一种融合空间定位的三维激光扫描设备及其定位定向方法

摘要

本发明涉及一种融合空间定位的三维激光扫描设备及其定位定向方法，所述三维激光扫描设备包括支架、受所述支架支撑的升降杆、三维激光扫描仪、卫星定向定位装置和支架底座，所述支架底座连接所述支架，所述升降杆靠近所述支架底座的一端连接所述三维激光扫描仪，另一端连接所述卫星定向定位装置，所述三维激光扫描仪和卫星定向定位装置均设有无线传输模块，所述三维激光扫描设备采用RTK定位技术进行定位、采用短基线定向技术进行定向。与现有技术相比，本发明使用时，作业人员几乎不用下井，只需将三维激光扫描仪放入井脖以下，具有采集效率高、采集数据精度高和设备稳定性和可靠性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及地下电缆工井领域，尤其是涉及一种融合空间定位的三维激光扫描设备及其定位定向方法。

背景技术

随着科技的不断发展与进步，二维图形、图像数据已经不能满足人们日常生产、生活的需求，三维可视化技术经过不断的发展，相关的配套设备也逐渐完善，使用三维可视化技术能够更加直观、方便、准确的展现真实情况，三维可视化技术的应用领域也越来越广，因此社会上各行业对三维数据获取的需求也越来越突出。在电力系统中，如何能够高效、精确的获取到目标的三维数据，并利用三维可视化技术向运维检修人员提供精准可追溯的数据，一直以来都是相关领域的研究热点。

由于地下电缆工井中光线较暗、空间狭小、环境恶劣，即使人员下井也难以完全掌握工井内部情况，通过传统的采集工井数据的方法效率较低，获取到的数据精度也不高，最终获取到三维数据的成果也不理想。

通过全景影像来查看电缆工井的内部情况，可以做到对工井内部结构一目了然，不但可以直观的查看断面管孔的使用情况，还可以理清电缆在工井内部的穿线情况，但是由于工井内部光线较暗，常规的拍照方式难以获得清晰的全景影像。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能在电缆工井被获取清晰的全景影像，并提高采集数据效率和精度的融合空间定位的三维激光扫描设备及其定位定向方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种融合空间定位的三维激光扫描设备，所述三维激光扫描设备包括支架、受所述支架支撑的升降杆、三维激光扫描仪、卫星定向定位装置和支架底座，所述支架底座连接所述支架，所述升降杆靠近所述支架底座的一端连接所述三维激光扫描仪，另一端连接所述卫星定向定位装置，所述三维激光扫描仪和卫星定向定位装置均设有无线传输模块，用于连接移动设备，传输检测数据，所述升降杆上标有刻度。

进一步地，所述卫星定向定位装置包括GNSS定位定向模块和两个卫星接收天线，两个所述卫星接收天线均连接所述GNSS定位定向模块，所述卫星接收天线和GNSS定位定向模块均连接所述升降杆。

进一步地，所述三维激光扫描设备还包括定向点位置标识杆，该定向点位置标识杆连接所述升降杆，所述定向点位置标识杆分别连接所述卫星定位天线和激光点云扫描仪，使得所述定向点位置标识杆、卫星定位天线和激光点云扫描仪三者的角度保持一致。

进一步地，所述三维激光扫描设备还包括辅助定位装置，该辅助定位装置包括激光发射器。

进一步地，所述三维激光扫描设备还包括设备状态指示器，该设备状态指示器连接GNSS定位定向模块，所述设备状态指示器用于显示基本信息，该基本信息包括电源状态、电池电量、设备运行状态、RTK运行状态和4G基站运行状态。

进一步地，所述三维激光扫描仪为相位式三维激光扫描仪。

本发明还提供一种采用上述的三维激光扫描设备的定位定向方法，采用RTK定位技术进行定位、采用短基线定向技术进行定向。

进一步地，所述RTK定位技术包括以下步骤：

卫星定位步骤：获取三维激光扫描设备当前位置与至少四颗卫星的距离和卫星定位时间，求解出当前位置在地球坐标系下的位置；根据多个卫星定位系统计算当前位置，并进行误差分析，获取当前位置数据的准确度；

差分计算步骤：通过卫星定位系统对预设的固定基站进行定位，获取定位偏差，根据所述定位偏差，对三维激光扫描设备定位结果进行修正。

进一步地，所述短基线定向技术具体为，获取当前历元的载波相位、伪距、多普勒和星历数据，采用伪距差分技术对获取的数据进行粗差检查和剔除，并建立GPS双差观测模糊和随机模型，使用最小二乘法求解模糊度浮点解，使用LAMBDA方法搜索出多个模糊度备选解，使用累计RMS算法从备选模糊度中优选出正确的模糊度，并使用模糊度桥接技术提高模糊度的搜索效率，得到正确的模糊度，从而解算出两个卫星接收天线之间的横向与纵向角度。

本发明还提供另一种采用上述的三维激光扫描设备的定位定向方法，采用激光发射器对被扫描区域进行特殊点位置标记，采用全站仪对三维激光扫描仪的扫描数据进行定位定向。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明三维激光扫描设备设有三维激光扫描仪和卫星定向定位装置，采用三维激光扫描技术，并融入地理坐标定位技术来实现工井内部全景影像及点云数据的快速扫描，使用时，作业人员几乎不用下井，只需将三维激光扫描仪放入井脖以下，就可以快速、精准的完成对工井全要素信息的采集，提高作业人员对工井数据的采集效率。

(2)本发明使用RTK定位技术获取到扫描仪中心位置的数据，通过定向仪对点云进行方位配准，若卫星定位信号弱导致采集数据的位置精度达不到要求时，可提供基准的位置点，然后通过全站仪进行点云数据的定位定向，定位精度可达厘米级，保证了采集数据的精度，提高了采集数据的可靠性和可用性。

(3)本发明在升降杆上配有和卫星定位天线以及激光点云扫描仪方向对应的定向点位置标识杆，可保证定向点位置的精度达到厘米级。

(4)本发明支架底座中设有滑轮，方便设备的移动和调整，提高数据采集的工作效率。

(5)本发明在升降杆上搭配设置延长杆，能够满足工井采集过程中出现的各类需求。

(6)本发明升降杆和延长杆中均设有齿轮，能防止误操作导致设备的坠落造成损失；支架上配备了插销自锁装置，能防止升降杆坠落，且便于三维激光扫描仪长时间的高度保持，提高了本发明三维激光扫描设备的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明融合空间定位的三维激光扫描设备的硬件结构示意图；

图2为本发明融合空间定位的三维激光扫描设备的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，根据电缆工井数据采集的特点，为了达到数据采集的高效性和安全性，采集设备要求便携、使用方便的需求，本实施例提供一种融合空间定位的三维激光扫描设备，包括支架1、受支架支撑的升降杆3、三维激光扫描仪6、卫星定向定位装置和支架底座2，支架底座连接支架，升降杆靠近支架底座的一端连接三维激光扫描仪，另一端连接卫星定向定位装置。

下面对各部件进行具体描述：

1、支架

为了方便采集过程中设备方便携带和存放，三维激光扫描设备采用了组件化的设计，各个设备组件都可拆卸存储，使用时自行组装即可。三维激光扫描设备的支架为三角升降支架，采用了便携可移动的设计，支架底座使用了可拆卸的万向轮，满足工井采集过程中设备的易用性、便携性和安全性。

2、升降杆

设备支架配有标有刻度的便携式的升降杆和延长杆4，默认杆长为1米，根据现场数据采集情况，使用默认的升降杆搭配延长杆使用，能够满足工井采集过程中出现的各类需求。升降杆和延长杆都含有齿轮，能够防止误操作导致设备的坠落造成损失，都支持手动和半自动的方式进行升降，可通过升降杆操作设备5方便的控制升降杆的位置。升降杆操作设备为螺丝刀或电动螺丝刀。

3、三维激光扫描仪

三维激光点云扫描仪(三维激光扫描仪)通过专用的固定卡扣固定在升降杆的下方，可通过升降杆来控制激光扫描仪在工井中的位置，方便根据工井井深不同进行调整。支架上配备了插销自锁装置，防止因意外造成的升降杆坠落，同时便于三维激光扫描仪长时间的高度保持。

4、卫星定向定位装置

卫星定向定位装置包括GNSS定位定向模块以及两个厘米级精度的卫星接收天线7，增强获取卫星数据的信号。升降杆上也配有和卫星天线对应的定向点位置标识杆，可保证定向点位置的精度达到厘米级。模块支持RTK定位和4G基站定位，模块上设有设备状态指示器8，该设备状态指示器8通过状态灯提供基本的信息展示，如：电源状态、电池电量、设备运行状态、RTK运行状态和4G基站运行状态等。除GNSS定位定向模块外，三维激光扫描设备顶部还专门配备了辅助定位装置，方便在接收不到卫星信号或接收到的卫星位置数据达不到精度要求时使用，通过人工打点的方法在被扫描区域内进行特殊点位置标记，再使用全站仪采集的方法，保证采集数据真实可靠。GNSS定位定向模块包括定向仪。

5、辅助定位设备10

本实施例三维激光扫描设备还专门配备了辅助定位装置，方便在接收不到卫星信号或接收到的卫星位置数据达不到精度要求时使用，辅助定位装置包括设置在三维激光扫描设备顶部的激光发射器，通过设备打点配合激光发射器进行特殊点位置标记，再使用全站仪采集的方法，保证采集数据真实可靠。

下面对本实施例的三维激光扫描设备的设备选型、定位定向方法、设备软件和设备优势进行具体描述：

一、三维激光扫描仪的选型

三维激光扫描仪的选型从如下几点进行考虑：

1)三维激光点云扫描的数据精度。

2)三维激光扫描仪的扫描范围。

3)三维激光扫描仪扫描的速度。

现有的三维激光扫描仪主要分为两种，脉冲式和相位式，脉冲式扫描距离较远但精度差些，适合做地形的测绘，相位式扫描距离相对较近但获取到的数据精度较高，适合对建筑、设备进行扫描。

根据电缆管道数据扫描的需求，对工井的扫描距离较近，要求的数据精度较高，对电缆隧道的扫描可通过设置多个采集点进行扫描，将扫描数据配准、拼接得到完整数据，对于工井数据的采集选用相位式三维激光扫描仪较为适合。本次发明三维激光扫描设备选用了FARO FocusM 70，该设备能够提供IP54防尘水保护、HDR成像、5万个点/秒的高速获取速度和更大的工作温度范围，扫描范围可达到70米，精度达到+/-3mm，还可使用第三方软件包定制适合的工作流程软件，满足了使用过程中对工井数据采集的精度及速度的要求。

二、定位定向方法

根据电缆工井的数据采集规范要求，采集数据平面坐标系应采用CGCS2000坐标系统，高程基准采用1985国家高程基准，井内管孔、支架等设施部件尺寸精度要求小于5cm，平面位置精度要求小于等于15cm，高程精度小于等于10cm，属性信息标准、完整。

根据数据采集规范的要求，使用传统的GPS定位精度较差，民用GPS的定位误差可高达十几米，这些误差多来源于卫星的时钟差和大气层对电磁波的折射多路效应。数据采集套装设备虽然采用了GNSS(GPS、GLONASS、BDS等)卫星定位技术，但仅依靠卫星定位技术还达不到数据采集的误差要求，本次发明中数据采集套装设备融合了RTK定位技术和短基线定向技术以满足采集数据规范的要求。

RTK定位技术分为两个要点：卫星定位和差分技术。

卫星定位即至少测量出当前位置与4颗卫星的距离和对应的时间，然后通过方程求解出当前位置在地球坐标系下的位置[x,y,z]。为了保证数据的准确性，设备会分别通过GPS、GLONASS、BDS来计算当前位置的坐标，然后根据连接到的卫星数和各定位技术进行误差分析，获得位置数据的准确度。

差分技术就是把上述各种GPS获取的数据的误差计算出来，通过在已知绝对位置的参考点上装上固定的基站，将其与GPS对固定基站的定位结果比较，就可获得定位信号的偏差，再将这个偏差发送给需要定位的采集套装设备，就可得到采集点相对精确的位置信号。通过此种方法计算后，定位的精度可达到厘米级，满足了数据采集的规范要求。

本实施例中使用的短基线定向技术，采用了一种基于GPS的高精度实时动态定向算法，采用伪距差分技术进行粗差检查和剔除，并建立GPS双差观测模糊和随机模型，使用最小二乘法求解模糊度浮点解，使用LAMBDA方法搜索出一定数量模糊度备选解，使用累计RMS算法从备选模糊度中优选出正确的模糊度，并使用模糊度桥接技术提高模糊度的搜索效率，得到正确的模糊度后，通过该基线解算出天线之间的横向与纵向角度。通过短基线定向技术可准确的获得设备所处地理位置的方向。

三、设备软件

激光点云设备厂商提供了部分点云的数据采集和处理软件，但仅使用厂商提供的软件不能够满足对采集的准确性和高效性的要求，为保证套装设备采集数据的准确性和高效性，本发明中还针对该套装设备进行软件上的优化处理。本发明中在激光点云设备SDK的基础上融合了RTK定位服务，提供了数据采集的移动端软件，方便控制数据的采集、查看数据采集的质量。通过软件的集成，可降低采集过程中的人为干预，保证采集数据的准确性和高效性。

1)RTK定位服务

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体(称为流动站)上，基准站锁获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值传递到流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后的流动站精度较高的实时位置。差分根据类型又分为伪差分、坐标差分、载波相位差分三类。本发明中RTK定位服务采用了载波相位差分技术，相比前两种定位误差的相关性不会随着基准站与流动站的空间距离增加而迅速降低。

本发明中RTK软件技术中集成了网络RTK技术，网络RTK技术是一种多基站技术，数据处理上使用了多个参考站的联合数据。通过此RTK处理技术，在外业数据采集过程中，无需架设参考站，降低了采集过程中的作业成本，提高了采集效率，扩大了作业半径，在网络覆盖范围内能够得到均等的精度。

2)数据采集移动端软件

为方便对采集设备的控制，实时查看采集数据的质量，本发明中研发了套装设备配套的软件客户端。使用手机端可方便配置激光扫描仪设备的相关参数，控制扫描仪设备进行扫描，还可查看采集到的点云影像图。移动端中还可查看设备位置的精度，根据采集到数据的精度判断位置数据是否还需要全站仪进行重新采集，需要重新采集位置的工井需使用辅助定位工具在地面打点标识，保证全站仪采集时定位定向的准确性。

四、设备优势

地下电缆工井数据采集的重点在于提升采集数据的精确度、降低采集设备使用的复杂度、提高数据采集的效率。

数据的精度是考量数据采集结果的重要指标，也决定了采集数据的可靠性和可用性。为保证采集数据的精度，本实施例融合空间定位的三维激光扫描设备采用三维激光扫描技术获取工井内实景的点云数据，使用RTK定位技术获取到扫描仪中心位置的数据，通过定向仪对点云进行方位配准，若卫星定位信号弱导致采集数据的位置精度达不到要求时，可提供基准的位置点，然后通过全站仪进行点云数据的定位定向。

数据采集过程中的另一个重点为提高工井数据的采集效率、提高采集过程的安全性，传统的采集方式在采集效率和安全性上都存在缺陷。本实施例提供的三维激光扫描设备采用了免人工下井的方式，只需要将三维激光扫描设备中的三维激光扫描仪放入井脖以下，即可实现对工井内实景点云数据的扫描。同时为三维激光扫描设备配备设备支架和滑轮，方便设备的移动和调整，提高数据采集的工作效率。

经实际数据采集测得，使用本实施例三维激光扫描设备进行工井设备数据的采集，采用免人工下井作业的方式，单个工井数据采集时间在5～10分钟左右，采集到得所有数据的数据精度都在5cmm以内，完全满足电力系统中对工井采集高效、安全、数据精准的要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。