本發(fā)明涉及激光掃描測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置。
背景技術(shù)：
：三維激光掃描技術(shù)從上世紀(jì)90年代的原理樣機(jī)逐步商品化而投入實際應(yīng)用，已經(jīng)成為三維空間信息獲取不可缺少的技術(shù)手段。隨著市場應(yīng)用需求的提高，特別是地面三維激光掃描技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，一方面要求設(shè)備整體性能提高，包括點云密度、測量精度、自動化處理程度等；另一方面需要集成GNSS、數(shù)碼相機(jī)等部件，要求設(shè)備集成化、小型化、重量輕，以便于野外作業(yè)?，F(xiàn)有技術(shù)方案中，數(shù)字影像是通過激光掃描儀上部外置安裝的一部數(shù)碼相機(jī)得到的，由于外置相機(jī)的安裝姿態(tài)在設(shè)備拆裝和轉(zhuǎn)換攝站時不能保證穩(wěn)定不變，必須進(jìn)行各攝站激光點云和數(shù)字影像的標(biāo)定；同時由于單部相機(jī)的視場角有限，獲取的數(shù)字影像范圍也??；而每個攝站均計算標(biāo)定參數(shù)，極大地增加了激光點云和數(shù)字影像融合的工作量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是公開一種數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置，該裝置緊湊集成、體積小、重量輕，可在統(tǒng)一坐標(biāo)系下實現(xiàn)激光點云和數(shù)字影像的采集，拼接及三維空間數(shù)據(jù)融合，從而有效提高全局坐標(biāo)系下空間三維彩色紋理數(shù)據(jù)的獲取效率。一種數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置，所述掃描裝置包括激光掃描測量模塊、數(shù)字相機(jī)模塊、剛性支架模塊、水平掃描基座、定位整平模塊和控制計算模塊，其中：所述激光掃描測量模塊用于采集空間目標(biāo)的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，具體包括光電主動測量單元，掃描驅(qū)動裝置和掃描鏡，其掃描驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動掃描鏡繞水平軸360°旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光掃描測量；所述數(shù)字相機(jī)模塊用于獲取有效激光掃描視場范圍內(nèi)的數(shù)字影像，該數(shù)字相機(jī)模塊的數(shù)字相機(jī)按設(shè)定角度安裝在所述掃描裝置的一側(cè)或兩側(cè)；所述剛性支架模塊實現(xiàn)對所述激光掃描測量模塊和數(shù)字相機(jī)模塊的剛性聯(lián)接和支撐，同時構(gòu)建數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的設(shè)備坐標(biāo)系，并與水平掃描基座、定位整平模塊建立固定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系；所述水平掃描基座帶動所述掃描裝置整機(jī)繞豎直軸360°旋轉(zhuǎn)，使所述掃描裝置獲取攝站全視場范圍的激光掃描點云數(shù)據(jù)和數(shù)字影像；所述定位整平模塊用于獲取所述掃描裝置攝站的全局坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述控制計算模塊分別控制所述激光掃描測量模塊進(jìn)行掃描、所述數(shù)字相機(jī)模塊進(jìn)行曝光、所述水平掃描基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及所述定位整平模塊進(jìn)行測量，并存儲所獲取的激光掃描點云數(shù)據(jù)、數(shù)字影像、旋轉(zhuǎn)角度及GNSS坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所述激光掃描測量模塊掃描測量所得三維激光點云和所述數(shù)字相機(jī)模塊的數(shù)字影像通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一到設(shè)備坐標(biāo)系中，并通過所述定位整平模塊實現(xiàn)全局坐標(biāo)系(GNSS)下定向和定位，最終得到全局坐標(biāo)系下的高分辨彩色紋理三維空間測量數(shù)據(jù)。所述激光測量模塊繞水平軸在360°范圍旋轉(zhuǎn)掃描，其水平軸掃描機(jī)構(gòu)安裝在剛性支架上。所述數(shù)字相機(jī)模塊包含內(nèi)置的一部或多部測量型數(shù)碼相機(jī)，且所述數(shù)碼相機(jī)在水平方向上排列或在豎直方向上排列，并安裝于剛性支架上。若包含多部測量型數(shù)碼相機(jī)，則多部數(shù)碼相機(jī)間的視場部分交疊，且多部數(shù)碼相機(jī)所獲取的影像能實現(xiàn)無縫拼接。所述多部測量型數(shù)碼相機(jī)，按設(shè)定角度安裝，相機(jī)視場在垂直方向交疊，實現(xiàn)了大視場激光掃描點云范圍的數(shù)字影像覆蓋。所述激光掃描測量模塊與數(shù)字相機(jī)模塊間的安置關(guān)系確定，其位姿關(guān)系通過設(shè)備標(biāo)定完成，通過整平、對中和定向，獲取全局坐標(biāo)系下的大網(wǎng)格密度、高精度及高分辨彩色紋理的三維空間測量數(shù)據(jù)。所述定位整平模塊，通過整平、對中和定向，可以實現(xiàn)掃描裝置所采集數(shù)據(jù)的設(shè)備坐標(biāo)到全局坐標(biāo)的變換。所述裝置還包括掃描保護(hù)窗，通過該掃描保護(hù)窗為所述激光掃描測量模塊提供防護(hù)。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該裝置緊湊集成、體積小、重量輕，可有效實現(xiàn)全視場激光點云和數(shù)字影像的獲取，得到全局坐標(biāo)系下高精度、高分辨率的彩色點云，從而有效提高相關(guān)領(lǐng)域空間信息獲取的效率。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實施例所提供數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例所提供數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的另一結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所舉實例中數(shù)字相機(jī)模塊所包含的兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的示意圖；圖4為本發(fā)明所舉實例兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的另一示意圖；圖5為本發(fā)明所舉實例兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的第三種示意圖；圖6為本發(fā)明實施例所提供空間目標(biāo)點與設(shè)備坐標(biāo)的關(guān)系示意圖；圖7為本發(fā)明所舉實例中GNSS模塊與裝置對中點的關(guān)系示意圖；圖8為本發(fā)明所舉實例中掃描裝置GNSS全局坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集攝站的關(guān)系示意圖。具體實施方式下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實施例所提供數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述掃描裝置包括激光掃描測量模塊1、水平掃描基座2、數(shù)字相機(jī)模塊3、剛性支架模塊4、定位整平模塊5和控制計算模塊6，其中：所述激光掃描測量模塊1用于采集空間目標(biāo)的三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，具體包括驅(qū)動裝置和掃描鏡，所述驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸為空心軸，所述掃描鏡設(shè)置于所述空心軸的一端，接收光束經(jīng)過所述掃描鏡，通過空心軸內(nèi)腔形成接收光，所述空心軸帶動所述掃描鏡繞水平方向360°旋轉(zhuǎn)。所述數(shù)字相機(jī)模塊3用于獲取視場范圍內(nèi)的數(shù)字影像；該數(shù)字相機(jī)模塊3按設(shè)定角度安裝，安裝在所述掃描裝置的一側(cè)或兩側(cè)；具體實現(xiàn)中，該數(shù)字相機(jī)模塊包含內(nèi)置的一部或多部測量型數(shù)碼相機(jī)，且所述數(shù)碼相機(jī)在水平方向上排列或在豎直方向上排列，如圖1為數(shù)碼相機(jī)在水平方向上排列的整體結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示為數(shù)碼相機(jī)在豎直方向上排列的整體結(jié)構(gòu)示意圖。所述剛性支架模塊4實現(xiàn)對所述激光掃描測量模塊和數(shù)字相機(jī)模塊的剛性聯(lián)接和支撐，同時構(gòu)建數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的設(shè)備坐標(biāo)系，并與水平掃描基座、定位整平模塊建立固定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。所述水平掃描基座2帶動所述掃描裝置整機(jī)繞豎直軸360°旋轉(zhuǎn)，使所述掃描裝置獲取攝站全視場范圍的激光掃描點云數(shù)據(jù)和數(shù)字影像；這樣當(dāng)掃描裝置水平轉(zhuǎn)動時，數(shù)字影像可實現(xiàn)水平方向360°覆蓋，且在豎直方向和360°水平旋轉(zhuǎn)方向上與激光掃描點云數(shù)據(jù)重疊；上述激光掃描測量模塊1與數(shù)字相機(jī)模塊3間的安置關(guān)系通過設(shè)備標(biāo)定完成，在通過整平、對中和定向后，獲取全局坐標(biāo)系下的大網(wǎng)格密度、高精度及高分辨彩色紋理的三維空間測量數(shù)據(jù)。經(jīng)過設(shè)備參數(shù)和安置參數(shù)標(biāo)定后，不再需要重復(fù)標(biāo)定。所述定位整平模塊5用于獲取所述掃描裝置在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；該定位整平模塊5可以實現(xiàn)攝站的全局坐標(biāo)測量和姿態(tài)測量，進(jìn)一步的，全局坐標(biāo)系下的攝站定位可以通過全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和對中整平實現(xiàn)。所述控制計算模塊6分別控制所述激光掃描測量模塊1進(jìn)行掃描、所述數(shù)字相機(jī)模塊3進(jìn)行曝光、所述水平掃描基座2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及所述定位整平模塊5進(jìn)行測量，并存儲所獲取的激光掃描點云數(shù)據(jù)、數(shù)字影像、旋轉(zhuǎn)角度及GNSS坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所述激光掃描測量模塊掃描測量所得三維激光點云和所述數(shù)字相機(jī)模塊的數(shù)字影像通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一到設(shè)備坐標(biāo)系中，并通過所述定位整平模塊實現(xiàn)全局坐標(biāo)系(GNSS)下定向和定位，最終得到全局坐標(biāo)系下的高分辨彩色紋理三維空間測量數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，激光掃描點云數(shù)據(jù)和數(shù)字影像數(shù)據(jù)可以通過裝置內(nèi)各單元間所建立起的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)全局坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)采集、測量和數(shù)據(jù)處理。具體實現(xiàn)中，上述激光測量模塊進(jìn)一步為豎直方向掃描機(jī)構(gòu)，該豎直方向掃描機(jī)構(gòu)繞水平軸在360°范圍旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步的，當(dāng)數(shù)字相機(jī)模塊包含多部測量型數(shù)碼相機(jī)時，多部數(shù)碼相機(jī)間的視場部分交疊，且多部數(shù)碼相機(jī)所獲取的影像能實現(xiàn)無縫拼接，掃描儀水平轉(zhuǎn)動時，數(shù)碼相機(jī)影像可在垂直方向和360°水平旋轉(zhuǎn)方向與激光掃描點云重疊。上述激光掃描測量模塊1與數(shù)字相機(jī)模塊3間安置關(guān)系確定，其位姿關(guān)系通過設(shè)備標(biāo)定完成，在通過整平、對中和定向后，可以獲取全局坐標(biāo)系下大網(wǎng)格密度、高精度及高分辨彩色紋理的三維空間測量數(shù)據(jù)。另外，所述裝置還可以包括掃描保護(hù)窗，通過該掃描保護(hù)窗為所述激光掃描測量模塊提供防護(hù)。下面以具體的實例對上述數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程進(jìn)行詳細(xì)描述，該實例中的數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置包括激光測量模塊、數(shù)字相機(jī)模塊、剛性支架模塊、水平掃描基座、GNSS模塊和控制計算模塊，其中：如圖3所示為本實例中數(shù)字相機(jī)模塊所包含的兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的示意圖，如圖4所示為兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的另一示意圖，如圖5所示為兩個相機(jī)按設(shè)定角度安裝的第三種示意圖，其中圖3和4的相機(jī)安裝在裝置的一側(cè)，圖5的相機(jī)安裝在裝置的對側(cè)，結(jié)合圖3-5，兩部相機(jī)的相機(jī)1視場角為α，相機(jī)2視場角為α'，裝置同側(cè)或?qū)?cè)安裝相機(jī)時，使相機(jī)視場交疊，即視場小于α+α'，并覆蓋激光掃描裝置的有效掃描范圍。如圖6所示為本實施例所提供空間目標(biāo)點與設(shè)備坐標(biāo)的關(guān)系示意圖，結(jié)合圖6，本實例中在設(shè)備置平并初始化后，通過剛性支架構(gòu)建了數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置的設(shè)備坐標(biāo)系，此時激光掃描指向和轉(zhuǎn)臺指向處于零位，各單元模塊與設(shè)備坐標(biāo)系之間的關(guān)系通過一次設(shè)備標(biāo)定完成，則攝站內(nèi)任意一激光掃描和數(shù)字影像目標(biāo)點的設(shè)備坐標(biāo)由以下模型得到：X=S·cosα·cosθY=S·cosα·sinθZ=S·sinα---(1)]]>如圖7所示為本實例中GNSS模塊與裝置對中點的關(guān)系示意圖，結(jié)合圖7，本實例中的數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置，GNSS模塊的天線與激光對中點有嚴(yán)格的幾何位置關(guān)系，只需安置設(shè)備高度，通過GNSS模塊就可以得到激光掃描裝置的設(shè)備原點全局坐標(biāo)。如圖8所示為本實例中數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置GNSS全局坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集攝站的關(guān)系示意圖，結(jié)合圖8，本實例中數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置在置平、對中后，由GNSS模塊獲取裝置對中點的GNSS坐標(biāo)，通過控制點或者GNSS基站點實現(xiàn)激光掃描裝置定向，再經(jīng)過逐站對中點定向，可以將整個測區(qū)的激光點云數(shù)據(jù)和數(shù)字影像數(shù)據(jù)處理到統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系或國家坐標(biāo)系下，作為一種具體實施的示例，剛性支架模塊為基準(zhǔn)的設(shè)備坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換步驟如下：a)將激光點云數(shù)據(jù)解算到掃描攝站設(shè)備坐標(biāo)系；b)將掃描攝站設(shè)備坐標(biāo)系的激光點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到定向目標(biāo)的攝站坐標(biāo)系，定向目標(biāo)轉(zhuǎn)臺角度為ω的旋轉(zhuǎn)矩陣為：cosω-sinω0sinωcosω0001---(2)]]>c)通過定向點和對中點全局平面坐標(biāo)，計算對中點相對于定向點的旋轉(zhuǎn)角度κ；d)將定向目標(biāo)攝站坐標(biāo)系下的激光點云轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系，角度κ的旋轉(zhuǎn)矩陣為：cosκsinκ0-sinκcosκ0001---(3)]]>e)每個攝站的激光點云數(shù)據(jù)，依據(jù)b)、c)和d)步驟處理，可以實現(xiàn)測區(qū)多攝站激光點云數(shù)據(jù)的全局坐標(biāo)統(tǒng)一和無縫拼接。具體實現(xiàn)中，本實例的數(shù)字?jǐn)z影激光掃描裝置通過對相機(jī)的內(nèi)方位和畸變檢校，使用每部相機(jī)的一幅影像和對應(yīng)范圍的激光點云，進(jìn)行影像與激光點云的外方位定標(biāo)，可實現(xiàn)影像與激光點云的配準(zhǔn)、影像融合于點云和點云融合于影像，具體實施步驟如下：a)相機(jī)畸變檢校用于改正鏡頭的徑向畸變和切向畸變，畸變改正模型為：其中：x,，□y為像點改正值；x,y為像方坐標(biāo)系下的像點坐標(biāo)；x0,y0為像主點；b)影像與激光點云的外方位定標(biāo)，可以通過激光雷達(dá)圓周掃描后，選擇某個掃描角度方向的影像，分別在激光點云和影像上選擇同名特征點，計算激光點云的空間坐標(biāo)到數(shù)字影像變換的空間坐標(biāo)的位移和旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，變換模型為：其中：Xi,Yi,Zi為激光點云空間坐標(biāo)；Xsi,Ysi,Zsi為對應(yīng)影像像素變換空間坐標(biāo)；□X,，□Y,，□Z為待求的3個平移參數(shù)；R為待求的3個旋轉(zhuǎn)角度組成的羅德里格矩陣，形式為：R=1+a2-b2-c2-2c-2ab-2b+2ac2c-2ab1-a2+b2-c2-2a-2bc2b+2ac2a-2bc1-a2-b2+c2]]>c)影像像素坐標(biāo)和對應(yīng)空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模型如下：其中：x,y為像方坐標(biāo)系下的像點坐標(biāo)；x0,y0為像主點；□x,，□y為像點改正值；f為焦距；Xi,Yi,Zi為影像像素變換空間坐標(biāo)；Xs,Ys,Zs為平移參數(shù)；ai,bi,ci可以由3個姿態(tài)角描述，3個姿態(tài)角為待求的小角度參數(shù)。d)激光掃描儀轉(zhuǎn)臺記錄不同角度相機(jī)成像的旋轉(zhuǎn)角度θ，如果轉(zhuǎn)臺角度0°時進(jìn)行外方位參數(shù)定標(biāo)解算，不同轉(zhuǎn)臺角度影像像素的空間坐標(biāo)，只需繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ角度，再按步驟c)的模型計算模型參數(shù)，即可以實現(xiàn)點云與影像配準(zhǔn)。e)建立激光點云與數(shù)字影像像素的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)激光點云與數(shù)字影像的融合。綜上所述，本發(fā)明實施例所提供的掃描裝置不再需要外置數(shù)字相機(jī)，不再需要對數(shù)字影像重復(fù)配準(zhǔn)，而可以獲取設(shè)備坐標(biāo)系下攝站周邊激光三維測量點云和數(shù)字影像數(shù)據(jù)；該掃描裝置緊湊集成、體積小、重量輕，可實現(xiàn)全局坐標(biāo)系下激光點云和數(shù)字影像的拼接和融合，從而有效提高相關(guān)領(lǐng)域空間信息獲取的效率。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3