，對于野 外掃描的標(biāo)靶放置問題；該編碼測量桿完全不受野外地形的限制，使用簡單方便。
[0045] 本發(fā)明所述的編碼測量桿可以用于單個(gè)掃描儀進(jìn)行測量的情況，單個(gè)掃描儀對編 碼測量桿進(jìn)行多次觀測，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，應(yīng)用于變形監(jiān)測；也可以用于使用多個(gè)掃描儀 共同測量的情況，進(jìn)行多站掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，本發(fā)明所述的掃描儀可以為激光掃描儀，優(yōu)選 為三維激光掃描儀。
[0046] 如圖2所示，利用本發(fā)明所述的編碼測量桿，進(jìn)行激光掃描變形監(jiān)測或者點(diǎn)云配 準(zhǔn)的方法，包括以下步驟：
[0047] 步驟A1，選定掃描儀的架設(shè)位置即監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)待測量場景的地形情況，選擇多個(gè) 監(jiān)測點(diǎn)，保證可以觀測到整個(gè)待測量場景，在地面上做好多次連續(xù)觀測的掃描儀器架設(shè)位 置標(biāo)志，設(shè)置監(jiān)測精度，確立監(jiān)測方案；將掃描儀架設(shè)在監(jiān)測點(diǎn)上，調(diào)整掃描儀（使用氣泡 調(diào)平，氣泡即需要整置水平的儀器使用來參考儀器是否已經(jīng)和地面水平的憑證，由于氣泡 封閉在液體裝置內(nèi)，液體受重力影響，只有在儀器水平條件下，液體表面才會水平，這樣浮 在液體表面的氣泡，才會居于液體中央，不偏不倚），掃描儀整平對中，使其中心點(diǎn)與地面劃 定，即調(diào)整使掃描儀的橫軸與地面平行，經(jīng)過掃描儀中心的豎軸必須通過地面標(biāo)記的監(jiān)測 點(diǎn)。
[0048] 步驟A2,將編碼測量桿固定在待測量場景中；選擇合適的位置擺放好編碼測量桿 后，記錄編碼測量桿的地面標(biāo)志，將編碼測量桿調(diào)整為豎直，可以使用氣泡調(diào)平。
[0049] 步驟A3,使用掃描儀識別出編碼測量桿的每一個(gè)分段，并且采集編碼測量桿的控 制標(biāo)桿的長度、編碼測量桿的每個(gè)分段節(jié)點(diǎn)到掃描儀中心線所在平面的距離以及每個(gè)分段 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值；
[0050] 首先結(jié)合已知的編碼測量桿的每個(gè)分段的長度，計(jì)算得出每個(gè)分段節(jié)點(diǎn)的離地高 度；
[0051] 其次再計(jì)算掃描儀中心點(diǎn)高度；掃描儀中心點(diǎn)高度的計(jì)算方法為：實(shí)際編碼測量 桿分段節(jié)點(diǎn)離地高度減去編碼桿分段節(jié)點(diǎn)在掃描