一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法技术

本发明专利技术为一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，包含以下步骤S1:在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球；S2:使用扫描仪分别扫描获取靶球球心坐标；S3:使用全站仪分别测量获取靶球球心坐标；S4:筛选出可用于标定的靶球；S5:计算短测程改正值。本发明专利技术具备以下优点。1）解决了地铁隧道移动扫描中扫描仪的短测程标定问题；2）模拟地铁隧道测量距离、测量方式进行靶球布置，标定结果更符合隧道测量使用环境；3）利用扫描靶球扫描点拟合靶球球心，算法精度高、鲁棒性强；4）操作简便，适用于实际工程应用。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法
本专利技术涉及隧道监测
，具体设计一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法。
技术介绍
近年来，随着我国城市轨道交通行业的迅猛发展，地铁隧道里程不断增加，针对地铁隧道安全监测的要求也在不断提升。在此背景下，采用激光扫描仪进行地铁隧道检测逐渐成为了地铁隧道安全检测中重要的技术手段，尤其以搭载激光扫描仪的移动式地铁隧道检测系统更是得到了广泛的应用。在移动式地铁隧道检测系统中，激光扫描仪的测距精度直接影响到系统整体的隧道检测精度，在实际工程应用中发现，激光扫描仪在测程较短的使用环境下（如隧道中），与传统全站仪测量结果相比，往往存在毫米级固定测距误差，对此测距误差的标定称为短测程改正标定，目前尚未有针对隧道测量移动扫描系统中激光扫描仪的短测程标定方案，需要有针对性的对此问题给出解决方案。
技术实现思路
本专利技术的就是为了解决隧道移动扫描系统中的激光扫描仪短测程改正标定问题，提出了一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，本方法通过模拟隧道短测程测距环境，在扫描仪两侧分别布设多对靶球，使用激光扫描仪在二维螺旋线扫描模式下采集到的靶球点云，经过圆拟合、球心换算等操作得到多对靶球球心坐标，进而间接得到多对靶球的球心距离，将此距离与全站仪测量得到的球心距离进行比较，最终得到激光扫描仪的短测程改正标定值。为实现上述目的，本专利技术提出了一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，包含步骤如下。S1:在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球。>S2:使用扫描仪分别扫描获取靶球球心坐标。S3:使用全站仪分别测量获取靶球球心坐标。S4:筛选出可用于标定的靶球。S5:计算短测程改正值。进一步的，所述S1步骤中，激光扫描仪需要先设置为螺旋线扫描模式，设置为隧道扫描环境中常用的扫描参数，如图1所示，在扫描仪扫描平面中距扫描仪左右两侧约3m距离的位置从上至下布设多对靶球，每对靶球基本位于同一高度，并根据扫描仪扫描线的位置调整靶球位置，使扫描线能够尽量扫描到靶球的大圆位置。进一步的，所述S2步骤中，使用扫描仪按照二维线扫描模式扫描靶球，获取靶球表面点云，如图2所示，二维扫描模式下，靶球表面点云为圆的一部分，对其进行最小二乘圆心求解。一般圆曲线方程为：可以将方程转化为另一种形式：，其中：对于一系列点进行圆拟合点到圆心的距离平方和半径平方的差令由于，所以Q存在极小值点，对其求偏导获得其最小值求解上述方程组得：其中：获得最终二维圆心坐标及半径为已知靶球的标准半径为，则靶球球心的三维坐标为（，，）。进一步的，所述S3步骤中，使用全站仪测量靶球球心坐标的方法为，如附图3所示，利用全站仪对球靶标的上下边缘进行测量，获得天顶角Z1和Z2，同理对左右边缘进行测量获得水平角H1和H2，对其取平均获得球心的方位角，测得全站仪至该方向上至球表面的斜距Dis，这样即可求出球半径r和测量值的关系：由此得到的测得球半径r及全站仪至球心斜距S：以全站仪为原点，根据极坐标公式即可求得球心三维坐标：其中：。进一步的，所述S4步骤中，筛选出可用于标定的靶球的流程为：S2、S3步骤中针对每一个靶球均采集了球心的扫描仪坐标与全站仪坐标，其中扫描仪采集到的球心坐标质量与扫描圆的拟合质量有关，当扫描到的圆拟合半径越大，扫描点越多，拟合质量越高，标定精度也就越高。因此，令扫描圆的拟合半径为r，靶球的设计半径为R，将全部扫描仪拟合坐标中r>85%×R的靶球数据筛选出来，同时取出与此靶球对应的全站仪球心测量坐标，结合为“扫描仪-全站仪”坐标组，作为筛选靶球坐标信息，参与到下一步短测程改正计算中。进一步的，所述S5步骤中，计算短测程改正值的流程为：在S4步骤筛选出的靶球集合K中依次选取靶球k，令该靶球的扫描仪球心坐标为Psk（Xsk,Ysk,Zsk），全站仪球心坐标为Ptk（Xtk,Ytk,Ztk），在集合K中寻找与当前k靶球高度最接近的靶球i，计算靶球k-i之间的扫描仪坐标欧氏距离，计算靶球k-i之间的全站仪坐标欧氏距离，则短测程改正为，多对靶球k-i存在多个短测程改正，计算全部短测程改正的平均值，作为最终的短测程改正标定成果。本专利技术采用以上方案，具备以下优点。1）解决了地铁隧道移动扫描中扫描仪的短测程标定问题；2）模拟地铁隧道测量距离、测量方式进行靶球布置，标定结果更符合隧道测量使用环境；3）利用扫描靶球扫描点拟合靶球球心，算法精度高、鲁棒性强；4）操作简便，适用于实际工程应用。附图说明图1为靶球布设形式示意图。图2为扫描仪扫描靶球示意图。图3为全站仪测量靶球示意图。图4为三维扫描拟合半径结果。图5为全站仪三维扫描仪数据对比。具体实施方式下面结合附图1-3，给出本专利技术的较佳实施例，对本专利技术做进一步说明。本专利技术包含步骤如下。S1:在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球。S2:使用扫描仪分别扫描获取靶球球心坐标。S3:使用全站仪分别测量获取靶球球心坐标。S4:筛选出可用于标定的靶球。S5:计算短测程改正值。S1：按照图1所示，在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球，本实施例中布设3对靶球，分别为lu-ru，lm-rm，ld-rd，靶球距离扫描仪距离约3m，类似地铁隧道测量环境下隧道壁距离扫描仪的距离，扫描仪布设在左右靶球中间，微调扫描仪扫描线角度，尽量保证扫描线扫描到每个靶球的大圆位置。S2：开启三维激光扫描仪的二维螺旋线扫描模式（二维扫描仪可直接开始扫描），使用点云处理软件处理扫描后的点云，如附图2所示，二维扫描模式下，靶球表面点云为圆的一部分，对其进行最小二乘圆心求解，计算得到扫描圆心坐标、半径为（A，B，r），已知靶球的标准半径为，则靶球球心的扫描仪坐标系三维坐标为C（，，）。S3：使用全站仪测量靶球球心坐标，如附图3所示，利用全站仪对球靶标的上下边缘进行测量，获得天顶角Z1和Z2，同理对左右边缘进行测量获得水平角H1和H2，对其取平均获得球心的方位角，测得全站仪至该方向上至球表面的斜距Dis，这样即可求出球半径r和测量值的关系：由此得到的测得球半径r及全站仪至球心斜距S：以全站仪为原点，根据极坐标公式即可求得球心全站仪坐标系下三维坐标：其中：。S4：按照S3步骤对靶球进行扫描，通过微调扫描仪位置进行重复扫描，共取得6组扫描结果，得到的全部扫描圆拟合结果如图4，三维扫描仪对于圆心的拟合质量和点数多少有着较大的联系，需要对拟合半径进行筛选，靶球的设计半径为0.725m，按照筛选策略，选取拟合半径大于0.85*0.7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，其特征在于，包含以下步骤：/nS1:在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球；/nS2:使用扫描仪分别扫描获取靶球球心坐标；/nS3:使用全站仪分别测量获取靶球球心坐标；/nS4:筛选出可用于标定的靶球；/nS5:计算短测程改正值。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1:在激光扫描仪扫描线两侧分别布设多对靶球；
S2:使用扫描仪分别扫描获取靶球球心坐标；
S3:使用全站仪分别测量获取靶球球心坐标；
S4:筛选出可用于标定的靶球；
S5:计算短测程改正值。


2.一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，其特征在于，所述S1步骤中，激光扫描仪需要先设置为二维螺旋线扫描模式，设置为隧道扫描环境中常用的扫描参数，模拟隧道测量距离特点，在扫描仪扫描平面中距扫描仪左右两侧约3m距离的位置从上至下布设多对靶球，每对靶球基本位于同一高度，并根据扫描仪扫描线的位置调整靶球位置，使扫描线能够尽量扫描到靶球的大圆位置。


3.一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，其特征在于，所述S2步骤中，扫描仪
通过扫描靶球上某大圆点云，通过最小二乘拟合计算得到扫描圆心坐标、半径为（A，B，r），
已知靶球的标准半径为，则靶球球心的扫描仪坐标系三维坐标为C（，，）。


4.一种适用于激光扫描仪的短测程改正标定方法，其特征在于，所述S3步骤中，利用全
站仪测量靶球的方法为：对球靶标的上下边缘进行测量，获得天顶角Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子轩，贺祎侃，
申请(专利权)人：上海京海工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31