一种三维激光扫描控制架及其外业扫描和点云配准方法

摘要

本发明公开一种三维激光扫描控制架及其外业扫描和点云配准方法，控制架由载物平台、支架、标靶系统构成可承载扫描目标物体进行360度转动，标靶系统固定于支架上，亦可360度转动且标靶高度灵活可调，对不同高度大小的目标物体具有通用性，点云配准方法考虑到各测站坐标系旋转时的误差分配，改良了传统方法首尾点云衔接不理想的情况，有利于三维建模工作，且本发明方便拆卸和组装，具有很好的便携性，在提高小型目标的外业采集效率和点云配准精度上有良好效果，有利于节约外业时间和点云后期数据处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维激光扫描辅助采集设备及其外业扫描和点云数据处理方法，特别涉及一种用于提高小型目标扫描效率和点云配准精度的控制架及其外业扫描和点云配准方法。

背景技术

文物保护、工业造型、塑像制作是最早应用三维激光扫描测量技术的领域之一。扫描目标通常具有器形小（小于1m）、立体感强、造型复杂等特点，通常需要几个方向才能获取完整的三维扫描数据，扫描完一个测站后需要将扫描仪搬至其他测站依次扫描，现场工作量大。而每次扫描获取的点云数据只能涵盖对象表面的一部分，并且由于每个视点的测站坐标系不同导致不同视点点云数据之间的错位，为了获得对象完整的表面点云数据，就需要对处于不同坐标系之间点云进行拼接，称作点云配准。目前点云配准常采用如下方法：将首测站坐标系作为基准坐标系，依次拼接相邻点云，直至所有测站点云都转换至基准坐标系下。上述方法虽能进行所有测站点云的拼接工作，但配准精度不高，特别是在测站数较多的情况下首尾点云衔接不理想，影响了后续的建模工作。

发明内容

发明目的：为了提高小型目标的外业扫描效率和点云配准精度，提供一种能承载目标并带动目标同步旋转的控制架及其外业扫描和点云配准方法,该发明在外业采集时固定仪器位置，通过旋转目标物体来达到扫描完整表面的目的，取消了标靶布设和扫描仪器搬移步骤，节约了外业采集时间，并且在点云配准时通过将所有需要配准的测站纳入整体平差，进行配准误差分配，从而提高点云配准的精度。

技术方案：本发明所述的一种三维激光扫描控制架，包括载物平台、支架和标靶系统；

所述载物平台的底面设有便于其向任意方向旋转的活动轮，可承载扫描目标物体进行360度转动；

所述支架包括两根长支架和两根短支架，两根长支架分别竖直固定于载物平台上表面相对的两角，两根短支架分别竖直固定于载物平台上表面另一相对的两角，且所述支架与载物平台的连接点位于载物平台的对角线上；避免四个标靶共面的情况同时减少对目标物体的遮挡。

所述标靶系统由标牌、实心管件和调心轴承构成，所述调心轴承固定于支架上且高度可调节，所述实心管件插装固定在调心轴承内，所实心管件的顶端固定有标牌，所述标牌上设有标靶，所述实心管件的轴线与标靶的扫描面重叠。

标靶可360度转动且高度灵活可调，对不同高度大小的目标物体具有通用性。

所述载物平台的上表面粘贴有防滑层。

一种利用上述三维激光扫描控制架进行外业扫描和点云配准的方法，包括如下步骤：

（一）布设好三脚架，将三维激光扫描仪安置于三脚架上并初步整平，接通电源；用数据线将三维激光扫描仪与计算机连接并启动计算机，打开外业采集软件进入电子气泡，对扫描仪进行精确整平，同时将目标物体安置于控制架上，将所有标靶转向扫描仪一侧；

（二）使用外业扫描软件控制扫描仪进行外业扫描，在首测站下扫描目标物体朝向扫描仪的一面，扫描结束后得到首测站下目标点云并开始进行标靶扫描，扫描得到首测站下四个标靶的标靶点云；

（三）旋转控制架，将目标物体另一侧转向扫描仪，同时将标靶转动至扫描仪侧，重复步骤（二）所有工作，得到该测站下的目标点云和标靶点云；

（四）重复执行步骤（三），直至目标物体表面扫描完全，保存点云数据，关闭计算机和扫描仪电源，整理设备并妥善安放至原有位置；

（五）导出扫描点云数据，拟合出标靶靶心坐标作为公共点，将首测站设为基准测站，利用后续测站与基准测站间的任意三个公共点关系计算出后续测站的转换参数初始值；

（六）根据后续测站与基准测站间的所有公共点关系列出转换参数的第一误差方程和转换参数之间的限制条件方程，根据后续测站之间的所有公共点关系列出第二误差方程；

（七）采用附限制条件的间接平差方法进行最小二乘平差，计算出改正后的配准参数，循环进行以上步骤直至满足精度要求，最后将所有后续测站的目标点云转换至基准坐标系下，从而完成点云配准工作。

其中，点云配准方法利用任意测站与基准测站间三个公共点求得转换参数初始值，以附限制条件的形式代替了三角函数线性化，简化了误差方程，有利于程序设计。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明所述的控制架方便拆卸和组装，具有很好的便携性，点云配准方法逻辑严密，适宜程序设计，在提高小型目标的外业采集效率和点云配准精度上具有良好效果，有利于节约外业时间和点云后期数据处理。

附图说明

图1为实施例1中所述三维激光扫描控制架的结构示意图。

图2为实施例1中所述标靶系统的结构示意图。

图3为实施例1中点云配准方法的流程图。

图中：1.钢板平台，2.标牌，3.活动轮，4.调心轴承，5.不锈钢支架，6.固定片，7.旋转轴线，8.实心钢管。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：如图1和2所示，一种三维激光扫描控制架，包括载物平台、支架和标靶系统；

所述载物平台为钢板平台1，具体尺寸为49cm×72cm，厚3mm，其底面四角设有便于其向任意方向旋转的四个活动轮3；所述载物平台的上表面粘贴有防滑层，扫描目标物体可放置于平台上随控制架同步移动且不发生位移。

所述支架为不锈钢支架5包括两根长支架和两根短支架，两根长支架的长度为0.5m，分别竖直固定于载物平台上表面相对的两角；两根短支架的长度为0.1m，分别竖直固定于载物平台上表面另一相对的两角，且所述支架与载物平台的连接点位于载物平台的对角线上，分别距离平台边缘15mm。

所述标靶系统由标牌2、实心管件和调心轴承4构成，所述标牌2为钢质标牌尺寸为14cm×14cm，厚度1mm，所述标牌2上设有纸质标靶，纸质标靶平整精确的粘贴于钢质标牌上；实心管件为实心钢管8，直径8mm；

分别在4根实心管件端部用机床进行精密切割出凹槽，凹槽深度1cm，宽度1mm，凹槽轴线位于偏离实心管件轴线的0.5mm处，将4片标牌分别插入凹槽，确保标靶的扫描面位于实心管件的轴线上并焊接。

所述调心轴承4使用固定片6固定于支架上，高度可调节，以适应不同高度和大小的目标物体，所述实心管件用紧固螺丝插装固定与调心轴承内，可沿旋转轴线7自由旋转。

利用上述三维激光扫描控制架进行外业扫描和点云配准的方法，包括如下步骤：

（一）布设好三脚架，将三维激光扫描仪安置于三脚架上并初步整平，接通电源；用数据线将三维激光扫描仪与计算机连接并启动计算机，打开外业采集软件进入电子气泡，对扫描仪进行精确整平，同时将目标物体安置于控制架上，将所有标靶转向扫描仪一侧；

（二）使用外业扫描软件控制扫描仪进行外业扫描，在首测站下扫描目标物体朝向扫描仪的一面，扫描结束后得到首测站下目标点云并开始进行标靶扫描，扫描得到首测站下四个标靶的标靶点云；

（三）旋转控制架，将目标物体另一侧转向扫描仪，同时将标靶转动至扫描仪侧，重复步骤（二）所有工作，得到该测站下的目标点云和标靶点云；

（四）重复执行步骤（三），直至目标物体表面扫描完全，保存点云数据，关闭计算机和扫描仪电源，整理设备并妥善安放至原有位置；

如图3所示，以下步骤进行点云配准：

（五）导出扫描点云数据，拟合出标靶靶心坐标作为公共点，将首测站设为基准测站，利用后续测站与基准测站间的任意三个公共点关系计算出后续测站的转换参数初始值；

（六）根据后续测站与基准测站间的所有公共点关系列出转换参数的第一误差方程和转换参数之间的限制条件方程，根据后续测站之间的所有公共点关系列出第二误差方程；

（七）采用附限制条件的间接平差方法进行最小二乘平差，计算出改正后的配准参数，循环进行以上步骤直至满足精度要求，最后将所有后续测站的目标点云转换至基准坐标系下，从而完成点云配准工作。

其中的点云配准方法详述如下：

方法原理：点云配准方法将分属不同测站坐标系的目标点云同时转换至基准坐标系下，利用任意后续测站与基准测站间的任意三个公共点坐标求得各后续测站转换参数初始值，同时考虑后续测站与基准测站及后续各测站坐标系间公共点的关系，列出误差方程；以附限制条件的形式代替三角函数线性化，简化误差方程，进行误差分配并调整各测站的转换参数，循环进行以上工作直至达到所需精度。

转换参数初始值计算：由于坐标系转换共有7个独立参数，而每对同名控制点可列3个方程，因此需要至少3对同名控制点才能解算参数初始值；根据任意两测站间的3对同名控制点（即公共点）列出转换关系方程，经过一定的向量运算，消去了平移参数T同时得到三个独立的关于旋转矩阵R的方程组，解算出R，代入任意一式，解算出T。

误差方程的开列：设扫描过程共有n个测站，形成n个测站坐标系，任意两个测站间的公共点数量为t（t≥0）；根据坐标系O_a-X_aY_aZ_a与坐标系O_b-X_bY_bZ_b（b≠a）间公共点的重合关系，将处于坐标系O_b-X_bY_bZ_b中的公共点变换到O_a-X_aY_aZ_a坐标系，可按照a=1和a≠1，b>a两种情况建立第一误差方程组和第二误差方程组。

限制条件方程的开列：坐标转换根据七参数旋转模型，包括三个旋转参数（α，β，γ），三个平移参数（x₀，y₀，z₀）和一个缩放系数λ；由于在这个数学模型中，3个旋转参数（α，β，γ）是以非线性三角函数的形式存在，使得误差方程十分复杂，为了将其转换为线性模型，分别用九个参数（a₁₁，a₁₂，a₁₃，a₂₁，a₂₂，a₂₃，a₃₁，a₃₂，a₃₃）来代表由α，β，γ组成的九个矩阵元素，这九个参数并不独立，于是基于旋转矩阵是正交矩阵的特点，列出限制条件方程。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。