[發(fā)明專利]三維激光掃描測(cè)量方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010237247.7
• 申請(qǐng)日: 2010-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101922912A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張達(dá);楊小聰;余樂(lè)文;王利崗;陳凱;張?jiān)?/a>;張曉樸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京礦冶研究總院
• 主分類號(hào): G01B11/00
• 分類號(hào): G01B11/00;G01B11/24
• 代理公司: 北京凱特來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;孟麗娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種三維激光掃描測(cè)量方法和裝置。

背景技術(shù)

三維激光掃描儀是一種通過(guò)激光測(cè)距傳感器獲取三維激光掃描儀和被測(cè)目標(biāo)表面的各測(cè)量點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而獲取被測(cè)目標(biāo)的三維空間形體的設(shè)備。三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)高精度無(wú)損測(cè)量，在建筑物三維建模、礦山井下構(gòu)筑物數(shù)字化、文物保護(hù)等諸多領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價(jià)值。

三維激光掃描儀的測(cè)量精度主要包括：距離分辨精度和空間分辨精度兩部分。其中，距離分辨率精度是指三維激光掃描儀獲取可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭與被測(cè)目標(biāo)表面的測(cè)量點(diǎn)之間距離的精確程度，主要取決于激光部件的性能；空間分辨精度是指三維激光掃描儀在被測(cè)目標(biāo)的表面單位面積上測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，主要表征三維激光掃描儀復(fù)原被測(cè)目標(biāo)的表面形態(tài)的細(xì)致程度。

三維激光掃描測(cè)量的執(zhí)行過(guò)程主要包括：通過(guò)軸向和徑向驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭測(cè)量三維激光掃描儀與被測(cè)目標(biāo)表面上的測(cè)量點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)空間變換獲取所述測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)。可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，繼續(xù)測(cè)量下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)。依此過(guò)程不斷掃描，就可以完成被測(cè)目標(biāo)的三維空間形體。

傳統(tǒng)的三維激光掃描儀通常采用等步距角掃描方法，即對(duì)被測(cè)目標(biāo)上的一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距后，在軸向驅(qū)動(dòng)裝置或者徑向驅(qū)動(dòng)裝置或者兩種驅(qū)動(dòng)裝置共同作用下，按照掃描方式，帶動(dòng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度，再進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)距。當(dāng)三維激光掃描儀對(duì)于整個(gè)三維空間或者指定區(qū)域均按所述方式掃描結(jié)束后，將存儲(chǔ)的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行坐標(biāo)映射，實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的三維空間形體的重建。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問(wèn)題：在三維激光掃描測(cè)量過(guò)程中，常常存在如下情況：

被測(cè)目標(biāo)表面起伏不平；

被測(cè)目標(biāo)表面存在裂縫等需要重點(diǎn)關(guān)注的目標(biāo)；

對(duì)于空穴測(cè)量，三維激光掃描儀距離各處巖壁距離不同，與表面法線夾角不同。

在這些情況下，采用等步距角掃描方法，會(huì)造成被測(cè)目標(biāo)表面的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分辨率不一致，三維激光掃描儀與被測(cè)目標(biāo)表面的測(cè)量點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)、表面的法線的夾角越大、距離反差越大，則該測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分辨率越低。反之，三維激光掃描儀與被測(cè)目標(biāo)表面的測(cè)量點(diǎn)的距離越近、表面的法線的夾角越小、距離反差越小，則該測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分辨率越高。上述各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分辨率不一致將導(dǎo)致測(cè)量精度的降低。

比如，在礦山井下采空區(qū)三維形態(tài)測(cè)量中，可以將一臺(tái)三維激光掃描儀伸入采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行三維激光掃描，從而形成采空區(qū)的三維幾何形態(tài)。圖1顯示了三維激光掃描儀采用傳統(tǒng)的等步距角掃描方法進(jìn)行測(cè)量的效果，三維激光掃描儀在對(duì)采空區(qū)的某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并獲取該測(cè)量點(diǎn)的三維空間位置之后，可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭在軸向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或者徑向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或者兩種驅(qū)動(dòng)裝置的共同作用下，按照掃描方式，帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器移動(dòng)固定角度，再進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)距。對(duì)于三維空間均進(jìn)行上述掃描后，形成了采空區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的三維重建。然而，從圖1中可見(jiàn)，當(dāng)采空區(qū)巖壁距離三維激光掃描儀很近時(shí)，采用固定步距角的方式進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致過(guò)采樣，嚴(yán)重降低了三維激光掃描儀的測(cè)量效率；當(dāng)采空區(qū)巖壁距離三維激光掃描儀很遠(yuǎn)時(shí)，采用固定步距角的方式進(jìn)行測(cè)量會(huì)導(dǎo)致欠采樣，空間分辨率過(guò)低；當(dāng)采空區(qū)巖壁的法向方向與三維激光掃描儀夾角很大時(shí)，采用固定步距角的方式進(jìn)行測(cè)量也會(huì)造成空間分辨率降低；當(dāng)采空區(qū)的巖壁凸凹不平或者存在縫隙時(shí)，更需要一種高分辨率的掃描方式，而傳統(tǒng)的等步距角的方式進(jìn)行測(cè)量無(wú)法做到這一點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種三維激光掃描測(cè)量方法和裝置，以提高三維激光掃描儀的測(cè)量精度。

一種三維激光掃描測(cè)量方法，包括：

分別測(cè)量出初始測(cè)量點(diǎn)所在的鄰區(qū)域中的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與三維激光掃描儀的可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭之間的距離；

根據(jù)所述各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與三維激光掃描儀的可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭之間的距離，按照設(shè)定的算法計(jì)算得到所述可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭的下一次的角度增量；

根據(jù)所述角度增量得到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)量出所述下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所在的鄰區(qū)域中的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與三維激光掃描儀的可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭之間的距離。

一種三維激光掃描測(cè)量裝置，包括：

初始測(cè)量點(diǎn)測(cè)量模塊，用于分別測(cè)量出初始測(cè)量點(diǎn)所在的鄰區(qū)域中的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與三維激光掃描儀的可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭之間的距離；

角度增量計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述初始測(cè)量點(diǎn)測(cè)量模塊得到的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與三維激光掃描儀的可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭之間的距離，按照設(shè)定的算法計(jì)算出所述可旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭的下一次的角度增量；