CN117930195A - 组合式测地勘测仪器的点云辅助校准 - Google Patents

组合式测地勘测仪器的点云辅助校准 Download PDF

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Abstract

组合式测地勘测仪器的点云辅助校准。本发明涉及包括单点测量功能和点云测量功能、通信接口(81、82)和计算单元(30)的勘测仪器(4)。点云测量功能被配置为沿着第一测量轴线发射扫描束(21)并且使第一测量轴线沿着扫描图案前进。点云测量功能被配置为生成表示场景(2)的点云数据。单点测量功能被配置为沿着第二测量轴线发射测量束(11)。第一测量轴线参考第二测量轴线。通信接口(81、82)被配置为接收表示场景(2)的至少一部分并且包括参考外部坐标系的数据的模型数据。计算单元(30)被配置为识别点云数据和模型数据中的基本特征。勘测仪器(4)被配置为通过将点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征进行匹配来合并所获取的点云数据与模型数据以执行定位功能。

Description

组合式测地勘测仪器的点云辅助校准
技术领域
本发明涉及一种包括单点测量功能、点云测量功能、通信接口和计算单元的测地勘测仪器、以及一种用于测地勘测仪器的点云辅助定位的方法和基于此的计算机程序产品。
背景技术
为了根据测地准确度标准(特别是以厘米精度或更好的精度)从静态对象或移动对象得到信息，通常使用测地勘测仪器，特别是全站仪(total station，TPS)、视距仪和机动经纬仪。这样的测地勘测仪器被配置为根据测地准确度标准提供一个或更多个单个点的球坐标和/或导出的笛卡尔坐标。
TPS是一类常见的测地勘测仪器。作为示例，TPS在此被呈现为通用测地勘测仪器的代表。可以相应地应用其它类型的测地勘测仪器的具体特征。TPS基本上包括照准、瞄准和单点测距元件，特别是激光测距仪和角度传感器，其准确度在角秒的范围内。从这点上，“单点测量功能”被理解为可以根据测地准确度标准来照准、对准和测量一个或更多个单个点的硬件和软件组件的集合。组件不需要集成到紧凑模块中以提供单点测量功能，特别是软件组件或机动轴可能由单独物理组件构成。单点测量功能的一部分(特别是光学测量组件)可以由TPS的单个集成子组件提供。这样的组件在此处将被称为“单点测量单元”。
通过精确地记录环境中的参考标记(reference marker)，当代TPS还可以使仪器参考外部坐标系，特别是全局坐标系。在确定外部坐标系后，所有操作都可以参考该外部坐标系。作为示例，坐标数据表示来自勘测仪器的未参考的相对坐标或等效数据。参考外部坐标系的坐标数据在此将被称为参考坐标数据或绝对坐标数据。
参考TPS通常是一项繁琐的手动工作。在一个典型的例程中，至少TPS的粗略位姿(位置和取向)和附近可见参考标记的绝对位置必须是已知的。参考标记可以是测地控制网(Geodetic Control Network)的参考标记。然后通过瞄准和测量所述参考标记来得出TPS的绝对位姿。这通常通过手动瞄准或通过扫描环境以寻找和瞄准这样的参考标记来执行。例如，EP 2404137公开了这样的扫描方法。
在通常用于施工现场的另一众所周知的例程中，TPS必须参考相对参考系(例如施工项目)进行定位。标记(例如，壁上的铅笔或粉笔记号(mark)，或地板上的网格线交点)可能不具有限定的绝对位置，但是它们是相对于施工项目限定的。TPS可以相对于这些标记定位自己。代替标记，TPS可以利用物理参考物，例如壁、柱、角落或任何方便的区分特征。
典型的TPS还配备有GNSS接收器。然而，在没有适当支持基础设施(例如，在参考位置处的基站)的情况下，GNSS接收器的准确度不满足测地准确度要求。因此，它们只能提供粗略位姿数据。此外，GNSS接收器需要存在GNSS信号，这使得它们不适合例如用于室内勘测任务。
当代TPS还可以配备有一组无线模块，该组无线模块使得这些TPS能够与不同类型的外部单元通信。外部单元的非排他性列表包括另一勘测仪器、手持数据获取设备、现场计算机或云服务。特别是，TPS可以经由无线模块接收环境的数字模型。EP 3779 359公开了一种包括用于接收环境的数字模型的接口的仪器和一种使仪器参考数字模型的方法。
为了捕获关于场景(setting)的地形信息，特别是对象(特别是建筑物或施工现场)的表面，通常利用扫描方法。地形通常由连续点云表示。用于扫描表面的常见方法是利用扫描仪器或模块，特别是激光扫描仪。扫描仪器或模块利用扫描束(特别是激光束)扫描对象的表面，并且通过将所测量的距离信息与扫描束的发射角度组合来生成地形。由此，“点云测量功能”被理解为可以提供表示场景的连续点云的硬件和软件组件的集合。点云测量功能的一部分(特别是扫描束的发射和检测)可以由具有集成元件的不同组件提供。这样的组件在此将被称为“点云测量模块”。提供点云测量功能和单点测量功能两者的一部分的不同集成组件在此处将被称为“公共测量单元”。作为示例，激光扫描仪在此处被呈现为包括点云测量功能的通用模块或仪器。可以相应地应用其它类型的点云测量模块或仪器(特别是飞行时间摄像头)的具体功能。
激光扫描仪及其利用方法在现有技术中是已知的，并且例如在WO 97/40342中公开。通常通过利用适当的光学元件(例如快速旋转反射镜)偏转光束来执行扫描。激光扫描仪的一种典型利用是使它们以固定方式安装(包括至少一个另外的机动轴)以改变、测量和记录两个自由度上的发射角度。
将“标准TPS”(其可以递送高单点准确度)与专用点云测量功能(特别是激光扫描仪，其可以递送高点到点分辨率)相组合的益处已经被认识到并且在现有技术中是已知的。WO2013/113759A1或EP 3495 769B1公开了具有单点测量功能和点云测量功能的TPS。激光扫描仪可以作为与TPS分开的模块来布置。然而，点云测量功能和单点测量功能可以利用公共光轴，特别是它们还可以包括公共硬件元件。
附加地或另选地，还可以通过从静止位置和从自由手部位置两者测量多个参考点和/或通过使用图像处理技术(诸如像SIFT(Scale Invariant Feature Transformation，尺度不变特征变换)、SURF(Speeded Up Robust Features，加速鲁棒特征)、FAST(Featuresfrom Accelerated Segment Test，来自加速段测试的特征)、BRIEF(Robust IndependentElementary Features，鲁棒独立基本特征)或ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF，定向FAST和旋转BRIEF))的基于2D或3D图像的路径推导来提供3D点云。
对于具有点云测量功能的TPS，典型的勘测任务包括提供表示场景的点云。通常，对点云的参考也是必要的。这种参考在现有技术中是手动进行的。
发明内容
本发明的目的
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种包括单点测量功能和点云测量功能的勘测仪器的自动参考，而无需手动瞄准和测量参考标记。
本发明涉及一种勘测仪器，特别是TPS、视距仪、经纬仪、激光***或室内定位***，该勘测仪器包括单点测量功能、点云测量功能、通信接口和计算单元。
点云测量功能具有第一测量轴线并且被配置为沿着第一测量轴线发射扫描束。扫描束可以是激光束、特别是脉冲激光束。作为示例，脉冲激光束在此将表示通用扫描束。可以相应地应用其它类型的扫描束的特定特征。扫描束可以包括扇形形状、圆锥形或任何合适的另选几何形状的多个单个激光束。第一测量轴线可以针对多个单个光束中的每一者分别地定义，另选地，第一测量轴线可以是表示多个单个激光束的集合的轴线。出于简洁和透明的原因，将更详细地仅描述基于单个脉冲激光束沿着第一测量轴线的发射的点云测量功能。然而，本发明不限于这些情况，并且可以应用于任何扫描束几何形状。另外地，点云数据可以基于成像方法来提供，特别是通过从静止位置以及从自由手部位置两者测量多个参考点和/或通过使用诸如特征匹配算法的图像处理技术的基于2D或3D图像的路径推导。
点云测量功能被配置为生成表示场景的点云数据。点云数据包括使第一测量轴线沿着扫描图案前进得到的多个点云对象点的坐标数据。本发明的意义上的点云是指密集点云。扫描图案被配置为提供密集点云。扫描图案可以表示半圆顶或全圆顶扫描或者也可以表示某个窗口扫描。点云对象点的密度可以是不均匀的或各向异性的。扫描图案可以由沿着第一轴线(特别是水平倾斜轴线)的快速(特别是至少100rpm)旋转和沿着垂直于第一轴线的第二轴线(特别是竖直旋转轴线)的慢速(特别是至多25rpm)旋转产生。点云对象点的坐标数据可以是球坐标的形式。可以基于激光脉冲的飞行时间测量来提供距勘测仪器的距离，同时可以基于由勘测仪器的角度传感器提供的数据来提供角度分量。也可利用直接测量或从球坐标得出的笛卡尔坐标。
单点测量功能具有第二测量轴线并且被配置为沿着第二测量轴线发射测量束。第一测量轴线参考第二测量轴线。勘测仪器可以包括不同的点云测量模块和不同的单点测量单元。点云测量模块到单点测量单元的位姿可以在两次测量之间调整。可以在校准过程中确定点云测量模块到单点测量单元的位姿。这种校准过程在现有技术中是已知的。另选地，勘测仪器可以包括公共测量单元。因此，第一测量轴线和第二测量轴线可以是相同的。
单点测量功能被配置为通过将第二测量轴线与单点目标对准来瞄准单点目标并生成包括单点目标的坐标数据的单点测量数据。单点测量功能可以被配置为基于对从单点目标反射的测量束的检测(特别是通过利用激光测距原理，特别是基于干扰和/或飞行时间测量)来提供距离信息。由单点测量功能提供的坐标数据满足测地准确度标准。
通信接口被配置为接收表示场景的至少一部分的模型数据。模型数据包括参考数据。在本发明的意义上参考数据是具有参考外部坐标系(特别是全局坐标系)的位置的数据。模型数据可以是计算机生成的数据，特别是计算机辅助设计(computer aided design，CAD)或建筑物信息模型(building information model，BIM)。另选地，模型数据可以是表示场景的先前状态的测量数据。模型数据可以包括标记网络(特别是回射目标)的形式位置数据中的锚点。模型数据可以表示场景的先前阶段，即，一些对象可能从模型数据中缺失。另选地，模型数据可以表示要执行的施工计划，并且可以包括尚未存在于场景中的元素。模型数据可能限于关注对象，即，在扩展的施工现场中的单个建筑物，或者可能表示简化模型，例如没有装饰元素，或者没有建筑物服务和连接元素。模型数据还可以表示关注对象的理想无错误状态，而所获取的点云对应于实际状态。
计算单元被配置为识别点云数据中的基本特征，并且被配置为识别模型数据中的基本特征。本发明的意义上的基本特征是可以用于将所获取的点云指派给模型数据的特征，特别是具有明确定义的几何形状和/或视觉外观和/或位置的容易识别部分。作为示例，基本特征可以是具有限定位置的边缘或角部、具有限定几何形状的平坦表面、参考标记、钻孔或销。技术人员可以基于实际勘测环境和任务提供类似或另选的列表。计算单元被配置为执行通用数学和数据管理操作。
勘测仪器被配置为执行定位功能(stationing functionality)。定位功能包括以下步骤：1.)检索表示场景的至少一部分并且包括参考外部坐标系的数据的模型数据；2.)通过点云测量功能获取表示场景的地形的点云数据；3.)通过计算单元识别所获取的点云数据中的多个基本特征；4.)通过由计算单元寻找点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征之间的对应关系来将所获取的点云数据与模型数据进行合并；5.)基于所获取的点云数据与模型数据的合并来提供参考点云数据；6.)基于参考点云数据得出用于勘测仪器的参考位姿数据；7.)利用勘测仪器的参考位姿数据来执行单点测量功能和点云测量功能的后续操作。尽管在此将定位的步骤描述为具有编号的列表，但清楚的是，这些和所有其它数字并不代表时间和空间连接，甚至不是优选顺序的形式，并且仅用于可读性的目的。这样的步骤的时间顺序和/或组件的空间顺序可以在适宜的限制内变化。
在一些实施方式中，勘测仪器包括：1.)基座；2.)框架，该框架安装在基座上，并被配置为能够通过电动旋转轴线相对于基座旋转，其中，电动旋转轴线为第一测量轴线和第二测量轴线提供旋转；3.)单点测量单元(特别是公共测量单元)被安装在框架的电动倾斜轴线上，其中，a)电动倾斜轴线提供第二测量轴线的倾斜、特别是还提供第一测量轴线的倾斜，以及b)单点测量单元(特别是公共测量单元)包括激光测距仪，该激光测距仪被配置为向勘测仪器提供单点目标的距离、特别是公共测量单元还提供点云对象点到勘测仪器的距离；4.)第一角度传感器，该第一角度传感器被配置用于提供旋转角度数据，所述旋转角度数据用于计算第一测量轴线的取向和第二测量轴线的取向；5.)第二角度传感器，该第二角度传感器被配置用于提供倾斜角度数据，所述倾斜角度数据用于计算第二测量轴线的取向并且针对公共测量单元特别是第一测量轴线的取向。
在一些实施方式中，点云测量功能可以利用布置在框架的侧面和/或顶部上的点云测量模块。点云测量模块可以包括用于使第一测量轴线倾斜的旋转反射镜和被配置用于提供计算第一测量轴线的取向的倾斜角度数据的第三角度传感器。反射镜可以是能够实现1000rpm或更大的旋转的快速旋转反射镜。这样的实施方式尤其适用于场景的快速扫描，然而，本发明不限于这些实施方式。
在一些实施方式中，第一测量轴线和第二测量轴线与公共测量轴线对准，特别是单点测量功能和点云测量功能可以利用公共测量单元。公共测量单元可以具有不同的硬件组件以提供单点测量功能和点云测量功能。单点测量功能和点云测量功能可以利用公共激光二极管，特别是它们可以利用另外的公共硬件组件。这些实施方式尤其有益，因为点云测量功能与单点测量功能之间可能没有对准误差。
在一些实施方式中，定位功能还包括：1.)由计算单元选择所识别的至少一个基本特征；2.)利用单点测量功能瞄准所选择的至少一个基本特征，并生成包括所选择的至少一个基本特征的坐标数据的单点测量数据；3.)基于包括所选择的至少一个基本特征的坐标数据的单点测量数据来更新所获取的点云数据。这些实施方式尤其有益，因为单点测量功能通常可以以比点云测量功能更高的准确度提供测量数据。通过基于所获取的点云数据选择适当的特征，单点测量功能可以协同地支持点云的生成。
在一些实施方式中，点云测量功能被配置为识别场景中的回射目标，特别是通过分析反射扫描束来识别场景中的回射目标。回射目标尤其适合于通过单点测量功能进行的上述测量。通过记录场景中的回射目标，点云测量功能可以在下一勘测位置处提供用于缩短定位的数据。
在一些实施方式中，模型数据包括场景中的一个或更多个回射目标的位置信息，并且所识别的基本特征包括至少一个回射目标。定位功能还包括以下步骤：1.)利用单点测量功能瞄准所识别的基本特征包括的至少一个回射目标中的至少一者，并且生成包括所瞄准的至少一个回射目标的坐标数据的单点测量数据；2.)基于包括所瞄准的至少一个回射目标的坐标数据的单点测量数据来更新所获取的点云数据。虽然回射目标尤其适合于充当“锚点”，但本发明可以与其它类型的锚点一起使用。作为示例，锚点可以是铅笔或粉笔记号或非反射带。铅笔和粉笔记号以及不同的带被广泛用于标记施工现场中的不同位置。利用锚点作为基本特征，特别是当模型数据是具有已知锚点位置的先前勘测数据时，对于点云与模型数据的匹配尤其有益。尽管具有所有这些益处，但是本发明可以在没有锚点的情况下应用。
在一些实施方式中，勘测仪器包括测斜仪。在这样的实施方式中，定位功能还可以包括以下步骤：1.)由测斜仪提供重力矢量；2.)基于所提供的重力矢量来更新所获取的表示场景的地形的点云数据。勘测仪器可以监测重力矢量的变化，并且当观察到重力矢量的显著变化时提供反馈，例如仪器已经滑动或一个或更多个脚部更深地陷入软土中。仪器可以向操作者提供关于这样的事件的反馈，并且可以请求定位。仪器可以包括另外的传感器，特别是冲击传感器。
包括测斜仪或其它等效传感器的勘测仪器可以尤其受益于本发明。对于这样的仪器，可以基于所提供的重力向量来独立地对准所获取的点云数据和模型数据的天顶方向。本发明可以有利地与作为基本特征的竖直边缘组合地应用，因为这些竖直边缘在模型数据和所获取的点云数据中彼此平行。
在一些实施方式中，勘测仪器包括罗盘，特别是电子罗盘。在这样的实施方式中，定位功能还可以包括以下步骤：1.)通过罗盘提供北方向；2.)基于所提供的北方向来更新所获取的表示场景的地形的点云数据。结合测斜仪利用罗盘尤其有益，因为它能够使得模型数据的取向能够与所获取的点云完全对准。因此，可以通过平移操作将所获取的点云与模型数据进行匹配。
尽管具有这些优点，但是可以在不确定重力矢量和/或北方向的情况下应用本发明。相反，本发明允许将勘测仪器定位于倾斜地面上，因为点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征之间的对应关系提供这些数据。
在一些实施方式中，勘测仪器包括成像功能。成像功能的光轴可以限定第三测量轴线，使得第三测量轴线参考第二测量轴线。成像功能可以由单点测量单元和/或公共测量单元的组件提供，并且第三测量轴线可以等于第二测量轴线。成像功能可以被配置为检测施工标记(construction marking)，特别是铅笔记号和/或粉笔记号和/或非反射带，并且提供包括所识别的施工标记的瞄准方向数据的成像数据。模型数据可以包括一个或更多个施工标记的坐标，特别是其中模型数据是同一现场的先前勘测。对于这样的实施方式，定位功能还可以包括：1.)通过成像功能获取成像数据；2.)通过将所识别的施工标记的瞄准方向数据与模型数据中的施工标记的相应坐标进行匹配来将所获取的成像数据与模型数据进行合并；3.)提供关于与所识别的施工标记的瞄准方向数据合并的模型数据与参考点云数据的偏差的评估。评估可以是指示定位不成功的错误消息。另选地，可以基于模型数据中的施工标记的相应坐标来更新参考点云数据。
在一些实施方式中，模型数据是：1.)CAD；2.)BIM；3.)表示该场景的先前状态的先前测量的参考点云数据。
本发明还涉及测地勘测仪器的定位方法。该方法包括以下步骤：1.)检索表示场景的至少一部分并且包括参考外部坐标系的数据的模型数据；2.)获取表示场景的地形的点云数据；3.)识别所获取的点云数据中的多个基本特征；4.)通过寻找点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征之间的对应关系来将所获取的点云数据与模型数据进行合并；5.)基于所获取的点云数据与模型数据的合并来提供参考点云数据；6.)基于参考点云数据得出勘测仪器的参考位姿数据，该参考位姿数据用于执行单点测量功能和点云测量功能的后续操作。
在一些实施方式中，该方法包括：1.)将参考点云数据分割为参考点云数据的多个部分；2.)针对参考点云数据的至少一个部分提供本地匹配索引，其中，本地匹配索引是基于以下的：a.)参考点云数据的点云对象点的坐标数据与模型数据的加权偏差和/或b.)在参考点云数据中的所识别的基本特征与在模型数据中的所识别的基本特征的加权偏差；3.)通过基于本地匹配索引排除参考点云数据的多个部分来减少参考点云数据，特别是其中，本地匹配索引超过偏差阈值；4.)基于经减少的点云数据与模型数据的合并来更新参考点云数据；5.)基于更新后的参考点云数据得出勘测仪器的参考位姿数据。
在一些实施方式中，更新后的参考点云数据具有第一参考坐标系(framework)，其中，参考坐标系可以表示绝对坐标系或相对于模型数据的坐标系，并且所排除的至少一个部分具有相对于不同于第一参考坐标系的第二参考坐标系而言的改进的本地匹配索引，特别是，改进的本地匹配索引低于偏差阈值。这些实施方式可以表示其中对象被放置在场景中然而其位姿不同于模型位姿的情况。当复杂施工零件(例如，反应堆罐、风车叶片、预制钢或混凝土元件等)已经被运输到施工现场但尚未安装在其最终位置和/或一件半固定机器(例如，起重机可能已经改变位姿)上时，这种情况可能出现。在这种情况下，通常期望基于模型数据对零件执行例如放样(stake-out)测量，以验证制造公差。该方法还可以包括：提供与具有改进的本地匹配索引的所排除的部分(特别是以图形方式指示未对准对象)和第二参考坐标系有关的反馈。特别地，该方法还可以包括以下步骤：基于更新后的参考点云中的未对准对象的位姿，请求并且被批准对模型数据执行更新。
在该方法的一些实施方式中，提供了匹配算法，该匹配算法提供点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征的匹配。匹配算法被配置为由机器学习来训练，以基于对净匹配索引的评估来将点云数据中的所识别的基本特征与模型数据中的相应基本特征相关联。所述净匹配索引可以基于本地匹配索引、特别是本地匹配索引的和。机器学习可以是有监督的或无监督的。机器学习可以基于训练数据，然而匹配算法评估关于所提出的匹配的操作者动作的实施方式也在本发明的范围内。如果实际情景偏离模型数据，则这样的机器学习方法尤其有用。这样的偏差可能是错误地产生的组件、不完全结构或存在辅助结构(特别是支架或模架)。在这些情况下，点云数据和模型数据中的一些基本特征彼此匹配，然而点云数据和模型数据两者可能包括不能匹配的特征。训练会话可以包括利用部分匹配的数据进行训练。
在一些实施方式中，机器学***坦表面可能比非特定边缘具有更高适用性得分。
在一些实施方式中，机器学习还包括验证测量。验证测量包括以下步骤：1.)选择包括模型数据中的所识别的一个或更多个基本特征的一组验证特征；2.)通过单点测量功能提供包括一组验证特征的坐标数据的单点测量数据；3.)基于通过单点测量功能测量的且处于参考点云数据中的一组验证特征的相应坐标数据来提供偏差数据；4.)基于偏差数据提供匹配质量数据；5.)基于匹配质量数据为匹配算法提供训练信息。
本发明还涉及一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上或由包括程序代码段的电磁波实施的程序代码。该计算机程序产品具有用于执行该方法的所选实施方式的计算步骤的计算机可执行指令，特别是当在根据本发明的***的计算单元上运行时。
附图说明
仅作为示例，下文将参考附图更全面地描述本发明的具体实施方式，其中：
图1示出了包括公共测量模块的勘测仪器的实施方式。
图2示出了扫描场景的示意图。
图3描绘了单点测量数据的测量。
图4示出了在点云中识别的基本特征的示例。
图5示出了表示场景的至少一部分的模型数据以及模型数据中的对应基本特征以及点云中的相应基本特征。
图6示出了通过单点测量功能来校正点云数据的不准确性的示意图。
图7描绘了针对不同类型的基本特征利用单点测量功能的验证测量结果的一些示例。
图8a示出了将点云数据与模型数据匹配的两个可能的基本特征。
图8b示出了其中由于低适用性得分而出现模型数据和点云数据之间的失配的示例。
图8c示出了成功匹配的示例。
图9a示出了具有未对准对象的场景。
图9b示出了具有用于未对准对象的改进匹配的第二取向。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的利用公共测量单元10/20和计算单元30提供单点测量功能和点云测量功能的TPS 4的示意图。公共测量单元10/20可以包括不同的组件以提供单点测量功能和点云测量功能。公共测量单元10/20可以具有公共硬件组件(特别是公共激光二极管)，以提供单点测量功能和点云测量功能两者。作为示例，计算单元30被布置到TPS 4的框架40。单点测量功能和点云测量功能由单独组件提供的实施方式也在本发明的范围内。具有作为单独实体的计算单元30也是可能的。对于这样的实施方式，计算单元30可以临时布置在TPS 4上。
TPS 4的框架40包括第一柱41和第二柱42，其中，公共测量模块10/20附接到两个柱41、42，使得该公共测量模块可围绕倾斜轴线61倾斜。公共测量模块10/20的倾斜优选地通过机动轴62实现。在某些情况下，围绕倾斜轴线61的手动倾斜也是可能的。TPS 4包括第二角度传感器63，该第二角度传感器被配置为测量倾斜轴线61的倾斜角度作为第二测量轴线的倾斜角度64。
在图1描绘的实施方式中，框架40被安装在基座50上并且可以绕旋转轴线51旋转。在校准和测量操作期间，旋转轴线51可以是竖直轴线。TPS 4可以在某些情况下手动旋转，或者优选地通过机动轴52旋转。TPS 4包括第一角度传感器53，该第一角度传感器被配置为测量框架40相对于基座50的旋转角度54。由第一角度传感器53获取的旋转角度54和第二角度传感器63获取的第二测量轴线的倾斜角度64被传送到计算单元30。
图2示出了包括多个对象的场景2。作为示例，TPS 4可旋转地安装在基座50上。TPS4包括单独的单点测量单元10和点云测量模块20。点云测量模块20侧向布置在TPS 4上。
在所描绘的实施方式中，点云测量模块20发射由光束偏转元件(特别是电动快速旋转反射镜)偏转的扫描束21(特别是激光束)，以提供点云数据3。多个点云对象点的坐标数据包括第一测量轴线74的倾斜角度和旋转角度54、以及对象点到TPS 4的距离111。
在所描绘的实施方式中，计算单元30被实现为包括无线接口82的单独单元，而TPS4包括另一无线接口81。无线接口81、82被配置为允许在计算单元30与TPS 4的其它组件之间交换数据。使用有线接口的数据交换也是可能的。无线接口81、82或具有等效功能的有线接口被配置为接收表示场景的至少一部分的模型数据，其中，该模型数据包括参考数据。
图3示出了通过发射测量束11(特别是激光束)生成具有单点测量功能的单点测量数据的TPS 4。单点测量数据包括：针对被瞄准的一个或更多个单个点1的距TPS 4的距离101、倾斜角度64和第二测量轴线的旋转角度54，特别是其中，一个或更多个单个点限定基本特征。所描绘的实施方式中的单点测量功能经由激光测距仪的原理(特别是激光脉冲或激光干涉测量的飞行时间测量)来生成距TPS 4的距离101。被瞄准对象可以是参考标记或所识别的其它类型的基本特征。对于一些类型的基本特征(特别是边缘或平坦表面)，可能需要多次单个单点测量来得出它们的坐标。
图4示出了所获取的表示该场景的点云3中的基本特征140-146的例示性非排他列表。这些可以是具有已知几何形状140的平坦表面、参考标记141、其它参考点(例如，光束交叉元件142、铅笔或粉笔记号143、销144或钻孔145或类似边缘146的其它几何特征)。特征的图案(例如，特定布置中的多个销144或相对彼此具有给定几何关系的边缘146)也可充当基本特征。技术人员可以提供类似或另选列表，这取决于实际勘测任务。
图5以虚线示出了表示场景的至少一部分的模型数据5，并以实线示出了所获取的点云3。模型数据可以表示场景的先前阶段，即，一些对象可能从模型数据中缺失。一些对象可能具有不同的形状，例如在所描绘的示例中，模型数据中缺失钻孔145。另选地，模型数据5可以表示要执行的计划，并且可以包括尚未存在于场景中的元素。模型数据5还可以表示关注对象的理想无错误状态，其中，所获取的点云3对应于实际状态。为了清楚起见，图5描绘了所获取的点云3和模型数据5中的对应对象具有对应几何形状的情况。出于类似的原因，模型数据5和所获取的点云3被示出为没有取向差异。本领域技术人员可以相应地将本发明应用于这些情况。
模型数据5包括与所获取的点云中的相应基本特征140、141、144、146相对应的基本特征240、241、244、246。为了清楚起见，对应基本特征完全匹配。本领域技术人员可以将本发明应用于基本特征仅部分匹配的情况。
图6描绘了所获取的点云数据3被错误地计算(例如，与场景2中的真实位置相比移位)的情况。图6中描绘的位移被放大以更清楚的方式示出方法。除了位移之外的测量误差也可能发生在点云3的获取期间，特别是取向差异。本发明可以相应地应用于这些情况。
根据本发明的勘测仪器4包括单点测量功能。单点测量功能可以用于通过以下步骤执行定位控制：a)在点云3中选择所识别的一个或更多个基本特征，例如，所识别的参考标记141；b)通过单点测量功能瞄准所识别的一个或更多个基本特征141，如果基于点云，物理特征341的真实位置104从预期位置105强烈偏离，则可能需要特征搜索；c)基于至少一个基本特征141/341的真实位置104来更新所获取的点云3数据。
图7描绘了具有一组基本特征140、141、146的点云3，该组基本特征140、141、146的位置将利用单点测量功能来控制。出于清楚的原因，在该示意图中既没有描绘模型数据，也没有描绘对象的实际真实空间坐标。对于技术人员来说清楚的是，实际测量过程涉及真实空间对象，并且点云3仅提供TPS 4的瞄准信息。
在所描绘的实施方式中，单点测量功能通过与特征的类型相关联的测量图案340、346来驱动测量束11。参考标记141可以被视为点状特征，其中，一个点表示其坐标。此外，参考标记141由于其设计而能够被精确地瞄准。边缘146可以通过确定从跨边缘146的连续扫描346获得的顶点位置来表示。平坦表面140的坐标可以从测量该表面340中的至少三个点的坐标得出。所描绘的控制测量图案仅用于例示目的，技术人员可以提供许多类似或另选的变型，特别是对于与图7中描绘的那些不同类型的基本特征。
图8a示出了具有两个基本特征240、246的模型数据5和所获取的具有相应基本特征140、146的点云数据3。出于简洁和清楚的原因，模型数据5和点云3的取向(例如，天顶角和北方向)对准。取向没有事先对准的匹配过程的具体特征可以相应地被应用。
图8b描绘了边缘246被用于将模型数据与所获取的点云对准的情况。由于场景(并因此所获取的点云)还包括许多竖直边缘，所以这些是可能导致此处描绘的未对准的非唯一特征。代替将模型数据246中的边缘正确地对准到点云146中的相应边缘，将边缘匹配到类似边缘(例如，148)是合理的。这在匹配算法的训练期间尤其重要，因此边缘具有低适用性得分的特征。
图8c描绘了基于平坦表面240的对准。具有限定的几何形状的平坦表面是稀有特征。将模型数据240中的平坦表面与所获取的点云中的相应平坦表面140正确匹配的可能性比在图8b中所描绘的边缘的情况下更高。这在匹配算法的训练期间尤其重要。因此，具有限定的几何形状的平坦表面具有高适用性得分的特征。
图9a示出了在第一参考坐标系351下参考模型数据5的点云3(通过将相应的基本特征与高适用性得分(即，在点云140和模型数据240中分别具有特定几何形状的平坦表面)进行匹配)。箱形对象301的模型501和点云表示完美地匹配，然而，未对准对象(具有销的支柱(beam))在点云302和模型数据502中被不同地定向。未对准对象还可能具有不同位置和/或可能具有缺失特征或附加特征。可以从匹配中排除未对准对象502。通过分割点云3，可以清楚地看出，表示未对准对象502的分割部分可以在位姿改变之后与点云对应物302匹配。
图9b以虚线示出了原始模型数据5，并以实线示出了更新后的模型数据500。更新后的模型数据500与原始模型数据的不同之处在于，未对准对象502现在根据其真实位姿来表示，即，基于不同于第一参考坐标系351的第二参考坐标系352。正确表示的未对准对象512仍然是模型而不是测量数据，即，除了通过平移和旋转操作正确地参考其位姿之外，其具有与未对准对象502相同的性质。正确表示的未对准对象512可用于后续测量中，例如以确定制造误差。
尽管上面部分地参考一些具体实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对实施方式的不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种勘测仪器(4)，所述勘测仪器包括单点测量功能、点云测量功能、通信接口(81、82)和计算单元(30)，其中
所述点云测量功能：
具有第一测量轴线并且被配置为沿着所述第一测量轴线发射扫描束(21)，被配置为通过使所述第一测量轴线沿着扫描图案前进来生成包括多个点云对象点的坐标数据的点云数据(3)，其中，所述点云对象点表示场景(2)的地形，
所述单点测量功能：
具有第二测量轴线并且被配置为沿着所述第二测量轴线发射测量束(11)，其中，所述第一测量轴线参考所述第二测量轴线，
被配置为通过将所述第二测量轴线对准单点目标(1)来瞄准所述单点目标(1)，并且生成包括所述单点目标(1)的坐标数据的单点测量数据，
所述通信接口(81、82)被配置为接收表示所述场景(2)的至少一部分的模型数据(5)，其中，所述模型数据(5)包括对外部坐标系的参考数据；
所述计算单元(30)被配置为识别所述点云数据中的基本特征(140-146)，并且被配置为识别所述模型数据中的基本特征(240、241、244、246)；
其特征在于
所述勘测仪器(4)被配置为执行定位功能，所述定位功能包括自动执行以下步骤：
检索表示所述场景(2)的至少一部分并且包括对所述外部坐标系的参考数据的所述模型数据(5)，
通过所述点云测量功能获取表示所述场景(2)的所述地形的所述点云数据(3)，由所述计算单元(30)识别所获取的点云数据中的多个基本特征(140-146)，
通过由所述计算单元(30)寻找所述点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)之间的对应关系来将所获取的点云数据与所述模型数据进行合并，
基于所获取的点云数据(3)与所述模型数据(5)的所述合并来提供参考点云数据，
基于所述参考点云数据得出所述勘测仪器的参考位姿数据，
利用所述勘测仪器的所述参考位姿数据来执行所述单点测量功能和所述点云测量功能的后续操作。
2.根据权利要求1所述的勘测仪器(4)，所述勘测仪器还包括：
基座(50)，
框架(40)，所述框架安装在所述基座(50)上并且被配置为能够通过电动旋转轴线(51)相对于所述基座(50)旋转，其中，所述电动旋转轴线(51)为所述第一测量轴线和所述第二测量轴线提供旋转，
单点测量单元(10)，特别是公共测量单元(10/20)，所述单点测量单元被安装在所述框架(40)的电动倾斜轴线(61)上，其中
所述电动倾斜轴线(61)提供所述第二测量轴线的倾斜，特别是还提供所述第一测量轴线的倾斜，
所述单点测量单元(10)、特别是所述公共测量单元(10/20)包括激光测距仪，所述激光测距仪被配置为向所述勘测仪器(4)提供所述单点目标(1)的距离(101)、特别是所述点云对象点到所述勘测仪器(4)的距离(111)，
第一角度传感器(53)，所述第一角度传感器被配置用于提供旋转角度数据(54)，所述旋转角度数据用于计算所述第一测量轴线的取向和所述第二测量轴线的取向，第二角度传感器(63)，所述第二角度传感器被配置用于提供倾斜角度数据(64)，所述倾斜角度数据用于计算所述第二测量轴线的所述取向、并且特别是所述第一测量轴线的所述取向。
3.根据权利要求2所述的勘测仪器(4)，其中，所述单点测量功能和所述点云测量功能利用公共激光二极管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的勘测仪器(4)，其中，所述定位功能还包括：
由所述计算单元(30)选择所识别的至少一个基本特征(140-146)，
利用所述单点测量功能瞄准所选择的至少一个基本特征(140-146)，并且生成包括所选择的至少一个基本特征(140-146)的坐标数据的所述单点测量数据，
基于包括所选择的至少一个基本特征(140-146)的所述坐标数据的所述单点测量数据来更新所获取的点云数据(3)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的勘测仪器(4)，其中，所述点云测量功能被配置为识别所述场景(2)中的回射目标(141)，特别是通过分析反射的所述扫描束(21)来识别所述场景(2)中的回射目标(141)。
6.根据权利要求5所述的勘测仪器(4)，其中
所述模型数据(5)包括所述场景(2)中的一个或更多个回射目标(141、241)的位置信息，
所识别的基本特征(140-146)包括至少一个回射目标(141)，
所述定位功能还包括：
利用所述单点测量功能瞄准所识别的基本特征(140-146)包括的所述至少一个回射目标(141)中的至少一者，并且生成包括所瞄准的至少一个回射目标(141)的坐标数据的单点测量数据，
基于包括所瞄准的所述至少一个回射目标(141)的所述坐标数据的所述单点测量数据来更新所获取的点云数据(3)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的勘测仪器(4)，其中
所述勘测仪器(4)包括测斜仪，
所述定位功能还包括：
由所述测斜仪提供重力矢量，
基于所提供的重力矢量来更新所获取的表示所述场景(2)的所述地形的所述点云数据(3)，
特别是其中，
所述勘测仪器(4)包括罗盘、特别是电子罗盘，
所述定位功能还包括：
通过所述罗盘提供北方向，
基于所提供的北方向来更新所获取的表示所述场景(2)的所述地形的所述点云数据(3)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的勘测仪器(4)，其中
所述勘测仪器(4)包括成像功能，其中
所述成像功能的光轴定义第三测量轴线，其中，所述第三测量轴线参考所述第二测量轴线，
所述成像功能被配置为检测施工标记(143)、特别是铅笔记号和/或粉笔记号和/或非反射带，并且提供包括所识别的施工标记的瞄准方向数据的成像数据，所述模型数据(5)包括一个或更多个施工标记的坐标，
所述定位功能还包括：
通过所述成像功能获取所述成像数据，
通过将所识别的施工标记的所述瞄准方向数据与所述模型数据中的所述施工标记的相应坐标进行匹配来将所获取的成像数据与所述模型数据(5)进行合并，
提供关于与所识别的施工标记的所述瞄准方向数据合并的模型数据与所述参考点云数据的偏差的评估。
9.一种对测地勘测仪器(4)进行定位的方法，所述测地勘测仪器特别是根据权利要求1至8中任一项所述的勘测仪器(4)，所述方法包括：
检索表示所述场景(2)的至少一部分并且包括对外部坐标系的参考数据的模型数据(5)，
获取表示所述场景(2)的地形的点云数据(3)，
识别所获取的点云数据中的多个基本特征(140-146)，
通过寻找所述点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)之间的对应关系来将所获取的点云数据与所述模型数据进行合并，
基于所获取的点云数据(3)与所述模型数据(5)的所述合并来提供参考点云数据，
基于所述参考点云数据得出所述勘测仪器的参考位姿数据，所述参考位姿数据用于执行所述单点测量功能和所述点云测量功能的后续操作。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
将所述参考点云数据分割为所述参考点云数据的多个部分；
针对所述参考点云数据的至少一个部分提供本地匹配索引，其中，所述本地匹配索引是基于以下的：
所述参考点云数据的点云对象点的坐标数据与所述模型数据(5)的加权偏差，和/或
所述参考点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的所识别的基本特征(240、241、244、246)的加权偏差，
通过基于所述本地匹配索引排除所述参考点云数据的多个部分来减少所述参考点云数据，特别是其中，所述本地匹配索引超过偏差阈值，
通过将经减少的点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)进行匹配来将经减少的点云数据与所述模型数据(5)进行合并，
基于所述经减少的点云数据与所述模型数据(5)的所述合并来更新所述参考点云数据，
基于更新后的参考点云得出所述勘测仪器的参考位姿数据。
11.根据权利要求10所述的方法，其中
更新后的参考点云数据具有第一参考坐标系(351)，
所排除的至少一个部分具有相对于不同于所述第一参考坐标系(351)的第二参考坐标系(352)而言的改进的本地匹配索引，特别地，所述改进的本地匹配索引低于偏差阈值，
该方法包括如下步骤：
特别是通过以图形方式指示未对准对象(502)来提供与具有改进的本地匹配索引的所排除的部分和所述第二参考坐标系(352)有关的反馈。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，寻找所述点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)之间的对应关系由匹配算法来提供，其中，所述匹配算法被配置为通过机器学习来训练，以基于对净匹配索引的评估来将所述点云数据中的所识别的基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)相关联，其中，所述净匹配索引基于所述本地匹配索引。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述机器学习还包括：
提供所识别的基本特征(140-146)中的每一者的适用性得分，所述适用性得分包括通过将给定基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)进行匹配得到的关于所述本地匹配索引和/或所述净匹配索引的所估计的减少的信息，
基于所述适用性得分并且还基于通过将所述给定基本特征(140-146)与所述模型数据中的相应基本特征(240、241、244、246)进行匹配得到的所述本地匹配索引和/或所述净匹配索引的实际减少来向所述机器学习提供反馈。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，所述机器学习还包括验证测量，其中，所述验证测量包括以下步骤：
选择包括所述模型数据中的所识别的一个或更多个基本特征(240、241、244、246)的一组验证特征，
通过所述单点测量功能提供包括所述一组验证特征的坐标数据的单点测量数据，
基于通过所述单点测量功能测量的且处于所述参考点云数据中的所述一组验证特征的所述坐标数据来提供偏差数据，
基于所述偏差数据提供匹配质量数据，
基于所述匹配质量数据为所述匹配算法提供训练信息。
15.一种用于勘测***的计算机程序产品，所述计算机程序产品在由根据权利要求1至8中任一项所述的勘测仪器(4)的计算单元(30)执行时使得自动执行根据权利要求9至14中任一项所述的方法的计算步骤。
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