CN104237868B - 一种多功能实用型激光雷达扫描标靶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能实用型激光雷达扫描标靶，包括：全站仪反射板和三维激光反射面板，三维激光反射面板涂有矿物染料，全站仪反射板与连接柱一端相连，全站仪反射棱镜其中两侧和全站仪反射板为活动连接，三维激光反射面板中心和全站仪反射棱镜中心在同一直线上，全站仪反射棱镜其中一侧和三维激光反射面板进行固定连接；连接柱另一端连接标靶旋转部一端，一侧与水准管水准器连接；标靶旋转部另一端通过轴承连接底座，一侧连接瞄准镜；圆水准器位于底座上。本发明中三维激光反射面板设置适合多种型号的激光扫描仪的反射区域，图案材料采用反射强度好的矿物染料。同时，本发明将全站仪反射棱镜和三维激光扫描仪标靶结合，增加数据的准确度和转换效率。

Description

一种多功能实用型激光雷达扫描标靶

技术领域

本发明涉及一种多功能实用型激光雷达扫描标靶。

背景技术

标靶在地面三维激光扫描中的主要作用是点云拼接中的连接点和坐标转换中的控制点，标靶获取精度与扫描角度和扫描距离有关。三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，通过高速激光扫描测量，快速获取被测对象表面的三维坐标数据，具有快速、实时、非接触、主动等特点，在古建筑保护、文化遗产保护、重要建筑物的施工质量评价、建筑物变形监测等方面得到了广泛应用。在完成单体建筑物或单个工程的实地扫描、点云拼接之后，为了构建实景漫游等工程产品，往往需要将点云坐标和现实独立坐标系建立联系。为了简单方便、准确、高效的完成点云坐标转换，发明设计一种多功能实用型激光雷达扫描标靶，方便点云的转换。

发明内容

本发明设计开发了一种多功能实用型激光雷达扫描标靶。本发明中三维激光反射面板设置适合多种型号的激光扫描仪的反射区域，图案的材料采用较好反射强度的矿物染料，数据获取效果更佳。同时，本发明将全站仪反射棱镜和三维激光扫描仪标靶相结合，增加数据的准确度和转换效率，且标靶水平位置可通过标靶基座旋转部设有的水平管水准气泡和圆水准气泡进行调整，满足精确对中的要求，保证数据获取的准确性。

本发明提供的技术方案为：

一种多功能实用型激光雷达扫描标靶，包括：

全站仪反射板和三维激光反射面板，其中，三维激光反射面板表面涂有矿物染料，全站仪反射板与连接柱一端相连，全站仪反射棱镜中心和全站仪反射板中心重合，全站仪反射棱镜其中两侧和全站仪反射板做活动连接，三维激光反射面板中心和全站仪反射棱镜中心在同一中心线上，全站仪反射棱镜其中一侧和三维激光反射面板通过螺旋结构进行固定连接；

连接柱另一端连接标靶旋转部一端，通过固定螺旋和凹槽进行固定连接，一侧与水准管水准器连接；

标靶旋转部另一端通过轴承连接底座，一侧连接有瞄准镜，并且在与底座接触的平面内进行自由旋转，调整上部结构的位置；

圆水准器位于底座上部平面内，用于整平标靶调水平位置；

其中，全站仪反射板、连接柱、标靶旋转部、标靶底座的轴线在同一直线上。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述全站仪反射板和三维激光反射面板为铝合金材料，三维激光反射面板涂有黑色彩云母，三维激光扫描仪获取对应的反射区域的激光雷达点云后，利用标靶中心点位置提取算法确定标靶的中心位置。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述全站仪反射板和三维激光反射面板设计成正方形，其中全站仪反射板，以全站仪反射棱镜中心为中心，设计涂抹为黑白相间的米字型图案；三维激光反射面板使用黑色彩云母染料按照三个圆环状图形进行涂抹设计。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述三维激光反射面板上三个圆环状图形进行涂抹设计为中心位圆形，中间为黑色彩云母圆环，第三个圆环相对于圆中心的一半使用黑色彩云母涂抹。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述三维激光反射面板适用不同类型的激光扫描仪。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述全站仪反射棱镜，当附带三维激光扫描仪时，在竖直方向上最大旋转角为30度。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述标靶底座下部设有链接螺旋与常规三脚架连接，实现标靶底座的固定。

优选的是，所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶中，所述全站仪反射板、连接柱、标靶旋转部、标靶底座通过瞄准镜调节，竖直方向上，使其轴线在同一条直线上。

本发明中三维激光反射面板分布适合多种型号的激光扫描仪的反射区域，图案的材料采用较好反射强度的矿物染料进行涂抹，数据获取效果更佳。同时，本发明将全站仪反射棱镜和新型的三维激光扫描仪标靶相结合，增加数据的准确度和转换效率，且标靶水平位置可通过标靶基座旋转部设有的水平管水准气泡和圆水准气泡进行调整，满足精确对中的要求，保证数据获取的准确性。

附图说明

图1为本发明所述的多功能实用型激光雷达扫描标靶的结构示意图；

图2为一种多功能实用型激光雷达扫描标靶的全站仪反射板示意图；

图3为一种多功能实用型激光雷达扫描标靶的三维激光反射板示意图；

图4为一种多功能实用型激光雷达扫描标靶的俯视图；

图5为一种多功能实用型激光雷达扫描标靶的侧视图；

图6为确定标靶圆心坐标的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示为一种多功能实用型激光雷达扫描标靶的整体结构图，标靶包括底座、旋转部、瞄准镜、水准管水准器、圆水准器、连接柱、全站仪反射板、全站仪反射棱镜、三维激光反射面板等部分。如图3所示在三维激光扫描仪的反射面板位置分布多种型号的激光扫描仪的反射区域，常规扫描仪反射区域，Riegl(瑞格)扫描仪反射区域，Leica(莱卡)扫描仪反射区域，并且反射区域图案的材料采用反射强度更好的矿物染料涂抹黑色彩云母在激光波段分别为400-700nm/905nm/1550nm的Leica(莱卡)系列扫描仪、国产仪器Stonex系列和中科天维TW系列扫描仪的测试中，肉眼识别效果、激光发射强度和算法提取中都得到了明显的优良结果，所以选择此染料作为标靶的图案涂抹材料。三维激光测量反射面板中心为测点坐标，可直接利用全站仪测量出目标坐标系下的坐标。

如图4所示标靶水平位置可通过标靶基座旋转部设有的水平管水准气泡和圆水准气泡进行调整，满足精确对中的要求，全站仪反射板、连接柱、标靶旋转部、标靶底座通过瞄准镜调节，竖直方向上，使其轴线在同一条直线上。

利用全站仪直接对准反射标靶的棱镜一面，直接测量得到标靶的中心位置坐标。利用地面三维激光扫描仪扫描标靶对应的标靶反射面，利用专用算法提取反射标靶的边缘线和标靶中心点，根据扫描点云求取标靶的法线，增加标靶中心点的修正参数，从而得到标靶中心的点云位置，增加点云位置点，从而实现点云坐标和全站仪坐标的匹配和转换。

地面三维激光扫描仪对应的反射标靶中心点位置提取：

第一种：

首先，将扫描获取的标靶的三维激光点云按照中心投影的原理转化为深度图像，从而建立三维点云邻域关系的索引手段，利用常规的数字图像的处理算法直接提取标靶的相关特征。

假设坐标原点为O，点P(x，y，z)表示其中一个任意的扫描点的三维坐标，点p到坐标原点O的距离为d，OP与XOY平面的夹角为β(π/2≥β≥-π/2),OP在XOY平面上的投影线OQ与X轴的夹角为α(2π≥β≥0)，每一个扫描点云对应一个α和β值。

按照以下两个式子求解深度图像的总行数M和总列数N,其中a为角度采样间隔，

M＝取整((最大β-最小β)/a)+1

N＝取整((最大α-最小α)/a)+1

按照下面两个式子分别求解每一个扫描点在深度图像对应的行列号，

row＝总行数M-取整((β-最小β)/a)

column＝总列数N-取整((α-最小α)/a)

每一个标靶点在深度图像均会有对应的行列号，若是一个格网中包含有多个扫描点，则二者取平均值，把每一个点的距离值设置为相应的像素值求取深度图像。

其次，求取标点中心点的候选点。

在生成深度图像的过程中，标靶的中心会呈现出比较亮的圆斑，周边为相对较黑的区域，设计模板利用卷积计算检测标靶的圆心，具体步骤如下：

一、选定标准距离d0，结合标靶的大小计算确定模板尺寸，亮斑处的像素值设置为1，其他堤防设置为0，

二、依次将模板中心对准深度图像的每一个像素值，令像素到扫描仪的距离为d，则每一个像素处的模板大小为标准模板的b倍，b＝d0/d；

$\mathrm{\γ}(x,y)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\Σ}}_t\[f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)\]\[w(x+s,y+t)-\stackrel{\‾}{w}\]}{{\left\{{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\Σ}}_t{\[f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)\]}^2{\mathrm{\Σ}}_s{\mathrm{\Σ}}_t{\[w(x+s,y+t)-\stackrel{\‾}{w}\]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}}$

三、获取每一个像素处的模板之后按照下式计算相关系数，

其中，x＝1,2,3……..n,y＝1,2,3,4,5…..m,m,n分别为深度图像f的大小，是w的像素平均值，是f与w当前所在位置相重合的区域的平均值。

四、设定一个阈值t，大于阈值的像素点即是标靶中心点的候选点；

第三、区域生长得到候选标靶的有效的图斑。将之前获取的标靶中心的候选点作为种子点进行区域生成，生成标靶的有效图斑。

第四，提出错误的识别标靶点，根据深度图像和三维点云对应关系获得正确的标靶图斑对应的点云数据，用这些点拟合标靶圆心坐标。

第二种：

如图6所示，同第一种方式，先生成标靶的深度图像；

利用深度图像，确定扫描标靶的边界线；

绘制标靶边界线，交点即是标靶中心。

该标靶可广泛应用于地面三维激光扫描仪的数据采集和全站仪数字测图的联系测量，减少误差的传播，提高数据的采集效率。

本发明中三维激光反射面板适合多种型号的激光扫描仪的反射区域，图案的材料采用较好反射强度的矿物染料进行涂抹，数据获取效果更佳。同时，本发明将全站仪反射棱镜和新型的三维激光扫描仪标靶相结合，增加数据的准确度和转换效率，且标靶水平位置可通过标靶基座旋转部设有的水平管水准气泡和圆水准气泡进行调整，满足精确对中的要求，保证数据获取的准确性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，包括:

全站仪反射板和三维激光反射面板，其中，三维激光反射面板表面涂有黑彩色云母，全站仪反射板与连接柱一端相连，全站仪反射棱镜中心和全站仪反射板中心重合，全站仪反射棱镜其中两侧和全站仪反射板做活动连接，三维激光反射面板中心和全站仪反射棱镜中心在同一中心线上，全站仪反射棱镜其中一侧和三维激光反射面板通过螺旋结构进行固定连接:

连接柱另一端连接标靶旋转部一端，通过固定螺旋和凹槽进行固定连接，一侧与水准管水准器连接:

标靶旋转部另一端通过轴承连接底座，一侧连接有瞄准镜，并在与底座接触的平面内进行自由旋转调整:

圆水准器位于底座上部平面内，用于整平标靶底座；

其中，全站仪反射板、连接柱、标靶旋转部、标靶底座的轴线在同一直线上。

2.如权利要求l所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述全站仪反射板和三维激光反射面板为铝合金材料，三维激光反射面板制作成环形形状，其反射面涂有黑色彩云母，三维激光扫描仪获取对应的反射区域的激光雷达点云后，利用标靶中心点位置提取算法确定标靶的中心位置。

3.如权利要求1所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述全站仪反射板和三维激光反射面板设计成正方形，其中全站仪反射板，以全站仪反射棱镜中心为中心，设计涂抹为黑白相间的米字型图案；三维激光反射面板使用黑色彩云母染料按照三个圆环状图形进行涂抹设计。

4.如权利要求1或3所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述三维激光反射面板上三个圆环状图形进行涂抹设计为中心位圆形，中间为黑色彩云母圆环，第三个圆环相对于圆中心的一半使用黑色彩云母涂抹。

5.如权利要求1所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述三维激光反射面板适用不同类型的激光扫描仪。

6.如权利要求1所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述全站仪反射棱镜，当附带三维激光扫描标，在竖直方向上最大旋转角为30度。

7.如权利要求1所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述标靶底座下部设有链接螺旋与常规三脚架连接，实现标靶底座的固定。

8.如权利要求1所述的多功能激光雷达扫描标靶，其特征在于，所述全站仪反射板、连接柱、标靶旋转部、标靶底座通过瞄准镜调节，竖直方向上，使其轴线在同一条直线上。