三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球及坐标转换方法

摘要

本申请提供一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球及坐标转换方法，包括：测绘棱镜、半球体、支架、调节机构、水平检测机构，调节机构设置在支架上；半球体设置在调节机构内，测绘棱镜设置在半球体的球心处，且调节机构的调节中心与半球体的球心重合，棱镜的棱镜中心与球心重合，以及，半球体的旋转轴与调节机构的两条旋转轴，三者之间相互垂直，用于在保持棱镜中心不变的条件下对测绘棱镜进行三轴方向的旋转调节；水平检测机构设置在支架上，用于检测支架是否水平。这样使得靶标球的球心和棱镜中心在物理上处于同一物理位置，简化了测量过程，避免了扫描角度过大、固定方式不稳定、靶心不清晰等因素，从而减少误差的产生，提升测绘精度。

说明书

技术领域

本申请涉及测绘仪器辅助设备领域，具体而言，涉及一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球及坐标转换方法。

背景技术

三维激光扫描技术自发明以来，已广泛应用于建筑设计、工程施工、测量测绘等科研和生产场景。在实际应用中，经常需要对扫描得到的点云数据进行坐标系计算。由于三维扫描仪所记录的空间信息数据是独立的相对坐标系，在工程实践中往往需要全站仪配合对坐标系统进行换算。

例如，FARO X330型三维激光扫描仪一般使用的是直径为247mm的反射靶标球，有效采集距离为30m，定位方法如下：系统对已获取的球面点云数据进行拟合，求出一组圆心，并通过最小二乘法计算出最接近实际圆心的数值，则该点为靶标点。每个场景通过至少3个公共靶标点来进行拼接。经实际测算，定位点精度误差不高于3mm，各扫描站点之间拼接偏离最低可达1mm。此时得到的点云坐标为相对坐标系，如需要换算其他坐标系，则需要对场景中至少三个点通过全站仪进行坐标导入。由于靶标球球心不可视，常用的方法是使用专用的平面靶标纸进行坐标导入。但是在实际应用中经常由于扫描角度过大、固定方式不够稳定、靶心不清晰等问题影响数据精度。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球及坐标转换方法，以提升三维激光扫描仪与全站仪测绘时的测绘精度。

为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现：

第一方面，本申请实施例提供一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球，包括：测绘棱镜、半球体、支架、调节机构、水平检测机构，所述调节机构设置在所述支架上；所述半球体设置在所述调节机构内，所述测绘棱镜设置在所述半球体的球心处，且所述调节机构的调节中心与所述半球体的球心重合，所述棱镜的棱镜中心与所述球心重合，以及，所述半球体的旋转轴与所述调节机构的两条旋转轴，三者之间相互垂直，所述半球体的旋转轴配合所述调节机构的两条旋转轴，用于在保持所述棱镜中心不变的条件下对所述测绘棱镜进行三轴方向的旋转调节；所述水平检测机构设置在所述支架上，用于检测所述支架是否水平。

在本申请实施例中，通过将调节机构设置在支架上，将半球体设置在调节机构内，测绘棱镜设置在半球体的球心处，且调节机构的调节中心与半球体的球心重合，棱镜的棱镜中心与球心重合，以及，半球体的旋转轴与调节机构的两条旋转轴，三者之间相互垂直，半球体的旋转轴配合调节机构的两条旋转轴。这样可以在保持棱镜中心不变的条件下对测绘棱镜进行三轴方向的旋转调节，而水平检测机构设置在支架上，则可以检测支架是否水平。这样的方式，使得靶标球的球心(即半球体的球心)和棱镜中心在物理上处于同一位置，这样就实现了将三维激光扫描仪测绘与全站仪测绘两种测量方法获取同一个坐标点数据，在进行坐标数据的转换时，无需通过对场景中至少三个点通过全站仪使用专用的平面靶标纸进行坐标导入，简化了测量过程，避免了由于扫描角度过大、固定方式不够稳定、靶心不清晰等因素影响数据精度，从而减少了误差的产生，提升测绘精度。并且，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球可以设计为三轴可动，其可动性大大增强，使得靶标点设置可以克服地形和环境的限制，实现更大的可视效果。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述调节机构为旋转轴相互垂直且同心的两个圆环，所述两个圆环的中心为所述调节中心，所述半球体设置在所述圆环涵盖的球体范围内，且所述半球体的球心与所述调节中心重合，所述半球体的旋转轴与所述两个圆环的旋转轴三者之间两两相互垂直。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述支架具有杆体，所述调节机构设置在所述杆体的顶端，且所述杆体对应的中心轴穿过所述半球体的球心，所述半球体的旋转轴与所述杆体对应的中心轴重合。

在该实现方式中，通过将半球体的旋转轴与杆体对应的中心轴设计为重合，可以保证三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球调节时的精度。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述水平检测机构为水平气泡，所述水平气泡设置在所述支架的杆体上，且所述水平气泡所在平面的法线平行于所述杆体。

在该实现方式中，通过将水平气泡作为水平检测机构，可以简单直观地判断三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的水平程度，并且便于设计和安装。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述半球体为白色，所述杆体上设有平衡杆，所述平衡杆与所述杆体呈“十”字型交叉，所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球还包括深色背景板和配重块，所述平衡杆的一端设有背景板承载部，用于承载所述深色背景板；所述平衡杆的另一端设有配重承载部，用于承载所述配重块，使得所述平衡杆保持水平，从而使所述深色背景板的位置处于所述测绘棱镜的正后方。

在该实现方式中，通过将半球体设计为白色，再配备深色背景板，在特殊条件(例如远距离、低反差背景等场景)下，提供了可以增强靶标球与背景的视觉差的条件，能够加强远距离和低反差背景下的识别率，从而提高软件的识别效率。而配重块可以平衡深色背景板的重力而造成的倾斜问题，保证测绘精度。

结合第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述支架的下方设有通用连接件，用于与扩展设备连接，所述扩展设备包括三脚架。

在该实现方式中，通过在支架的下方设置通用连接件，可以使得三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球能够应用于不同的扩展设备，例如，可以与三脚架连接或者与其他的连接设备连接，从而能够与目前大多数三脚架及其他连接设备通用，有效增加了拓展性，方便各种作业环境的应用。

第二方面，本申请实施例提供一种三维激光扫描仪与全站仪的坐标转换方法，所述方法包括：获取三维激光扫描仪测绘的相对坐标数据，其中，所述相对坐标数据由所述三维激光扫描仪基于第一方面或第一方面的可能的实现方式中任一项所述的三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球进行测绘所得；获取通过点云拟合计算出的所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的球心坐标；通过全站仪对所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的棱镜进行坐标获取，得到棱镜中心坐标；根据所述球心坐标、所述棱镜中心坐标和所述相对坐标数据，进行坐标转换，得到坐标转换后的坐标数据。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的示意图。

图2为本申请实施例提供的一种三维激光扫描仪与全站仪的坐标转换方法的流程图。

图标：100-三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球；110-测绘棱镜；120-半球体；130-调节机构；140-支架；150-水平检测机构；160-平衡杆；170-配重块；180-深色背景板；190-通用连接件。

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描述。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100的示意图。

在本实施例中，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100可以包括测绘棱镜110、半球体120、支架140、调节机构130、水平检测机构150。调节机构130可以设置在支架140上，半球体120则设置在调节机构130内，测绘棱镜110设置在半球体120的球心处，且调节机构130的调节中心与半球体120的球心重合，棱镜的棱镜中心与球心重合，以及，半球体120的旋转轴与调节机构130的两条旋转轴，此三者之间相互垂直，半球体120的旋转轴配合调节机构130的两条旋转轴，用于在保持棱镜中心不变的条件下对测绘棱镜110进行三轴方向的旋转调节；水平检测机构150可以设置在支架140上，用于检测支架140是否水平。

通过将调节机构130设置在支架140上，将半球体120设置在调节机构130内，测绘棱镜110设置在半球体120的球心处，且调节机构130的调节中心与半球体120的球心重合，棱镜的棱镜中心与球心重合，以及，半球体120的旋转轴与调节机构130的两条旋转轴，三者之间相互垂直，半球体120的旋转轴配合调节机构130的两条旋转轴。这样可以在保持棱镜中心不变的条件下对测绘棱镜110进行三轴方向的旋转调节，而水平检测机构150设置在支架140上，则可以检测支架140是否水平。这样的方式，使得靶标球的球心(即半球体120的球心)和棱镜中心在物理上处于同一位置，这样就实现了将三维激光扫描仪测绘与全站仪测绘两种测量方法获取同一个坐标点数据，在进行坐标数据的转换时，无需通过对场景中至少三个点通过全站仪使用专用的平面靶标纸进行坐标导入，简化了测量过程，避免了由于扫描角度过大、固定方式不够稳定、靶心不清晰等因素影响数据精度，从而减少了误差的产生，提升测绘精度。并且，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100可以设计为三轴可动，其可动性大大增强，使得靶标点设置可以克服地形和环境的限制，实现更大的可视效果。

在本实施例中，调节机构130可以为旋转轴相互垂直且同心的两个圆环，两个圆环的中心为该调节中心，半球体120设置在圆环涵盖的球体范围内，且半球体120的球心与调节中心重合，半球体120的旋转轴与两个圆环的旋转轴三者之间两两相互垂直。并且，半球体120可沿其旋转轴旋转，两个圆环也能够相互独立地沿其各自的旋转轴旋转，以通过沿此三条旋转轴旋转，可以调节测绘棱镜110的姿态，而不改变测绘棱镜110的棱镜中心。

示例性的，两个圆环可以为套设在半球体120外的相互垂直的金属圆环，而半球体120可以在两个圆环所环绕的范围内旋转，旋转方向与两个圆环的旋转方向各自垂直，从而保证三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100调节时的精度。

在本实施例中，支架140具有杆体，调节机构130设置在杆体的顶端，且杆体对应的中心轴穿过半球体120的球心，半球体120的旋转轴与杆体对应的中心轴重合。通过将半球体120的旋转轴与杆体对应的中心轴设计为重合，可以保证三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100调节时的精度。

在本实施例中，水平检测机构150可以为水平气泡，水平气泡设置在支架140的杆体上，且水平气泡所在平面的法线平行于杆体。通过将水平气泡作为水平检测机构150，可以简单直观地判断三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100的水平程度，并且便于设计和安装。

在本实施例中，半球体120为白色，杆体上设有平衡杆160，平衡杆160与杆体呈“十”字型交叉，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100还包括深色背景板180和配重块170，平衡杆160的一端设有背景板承载部，用于承载深色背景板180；平衡杆160的另一端设有配重承载部，用于承载配重块170，使得平衡杆160保持水平，从而使深色背景板180的位置处于测绘棱镜110的正后方。

通过将半球体120设计为白色，再配备深色背景板180，在特殊条件(例如远距离、低反差背景等场景)下，提供了可以增强靶标球与背景的视觉差的条件，能够加强远距离和低反差背景下的识别率，从而提高软件的识别效率。而配重块170可以平衡深色背景板180的重力而造成的倾斜问题，保证测绘精度。

示例性的，深色背景板180的材质可以为亚光ABS(Acrylonitrile ButadieneStyrene plastic，ABS塑料)，尺寸为400mm*400mm。

示例性的，深色背景板180也可以是可折叠地连接在平衡杆160上的，在需要使用的时候将其竖起即可，而配重块170也可以是固定在平衡杆160上的，从而在不使用深色背景板180时，也能够起到平衡作用，保证测绘精度。

在本实施例中，支架140的下方设有通用连接件190，用于与扩展设备连接，扩展设备包括三脚架。当然，扩展设备不限于三脚架，也可以是其他的设备。例如为了使得三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100能够适应特殊的地形，需要与针对该种地形设计的专用的稳定设备进行连接，从而可以通过通用连接件190与该设备连接，此处不作限定。

通过在支架140的下方设置通用连接件190，可以使得三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100能够应用于不同的扩展设备，例如，可以与三脚架连接或者与其他的连接设备连接，从而能够与目前大多数三脚架及其他连接设备通用，有效增加了拓展性，方便各种作业环境的应用。

示例性的，通用连接件190可以为标准英制3/8螺丝接口，从而可与目前大多数三脚架及扩展设备通用。

另外，杆体可以旋转和拔插，便于组装和调节三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100的姿态，此处不作限定。

需要说明的是，本实施例中介绍的半球体120，可以是严格的1/2球体，也可以不是严格的1/2球体，只要保持棱镜中心与球心一致，且于三维激光扫描可以通过获取靶标球的球面点云来准确地拟合计算出该球的球心即可，而1/2球面足够进行球心拟合计算，因此本实施例中仅仅是以1/2球面的半球体120为例，不应视为对本申请的限定。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供一种三维激光扫描仪与全站仪的坐标转换方法。请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种三维激光扫描仪与全站仪的坐标转换方法的流程图。

在本实施例中，三维激光扫描仪与全站仪的坐标转换方法可以包括步骤S10、步骤S20、步骤S30和步骤S40。

步骤S10：获取三维激光扫描仪测绘的相对坐标数据，其中，所述相对坐标数据由所述三维激光扫描仪基于三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100进行测绘所得。

步骤S20：获取通过点云拟合计算出的所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的球心坐标。

步骤S30：通过全站仪对所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球的棱镜进行坐标获取，得到棱镜中心坐标。

步骤S40：根据所述球心坐标、所述棱镜中心坐标和所述相对坐标数据，进行坐标转换，得到坐标转换后的坐标数据。

在本实施例中，三维激光扫描仪可以基于三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球进行扫描，得到相对坐标数据。扫描完成后，再用全站仪对球心处的棱镜进行坐标获取，则可以进行两套测绘系统的坐标系换算。

此时，全站仪可以执行步骤S10。

在本实施例中，全站仪可以获取三维激光扫描仪测绘的相对坐标数据。

以及，全站仪可以执行步骤S20。

示例性的，全站仪可以获取通过点云拟合计算出的三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100的球心坐标。

以及，全站仪可以执行步骤S30。

通过全站仪对所述三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100的棱镜进行坐标获取，得到棱镜中心坐标。

需要说明的是，步骤S10、骤S20、步骤S30的执行顺序并没有严格的限定，可以按照任意顺序执行，也可以同时执行，此处不作限定。

而后，全站仪可以执行步骤S40。

示例性的，全站仪可以根据球心坐标、棱镜中心坐标和相对坐标数据，进行坐标转换，得到坐标转换后的坐标数据。

这样的方式就无需对场景中至少三个点通过全站仪进行坐标导入(例如使用专用的平面靶标纸进行坐标导入)，避免了实际应用中由于扫描角度过大、固定方式不够稳定、靶心不清晰等问题影响数据精度的情况，从而可以提升测绘数据精度。

以下，为了对本申请实施例提供一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球及坐标转换方法的精度进行验证，此处提供了在某次扫描作业中使用该靶标球与传统方法进行对比的数据，具体如下：

由于三维激光扫描的点云数据是独立坐标系，在需要进行已知控制网坐标换算时，需要对点云中的至少三个公共点利用全站仪进行测量，再将测得的坐标值导入至点云数据进行换算。实验方法如下：A组采用传统方法，在现场粘贴打印的黑白棋盘靶纸，全站仪与扫描点云共同选取靶纸中心作为公共点进行测量。B组采用三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100，全站仪直接测量球心棱镜坐标，扫描仪采用半球拟合计算球心坐标作为公共点。在两组坐标测量及换算完成后，再取点云中的一组特征点进行全站仪复测，检查测量值与计算值之间的误差，从而进行对比。

A组复测结果如表1所示：

表1

B组复测结果如表2所示：

表2

经实际测量对比，采用三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球后，测量平均误差由5.8mm减少到1.8mm，测量精度比传统黑白棋盘靶纸提高了3倍以上。该实验证明，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球在实际工程测量应用中可以有效提高测量精度。

综上所述，本申请实施例提供一种三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100及坐标转换方法，通过将调节机构130设置在支架140上，将半球体120设置在调节机构130内，测绘棱镜110设置在半球体120的球心处，且调节机构130的调节中心与半球体120的球心重合，棱镜的棱镜中心与球心重合，以及，半球体120的旋转轴与调节机构130的两条旋转轴，三者之间相互垂直，半球体120的旋转轴配合调节机构130的两条旋转轴。这样可以在保持棱镜中心不变的条件下对测绘棱镜110进行三轴方向的旋转调节，而水平检测机构150设置在支架140上，则可以检测支架140是否水平。这样的方式，使得靶标球的球心(即半球体120的球心)和棱镜中心在物理上处于同一位置，这样就实现了将三维激光扫描仪测绘与全站仪测绘两种测量方法获取同一个坐标点数据，在进行坐标数据的转换时，无需通过对场景中至少三个点通过全站仪使用专用的平面靶标纸进行坐标导入，简化了测量过程，避免了由于扫描角度过大、固定方式不够稳定、靶心不清晰等因素影响数据精度，从而减少了误差的产生，提升测绘精度。并且，三维激光扫描仪与全站仪两用靶标球100可以设计为三轴可动，其可动性大大增强，使得靶标点设置可以克服地形和环境的限制，实现更大的可视效果。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。