CN107990874B - 一种地面高程三维激光扫描仪和扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地面高程三维激光扫描仪和扫描方法，利用两台一前一后同步飞行的飞行器搭载激光扫描测距***组成空中的大基距激光三角测距仪，利用地面控制组件对飞行器的飞行以及扫描进行控制。本发明模型简单、获得的地面高程数据可靠稳定且精度高；设备整体性价比高，使用方便，适合推广到基层使用。

Description

一种地面高程三维激光扫描仪和扫描方法

技术领域

本发明涉及地面三维扫描测量技术领域。

背景技术

地面的三维测量问题是一个长期的热点和难点问题，对各类地面工程都有重大关联，甚至是最关键的基础。由于GPS技术的发展，特别是激光测距技术的提高，使数值三维测量与重构得到很大进步，其中的激光三维扫描仪成为测量技术发展的标志。

地面三维测量的基本方法是在地面网格坐标基础上测量网格地面元的高程值，获得地面高程数据。上述方法的基本原理是以原点为基的激光测距三维扫描技术方法。

激光测距三维扫描技术，针对不同尺度物体、不同测量精度要求，采用不同扫描方法。但发展最快的仍是激光束测距扫描目标表面得到目标三维表面大量点云距离数据，其基本原理是依靠脉冲测距或相位测距方法。该基本原理对固定物体如文物、建筑物的三维扫描重构，可严格设计基准，从多方向获得数据，可实现很高精度的重构。但上述基本原理对动态目标或行进采集都存在基准和运动修正问题，特别是对地面三维状况的精确测量受到很大局限。

地面三维的测量情况复杂，存在很多复杂地形或危险区域、难以到达的地区等，因此利用航测技术从顶面对地面三维进行测量应运而生，其中，机载、星载高测频脉冲扫描作为大面积地面测量取得很好效果。目前的高空扫描依旧是依靠脉冲测距或相位测距方法，存在点云间隔大、高程测量精度不够高、没有稳定严格的基准等问题，另外还存在要求条件高、费用高，一般的用户无法方便使用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种地面高程三维激光扫描仪和扫描方法，用于解决现有的地面三维；

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种地面高程三维激光扫描仪，包括空中飞行扫描组件、地面控制组件和经纬度采集仪；其中：

所述空中飞行扫描组件包括两台飞行器，分别用于搭载激光标线发生器和激光标线图像采集装置，两台飞行器沿扫描方向一前一后同步飞行，两台飞行器在扫描方向上的间距与飞行高度相当；

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，形成垂直于扫描方向的激光标线；

所述激光标线图像采集装置用于采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；

所述地面控制组件包括***、飞行姿态控制器、扫描采集同步控制器和激光标线图像处理器；所述***与飞行姿态控制器之间具有数据交互，所述扫描采集同步控制器以及经纬度采集仪均与激光标线图像处理器之间具有数据交互；其中：

所述***用于对两台飞行器进行视觉定位，根据视觉定位结果获得飞行器的飞行高度以及前进距离；所述***将获得的飞行高度以及前进距离的数据发送给飞行姿态控制器；

所述飞行姿态控制器根据预设的飞行参数以及实时接收到的当前飞行器的飞行高度、前进距离的数据，控制两台飞行器的飞行姿态；

所述扫描采集同步控制器用于向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器；

所述经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器；

所述激光标线图像处理器将激光标线图像转换为地面上对应的每个点的三维高程数据，并将地面上每一点的经纬度采集结果与对应点的三维高程数据进行匹配，获得对应地面的三维高程数据。

随着无人机技术的日益成熟，目前已经可以实现对多台无人机的同步控制，因此在本发明中，可以选择无人机作为飞行器。

基于三角测距原理，为了保证测量精度，本装置在飞行器在扫描方向上的距离与飞行高度需保持基本一致，而又考虑到地势高低不同，一般的平原地区可以将飞行器在扫描方向上的距离以及飞行高度设置地较小，在丘陵地区等地势起伏较大的区域可以将飞行器在扫描方向上的距离以及飞行器的飞行高度设置地较高。一般地，对于无人机而言，民用高度上限为120米，故推荐飞行高度在10米～120米之间进行测量。

进一步的，在本发明中，两台飞行器上分别设置有颜色不同的一枚标志光斑；所述***包括2台CCD和数据处理***，所述CCD的镜头上均设置有与两台飞行器上的标志光斑颜色对应的窄带特征颜色滤光片；所述2台CCD采集飞行器的标志光斑获得光斑图像并将光斑图像传递给数据处理***，所述数据处理***利用双目视觉定位方法对两台飞行器进行定位。双目视觉定位方法是模拟人的双眼对目标进行机器定位的方法，在目前的生产生活中具有广泛的应用。

进一步的，在本发明中，采用激光三角测距法，该方法的基本原理是在被测物体表面上方，用一束激光以一定的角度照射，激光在物体表面发生反射或者散射，在另一个角度用成像***对激光反射或散射进行汇聚成像，被测物体上激光照射所产生的光斑位置的变化，光反射或散射的角度也会变化，用光学***对光线进行汇聚，光斑成像在CCD或者PSD位置传感器上，沿激光方向当被测物体发生移动时，位置传感器上的成像光斑就会发生移动，其唯一对应物体移动距离，从而间接的实现激光测量。由于入射和发射光构成一个三角形，对光斑位移的计算、几何三角和激光器的运用，所以得名激光三角测距法。按入射激光光束与被测物体表面法线的角度关系，分为斜射式和直射式两种方式。一般而言，斜射式可以测量被测表面接近镜面的反射光，而直射式只能接收被测物体的散射光，测量物体表面的散射性能要好。另外，斜射式相比直射式存在光斑较大、光强不集中、随入射角度的变化有差异、设备体积大但测量范围小的问题。所以，在本发明的应用场景中，更加适合选用直射式激光三角测距法，所以所述激光标线发生器竖直向下投射激光。

进一步的，在本发明中，所述经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像。为了保证测量精度，优选横向间隔和纵向间隔相等且为固定的某一值。

进一步的，在本发明中，还包括基准水平面，所述地面的三维高程数据以基准水平面为坐标基准。

本发明同时还提供一种地面高程三维激光扫描方法，利用两台飞行器，其中一台搭载激光标线发生器，另一台搭载激光标线图像采集装置；

在飞行过程中：

利用飞行姿态控制器控制飞行器的飞行姿态，并保持沿扫描方向一前一后同步飞行，且两台飞行器在扫描方向上的间距与飞行高度相当；

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，形成垂直于扫描方向的激光标线；

所述激光标线图像采集装置根据预设的横向间隔和纵向间隔采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；

利用***对两台飞行器进行视觉定位，并获得飞行器的飞行高度以及前进距离；

利用扫描采集同步控制器向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器；

利用经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器；

利用激光标线图像处理器根据激光标线图像以及对应的激光标线所在地面的经纬度，获得对应地面的三维高程数据。

上述扫描方法中，利用经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像。

有益效果：

本发明提供的的地面高程三维激光扫描仪和扫描方法，利用一前一后同步飞行的飞行器搭载激光三角测距***中的激光标线发生器和激光标线图像采集装置组成大基距的激光三角测距仪，并利用地面控制组件控制飞行器以及激光三角测距仪，实现对地面高程数据的测量。其在线非接触、无损测量的方式，可以在不影响地面正常活动的情况下进行。

本发明的扫描方法为严格的断面扫描，该原理比点云方法更加可靠合理；并且断面数据连续集中，数据密度高于分散的点云技术；最后获得的高程数据以统一基准面为基础，一次瞬态采集可获得一同断面数据，数据更加直观，统一基面的稳定性好，可以有效克服机载平台不稳定、基准不确定的问题；对采集到的激光标线图像转化为三维高程数据的数据处理方法简单明了。

本发明通过调整基距以及机载的CCD分辨率，可以获得不同的测量精度，当控制飞行高度为低空飞行且和基距相当、选用机载CCD为高分辨率面阵CCD的基础上，精度范围可达厘米级甚至毫米级，测量精度可根据要求调整，完全能满足地面工程的设计与规划、管理要求。

最后，本发明中的各种设备均较为常见，且价格适中，设备整体性价比高，因此，适合推广到基层使用。

附图说明

图1为本发明中扫描仪的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为本发明提供的一种地面高程三维激光扫描仪，包括空中飞行扫描组件、地面控制组件、经纬度采集仪。

所述空中飞行扫描组件包括一号飞行器1和二号飞行器2，本实施例中选用的飞行器均为无人机，其中一号飞行器1上搭载有激光标线图像采集装置，二号飞行器2上搭载有位激光标线发生器，一号飞行器1和二号飞行器2图中箭头所示的扫描方向一前一后同步飞行，一号飞行器1和二号飞行器2在扫描方向上的间距与飞行高度相当。

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，本实施例中，激光标线发生器采用功率为2W波长为808nm的线激光源，在投射的激光光路上形成扇形平面光，最终与待测地面交汇形成垂直于扫描方向的激光标线。

所述激光标线图像采集装置用于采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；为了达到较高的分辨率，优选高分辨率的面阵CCD，如分辨率为2352*1750。

所述地面控制组件6包括***、飞行姿态控制器、扫描采集同步控制器和激光标线图像处理器。

所述***与飞行姿态控制器之间具有数据交互，所述扫描采集同步控制器以及经纬度采集仪均与激光标线图像处理器之间具有数据交互；其中：

所述***用于对一号飞行器1和二号飞行器2进行视觉定位，根据视觉定位结果获得飞行器的飞行高度以及前进距离，所述***将获得的飞行高度以及前进距离的数据发送给飞行姿态控制器。

飞行姿态控制器用于对飞行器进行姿态控制，现有技术中，可通过人工参与控制，也可通过全自动控制。因此，可以无论是通过人工还是全自动的方式，都可以参考预设的飞行参数以及实时接收到的当前飞行器的飞行高度、前进距离的数据，控制两台飞行器的飞行姿态按照预设的飞行参数进行飞行；还可以通过调整飞行姿态，实现对飞行器的飞行方向以及飞行高度的改变，以满足不同测量区域和测量范围的需求，如平原地区飞行高度过高，则可适当调低飞行高度以获得更优的分辨率，如前进距离达到飞行器的供能上限，则可及时收回飞行器以免造成不必要的损失。

所述扫描采集同步控制器用于向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器。由于本发明装置在户外使用，无线信号的覆盖范围在百米左右，故这里扫描采集同步控制器以可通过无线方式将图像采集控制信号发送给激光标线图像采集装置。

所述经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器，这里经纬度采集仪优选电子经纬仪。

所述激光标线图像处理器将激光标线图像转换为地面上对应的每个点的三维高程数据，并将地面上每一点的经纬度采集结果与对应点的三维高程数据进行匹配，获得对应地面的三维高程数据。

本装置为了保证较有的精度，飞行高度优选数十米，如一号飞行器1和二号飞行器2在扫描方向上的间距即基长为20米，飞行高度为20米。

为了实现对一号飞行器1和二号飞行器2的定位，采用机器视觉定位法。

在某些实施例中，具体选用双目视觉定位方法，该方法如下：

在两台飞行器上分别设置有颜色不同的一枚标志光斑，例如，在一号飞行器1上设置高亮度绿光LED，在二号飞行器2上设置高亮度蓝光LED，标志光斑发出的光作为对应的飞行器的特征光斑用于在视觉定位时代表相应的飞行器。

如图1所示，所述***包括2台CCD4、5和数据处理***，优选高分辨率面阵CCD以保证精度，所述CCD4、5的镜头上均设置有与两台飞行器上的标志光斑颜色对应的窄带特征颜色滤光片，使得仅有处于标志光斑所在的特定波段的光信号得以通过该滤光片进入CCD4、5；所述2台CCD4、5采集飞行器的标志光斑获得光斑图像并将光斑图像传递给数据处理***，所述数据处理***利用双目视觉定位方法对一号飞行器1和二号飞行器2进行定位。

在某些实施例中，扫描采集同步控制器的同步控制需要借助经纬度采集仪实现。所述经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像。

在某些实施例中，所述横向间隔和纵向间隔相等且为某个固定值，基于此获得的扫描数据点均匀分布，测量误差小。

上述各个实施例中，为了对最后获得的三维高程数据进行基准坐标的统一，还需要提供一个基准水平面。将基准水平面置于待测地面上，利用上述激光标线发生器向基准水平面垂直发射一束扇形激光，并用激光标线图像采集装置以断面扫描方式对基准水平面进行扫描获得水平面激光标线图像，将获得的水平面激光标线图像作为基准标线图像预存至激光标线图像处理器中，当激光标线图像处理器在根据待测地面的激光标线图像获取高程数据时，均以基于基准标线图像形成共水平面基准的统一坐标数据进行表达。

本发明的另一个实施例还提供一种地面高程三维激光扫描方法，利用两台无人机作为飞行器，其中一号飞行器1上搭载有激光标线图像采集装置，二号飞行器2上搭载有位激光标线发生器；

在飞行过程中：

利用飞行姿态控制器控制飞行器的飞行姿态，一号飞行器1和二号飞行器2图中箭头所示的扫描方向一前一后同步飞行，且两台飞行器在扫描方向上的间距与飞行高度相当；

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，形成垂直于扫描方向的激光标线；

所述激光标线图像采集装置根据预设的横向间隔和纵向间隔采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；

利用***对两台飞行器进行视觉定位，并获得飞行器的飞行高度以及前进距离；

利用飞行姿态控制器控制两台飞行器的飞行姿态；

利用扫描采集同步控制器向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器；

利用经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器；

利用激光标线图像处理器根据激光标线图像以及对应的激光标线所在地面的经纬度，获得对应地面的三维高程数据。

如前所述，同步扫描采集时，利用经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像，实现等距扫描。

现有的机载三维扫描仪，采用单点脉冲测距扫描得到地面高程点云、空间运动坐标不确定处理难度大、高空距离大、分辨精度不高。本发明针对局域地面，在低空中利用平面线激光严格逐断面扫描，属于严格的三维测量模型，模型简单、断面数据采集瞬态连续、断面高程基准更可靠、计算方便简单，解决了高空长距精度低问题；但用单机载激光三角侧距精度随高度急剧降低，本发明创新地提出双机同步飞行组成大基距激光三角测距仪，测量过程中保持测量三角形基线长度和高度相当，可实现可调控的高精度测量，采用高分辨面阵CCD作为激光标线图像采集装置,，在几十米低空飞行条件下，对地面高程测量精度可达厘米甚至毫米级。

本发明保持空间无损无干扰在线测量特色，又仍具有高精度严格断面扫描的优点，数据显示直观可信，处理方便。

本发明中设备的组件性价比高，适合推广到基层使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：包括空中飞行扫描组件、地面控制组件和经纬度采集仪；其中：

所述空中飞行扫描组件包括两台飞行器，分别用于搭载激光标线发生器和激光标线图像采集装置，两台飞行器沿扫描方向一前一后同步飞行，两台飞行器在扫描方向上的间距与飞行高度相同；

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，形成垂直于扫描方向的激光标线；

所述激光标线图像采集装置用于采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；

所述地面控制组件包括***、飞行姿态控制器、扫描采集同步控制器和激光标线图像处理器；所述***与飞行姿态控制器之间具有数据交互，所述扫描采集同步控制器以及经纬度采集仪均与激光标线图像处理器之间具有数据交互；其中：

所述***用于对两台飞行器进行视觉定位，根据视觉定位结果获得飞行器的飞行高度以及前进距离；所述***获得的飞行高度以及前进距离的数据发送给飞行姿态控制器；

所述飞行姿态控制器根据预设的飞行参数以及实时接收到的当前飞行器的飞行高度、前进距离的数据，控制两台飞行器的飞行姿态；

所述扫描采集同步控制器用于向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器；

所述经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器；

所述激光标线图像处理器将激光标线图像转换为地面上对应的每个点的三维高程数据，并将地面上每一点的经纬度采集结果与对应点的三维高程数据进行匹配，获得对应地面的三维高程数据。

2.根据权利要求1所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：所述飞行器为无人机。

3.根据权利要求1所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：所述飞行器的飞行高度为10米～120米。

4.根据权利要求1所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：两台飞行器上分别设置有颜色不同的一枚标志光斑；所述***包括2台CCD和数据处理***，所述CCD的镜头上均设置有与两台飞行器上的标志光斑颜色对应的窄带特征颜色滤光片；所述2台CCD采集飞行器的标志光斑获得光斑图像并将光斑图像传递给数据处理***，所述数据处理***利用双目视觉定位方法对两台飞行器进行定位。

5.根据权利要求1所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：所述激光标线发生器竖直向下投射激光。

6.根据权利要求1所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：所述经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像。

7.根据权利要求6所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：所述横向间隔和纵向间隔相等。

8.根据权利要求1至7任意一条所述的地面高程三维激光扫描仪，其特征在于：还包括基准水平面，所述地面的三维高程数据以基准水平面为坐标基准。

9.一种地面高程三维激光扫描方法，其特征在于：利用两台飞行器，其中一台搭载激光标线发生器，另一台搭载激光标线图像采集装置；

在飞行过程中：

利用飞行姿态控制器控制飞行器的飞行姿态，并保持沿扫描方向一前一后同步飞行，且两台飞行器在扫描方向上的间距与飞行高度相同；

所述激光标线发生器向待测地面投射激光，形成垂直于扫描方向的激光标线；

所述激光标线图像采集装置根据预设的横向间隔和纵向间隔采集激光标线图像，采集过程中激光标线图像采集装置、激光标线发生器和待测地面保持三角测距位置关系；

利用***对两台飞行器进行视觉定位，并获得飞行器的飞行高度以及前进距离；

利用飞行姿态控制器控制两台飞行器的飞行姿态；

利用扫描采集同步控制器向激光标线图像采集装置发送图像采集控制信号用于激光标线图像的采集，并将采集得到的激光标线图像发送给激光标线图像处理器；

利用经纬度采集仪实时采集当前激光标线所在地面的经纬度并将采集结果发送给激光标线图像处理器；

利用激光标线图像处理器根据激光标线图像以及对应的激光标线所在地面的经纬度，获得对应地面的三维高程数据。

10.根据权利要求9所述的一种地面高程三维激光扫描方法，其特征在于：利用经纬度采集仪将当前激光标线所在地面的经纬度发送给扫描采集同步控制器，所述扫描采集同步控制器根据获得的当前激光标线所在地面经纬度并基于预设的横向间隔和纵向间隔控制激光标线图像采集装置采集激光标线图像。