三維可視化測量系統的制作方法

三維可視化測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種三維可視化測量系統，屬于工程測量【技術領域】。該測量系統包括GNSS接收機、慣性定位系統、激光掃描測距儀、3D數碼攝像機、備用GNSS基站及發射電臺、帶有顯示屏的數碼立體眼鏡以及PDA或者平板電腦；GNSS接收機帶有移動網絡模塊與內部電臺；PDA或者平板電腦中帶有測量系統的數據處理軟件。本發明測量系統的使用解決了車載移動測圖系統無法用于施工放樣的問題，利用設計模型與三維掃描的施工實體模型重合在一起進行對比與測量與施工放樣，也可存貯實體模型存檔回到室內測量與分析，作可視化測量；施工放樣時可戴專用的數碼立體眼鏡觀測標志放樣點位的圖像可視化放樣。
【專利說明】
三維可視化測量系統

【技術領域】
[0001]本發明屬于工程測量【技術領域】，具體涉及一種三維可視化測量系統，尤其涉及工程測量的數據采集與現場的施工放樣。
技術背景
[0002]目前全球導航衛星系統GNSS(GPS)已用于工程測量，三維激光掃描儀用于數字化地形測量及GIS (地理信息系統)的數據采集，而GNSS (GPS)與CCD數碼相機和慣性測量系統(簡稱INS)及激光測距相結合形成了新型測量設備-車載移動式測圖系統(目前日本托普康、瑞士徠卡有這種產品出售)。利用車輛行駛過程中采集周圍三維坐標點云再利用電腦軟件生成三維數字地形圖，這種設備可用于地形測量與工程測量中的竣工測量，道路測量中舊路改造工程，新設計道路邊有可通行便道可進行帶狀地形圖測量，對于車輛無法通行的懸崖峭壁無法使用，但車載測圖系統測圖設備裝入航模或遙控飛機能夠代替航測完成大比例尺地形測量，因為不能將設計模型輸入電腦進行比較而無法用于現場實時的施工測量及其放樣工作。


【發明內容】

[0003]本發明為了解決車載移動式測圖系統及其他移動測量技術無法用于現場施工測量與放樣問題，提供一種能夠現場實時測量與放樣的三維可視化測量系統。
[0004]本發明所提供的三維可視化測量系統包括GNSS接收機、慣性定位系統、激光掃描測距儀、3D數碼攝像機、備用基站GNSS及發射電臺、帶有顯示屏的數碼立體眼鏡以及PDA或者平板電腦；所述GNSS接收機帶有移動網絡模塊與內部電臺，所述數碼立體眼鏡能夠固定于設備上也能夠與設備分離，所述數碼立體眼鏡及PDA或平板電腦都帶蘭牙通訊模塊；所述PDA或者平板電腦中設所述測量系統的數據處理軟件。
[0005]為了減少體積將GNSS接收機、慣性定位系統、激光掃描測距陣列、3D數碼攝像機做成一體式可戴在頭上，帶有顯示屏數碼立體眼鏡可固定于設備上并利用蘭牙與PDA或平板電腦通訊，數碼立體眼鏡可調節兩眼間距與上下距離，調節器帶有標尺可讀出眼鏡左右上下距離，在放樣測量中利用數碼立體眼鏡觀看設計與實體模型。
[0006]為了防止蘭牙微波輻射對人體傷害，設備的頭戴部分采用阻擋電磁輻射的金屬保護殼，金屬材料保護殼在慣性定位系統下部，中心一個螺孔以便于架在對中桿或者光學對點器上。
[0007]所述PDA或者平板電腦除了觸摸屏可用手指操作外還帶有語音識別軟件，所述測量系統的數據處理軟件能夠進行語音控制，所述慣性定位系統、激光掃描測距儀的數據采集時鐘與GNSS時鐘同步。
[0008]所述激光掃描測距儀的掃描測距陣列繞中心主測距單元作360°旋轉掃描測距，各個測距單元除了主測距單元在陣列中心外，從測距單元沿從中向外沿漸開線弧線等間距步置，掃描時測距組件以主測距單元為中心順時針或者反時針旋轉，測距與旋轉角度大小通過步進電機控制，每個測距脈沖步進一個角度，旋轉速度能夠改變。
[0009]所述慣性定位系統采用與GPS-RTK(實時動態測量方式)聯合測量方式，GPS-RTK測量時從接收衛星信號與CORS或基站載波相位差分信號處理到輸出其相位中心坐標占用的時間長，掃描測距儀采集點云速度遠快于RTK，隨著測量人員工作走動，GNSS相位中心位置坐標在兩次輸出GPS-RTK結果間隔內采用慣性定位的姿態角與加速度值兩次積分計算的位移進行位置改正，掃描測距儀每測一次距離的同時采樣一次姿態角與加速度值，通過陀螺儀三軸姿態角和三軸加速度值計算并修正設備相位中心坐標，利用慣性定位系統短期精度高優點，掃描實物模型同時顯示于PDA或者平板電腦上，便于測量員補充未測部位。
[0010]工程施工開始前先將設計數據通過軟件在PDA或平板電腦中建立設計模型，設計模型的建立通過系統自帶的建模軟件，通用模型先建立設計模板，模板與模板之間可以復制，為了處理普遍與特殊的關系，先建立通用模板，再建立專用模板，專用模板建立可以復制通用模板再作修改、命名與保存，本系統提供常用的設計模板供用戶使用；設計模型套用專用模板再作特定的修改，專用模板建立設計模型，對于路基橫斷面模板，存在不同樁號之間不同的設計模板，插入新的斷面樁號的設計模型利用兩相鄰樁號模板內插解決，如果設計結構變化直接修改設計模板則設計模型自動修改，設計模板與設計模型可以根據所用建筑材料為其配色，使設計模板或設計模型更直觀。
[0011]本發明外業測量時經過GPS - RTK測量得到設備GNSS相位中心坐標，再經過慣性系統所采樣的設備姿態角加上激光掃描測距儀各測距單元相對設備位置由設備預處理軟件計算成測距點的水平方位角與豎直角，將GNSS與慣性定位系統及測距儀測距中心相位差全部換算到統一設備中心，并對于GPS -RTK輸出設備相位中心坐標間隔內利用采樣的加速度變化與姿態角變化對相位中心坐標進行修正，再利用激光掃描測距儀測距單元各測點斜距計算掃描點的三維坐標，利用掃描點三維坐標計算3D攝像機視向方位角采集相對應點相應的色彩，掃描點數據包括三維坐標加上色彩數據，就是設備輸出到電腦中的數據，通過蘭牙將目標點云數據傳給PDA或平板電腦的數據處理軟件。根據測量的不同目的對于實物的掃描可以采用測量人員走動過程的動態掃描，又可以將本設備用對中桿固定不動進行靜態掃描，又可分段米用靜態掃描。
[0012]本發明對實體模型的掃描是利用GNSS時鐘同步的每個測量時鐘脈沖所有的掃描測距單元進行一次測距同時步進電機控制掃描組件行走一個微小的掃描角度，同時3D攝像機拍照一次立體像對，同時采集一次陀螺儀姿態角與加速度計的加速度值，系統進行數據處理成各點云的三維坐標加色彩，有多少測距單元則每個測距脈沖就有多少組數據，數據壓縮成數據包通過蘭牙傳入PDA或者平板電腦。為了減少數據通訊量，減少PDA或者平板電腦處理數據時間，本設備內置數據預處理軟件，主要功能是每個測距脈沖時段采樣RTK實測坐標寄存器數據及時間、慣性定位系統陀螺儀姿態角及加速度值、各測距單元寄存器存貯的斜距、步進電機的轉角計數器值、3D攝像機立體像對，將暫存的上次RTK坐標加上慣性系統姿態角與加速度變化值計算相對于上次RTK坐標的位移修正作為本次測距脈沖的設備GNSS相位中心坐標，利用各測距單元所測斜距計算目標的三維點云坐標，并利用3D攝像機獲取的立體像對，將目標點坐標云換算為攝像機左右光心視向方位對照立體像對點位置獲取目標點色彩，將目標的三維坐標加色彩壓縮成數據包發送PDA或者平板電腦，掃描測距組件每秒測距多少次，每秒就有多少個數據包，因而蘭牙接口對于數據通訊速度要求高，設備采用蘭牙4.0版本。
[0013]本發明測量系統用于工程測量與放樣是將設計模型與實測模型根據同一坐標系統重合在一起，直接測量已施工或者正在施工的實體模型與設計模型的差距，測量人員可直接在模型上利用點擊電腦觸摸屏進行測量；放樣時測量人員在PDA或平板電腦上手工或通過語音輸入需要放樣的點位，在實測模型上用選定粗細色的實線或其它標志標定需放樣的點、線、面，根據輸入PDA或平板電腦的數碼立體眼鏡光心位置計算其光心坐標，并將標定放樣的點、線、面位置后的模型根據數碼立體眼鏡左右光心視向位置計算生成視圖，通過蘭牙接口將視圖輸出到數碼立體眼鏡，使用數碼立體眼鏡可以通過語音操作PDA或者平板電腦，通過PDA或平板電腦輸出到數碼立體眼鏡上，利用文字與操作人員語音對話方式進行測量放樣，語音識別時，測量人員盡可能說標準普通話，如果普通話說不標準的用戶可以采用語音適應功能，本軟件的語音適應功能采用文字顯示，針對常用的功能顯示相應文字，用戶對照文字進行閱讀，周圍要靜無噪音，語音適應后可以大大提高語音識別率，提高放樣測量速度。
[0014]本發明測量系統能夠對實測模型配色，用戶選擇的不同于實體模型的色彩與亮度顯示設計模型與已施工的實體模型之差，使施工與設計的差距所看即所見。施工放樣測量既可以利用手持PDA或平板電腦放樣，又可以直接通過數碼立體眼鏡觀測，放樣點的位置直接看到。
[0015]本發明采集實物的三維坐標點云使用的技術:先利用GPS-RTK測量儀器設備中心三維坐標，利用激光陀螺儀實時測量儀器設備的姿態角(傾仰角、轉角等)，激光掃描測距陣列各測距單元測量實體斜距，利用掃描組件轉動角度加上陀螺儀測得設備的姿態角計算各測距單元平面方位角與豎直角，計算掃描點的三維坐標增量加上設備相位中心坐標得到實體的三維坐標點云組成實物模型；本設備采集的三維點云坐標通過蘭牙與PDA或平板電腦通訊，測量人員通過PDA或平板電腦軟件處理顯示三維實測模型。
[0016]本系統利用GPS-RTK無累計與漂移誤差、慣性定位的短期精度高的特點，為提高測量速度，采取GPS-RTK與慣性定位相結合的聯合測量方式計算設備相位中心(GNSS相位中心以下簡稱設備相位中心)坐標；因GNSS接收衛星信號同時接收CORS或基站載波相位信號，處理并計算設備相位坐標時間長，通常每秒計算一個結果，而掃描測距儀測量很快，GPS-RTK每輸出一個結果及時間存入寄存器，RTK結果寄存器組共三個寄存單元組成堆棧，RTK每計算出一個結果存入寄存器三維坐標與時間壓入棧頂以保證棧頂數據最新，設備預處理軟件利用慣性定位系統的姿態角變化與加速度變化對時間兩次積分計算三軸位移距離，并改正設備相位中心坐標；測量人員動態測量時，設備的姿態角與加速角連續變化引起目標點距離也連續變化，但測距模塊陣列只能間斷測量，可測量一組數據，在一個時刻測量一組斜距，同時存貯，設備預處理軟件將每測一組斜距同時采樣一次陀螺儀姿態角與加速度值及步進電機的脈沖記數，GPS-RTK測得的設備中心坐標及時刻存三個坐標寄存器中，三個寄存器存有前三次坐標與時刻用于修正陀螺儀與加速度計時間漂移誤差，上次測距時刻到這次測距對時間雙積分計算三軸位移，經過姿態角計算并改正設備相位中心坐標，再計算目標點三維坐標，同時采樣攝像機圖像，計算目標點對應在3D像對上的視位置采樣顏色采用的3D攝像機相對于GNSS相位中心的位置根據PDA或者平板電腦設定儀器常數時存入設備。
[0017]用戶在模型上量測已施工實體與設計之差并且能夠利用本系統軟件現場計算已完工程量與剩余工程量；放樣測量時用戶能夠在設計模型上以用戶選擇的標志顯示放樣點位置，再通過帶顯示屏的數碼立體眼鏡進行現場掃描實物放樣；為了消除設備中心與數碼立體眼鏡視軸中心不同位置產生的視差；數碼立體眼鏡間距與掃描測距儀模塊陣列中心上下距離從眼鏡標尺上讀出輸入電腦中通過計算，輸出到數碼立體眼鏡的模型改為以眼鏡光心方向，輸出到左眼與右眼視圖因光心坐標不同視圖不同形成立體圖。
[0018]測量人員晃動對掃描測距有影響，如果正在掃描時，頭部向左右晃動時，部分點可能重復掃描，部分點可能未掃描；同樣上下晃動也造成部分點未掃描或者重復掃描，對于實體相同的點位重復掃描存在測量誤差引起點位不同而模型有的部位不重合，對于這個問題解決辦法有兩種，一種辦法掃描實體模型將本設備固定在強制對中桿上不移動，直到實體模型掃描完畢存入PDA或者平板電腦后，再對模型進行分析與測量稱為靜態掃描，靜態掃描等到掃描組件轉一周，前方120°錐形區域數據采集完畢，轉動設備補充未掃描區域，靜態掃描時軟件繪制立體模型接邊的點取幾次不同結果的平均；其二測量人員掃描實體模型過程中已掃描的實體同時顯示在PDA或平板電腦上，由測量人員對準目標補充未掃描部位，為了使用方便，測量人員戴數碼立體眼鏡，將電腦掃描圖形同時輸出到數碼立體眼鏡，測量人員直接用眼觀測未掃描部分進行補充，等需要測量的實體模型掃描完成。其中移動掃描重復的點以近距離覆蓋原來的點云，當PDA或者平板電腦上顯示測區的完整模型，再進行測量工作，稱為動態掃描；在測量放樣時采用動態掃描方法，隨著靠近放樣點距離近，放樣點精度提高，如果現場只采集實體模型，回到室內將設計模型對比實測結果進行分析用靜態。
[0019]放樣測量采用先輸入或導入設計模型，設計模型再標志出需放樣的點位置與放樣的線面，帶PDA或平板電腦進行實物掃描，這時軟件可選擇關閉設計模型，只顯示放樣的點、線、面位置，掃描的同時，將放樣的點、線、面投影到掃描的實物模型上，可選擇水平投影放樣平面位置，也可以選擇豎直投影放樣高程位置，也可以同時顯示水平與豎直投影進行三維放樣。
[0020]本發明測量系統具有以下技術特點:
[0021]1、本發明與車載移動測圖系統對比，設備攜帶更方便實時性高，現場可看設計圖形及位置，對于道路、橋涵或者其它構造物可以直接導航正確位置測量，施工現場可直接從電腦顯示的三維模型上測量結果。
[0022]2、可以將設計與實測模型輸出到專用的數碼立體眼鏡上觀測與放樣；放樣時可語音操作PDA或者平板電腦，沒有CORS網絡地區可以架設基站測量。
[0023]3、本系統相比車載測圖系統更加靈活，對車輛無法到達地區可以采集不同側面實體數據，如建筑物的正面、背面、側面與頂面等，也可以去建筑物內部測量(如果與天空不通視，則設備相位中心坐標采用慣性定位)。
[0024]4、本系統需要的硬件系統與車載測圖系統相同，軟件相對復雜，對電腦處理器要求浮點運算能力強，本系統的GNSS接收機只限于RTK (實時動態Real-Time-Kinematic)測量模式。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0025]圖1:本發明三維可視化測量系統功能結構示意圖。
[0026]系統分十一個功能塊，下面分別加以說明:
[0027]GPS(GNSS)衛星接收設備:置于設備內部，可以接收美國GPS、俄羅斯GL0NASS、歐盟的伽利略Galilix)與中國的北斗Compass等衛星信號，包括接收天線與預處理模塊，通常可接收多星的接收機稱為GNSS (Global Navigat1n Satellite System全球導航衛星系統)。
[0028]內置電臺/移動網絡信號接收模塊:用于接收基站發送的差分信號(需要安裝UHF接收天線)或通過移動網絡接收差分信號(需要開通C0RS)。
[0029]RTK數據處理軟件:將本設備接收的衛星信號與基站或網絡接收的載波相位差分信號進行處理得到設備相位中心大地坐標，通過七參數或四參數計算得到設備中心的當地三維坐標。
[0030]慣性定位系統:采集三軸陀螺儀的實時方位與三軸加速度計的加速度值，采樣周期與GNSS時鐘同步，具有記錄三軸方位與加速度值的寄存器。
[0031]設備中心三維坐標修正:掃描測距儀測距速度快而GPS-RTK輸出設備相位中心坐標時間長，利用慣性定位系統采樣的姿態角與加速度計算設備位移修正設備中心坐標，利用三軸陀螺儀計算測距時刻測距儀的水平角、豎角，同時利用三次GPS-RTK輸出的位置修正慣性系統的時間漂移誤差，對于無法接收到GPS衛星的隧道內只能利用慣性系統計算設備相位中心坐標(限于短期使用)，在隧道內只能利用控制點三維坐標修正慣生定位系統時間漂移誤差。
[0032]掃描激光測距陣列與3d雙攝像機:快速測量目標點與設備相位中心距離，注意測距中心與GNSS、陀螺儀中心不重合，需要利用儀器固定相位中心參數與姿態角計算設備相位中心坐標，所測距離也需要加以修正，儀器GNSS、慣性測量中心與測距中心對于同一設備是固定常數，設備長期使用與振動或大修后參數可能變化，大修后或長期使用與運輸后需要經過檢正。3D立體攝像機利用其固定位置攝錄立體像對；
[0033]計算與顯示實測的三維模型利用立體像對為實體模型配色彩:利用計算與改正后的設備相位中心三維坐標、設備姿態角、目標點測量距離計算目標點的三維坐標點云并顯示三維實測模型，電腦根據立體攝像機圖像計算的左右攝像機鏡頭中心坐標視向為掃描的實體配色彩。
[0034]設計構造物的三維建模:利用設計數據建立設計模板或者模型，需要輸入特征點的三維設計坐標，采用本設備提供的專用建模軟件，可以根據設計所用的建筑材料顏色與設計模板、模型配色。除有設計變更外，建立的設計模板、模型不需要修改，可以一直保存到工程項目的竣工，也可以根據分項工程，建立幾個任務各自保存不同的設計與實測數據。
[0035]設計與實測模型定位:采用設計模型與實測模型的三維坐標將兩模型重合，以不同色區分，可顯示設計模型與實測模型的長度與面積及體積之差。
[0036]設計與實測模型測量與分析處理:通過顯示的設計與實測模型在外業進行量測，包括設計與實測模型的差距，體積計算等。也可以存貯實測模型回到室內從不同角度與方位量測模型。
[0037]數碼立體眼鏡:包括左右顯示屏、左右目鏡與控制電路，利用蘭牙傳輸將PDA或平板電腦計算后的左眼與右眼視向彩色圖像進行顯示，因為是立體像對，左右視向的圖像不同，左右眼通過放大目鏡觀測到立體圖像，同時觀測到顯示在立體圖像上放樣位置標志與編號。
[0038]圖2:本發明系統俯視示意圖。
[0039]“設備外觀圖”從上向下看，包括GNSS接收機(圓形)與慣性定位系統及其控制電路與數據處理模塊在下面的方形區內，上面具有整平用的圓氣泡，前面是左右雙攝像機，中間是掃描測距儀，后面有一 UHF天線接口，用于單基站RTK定位方式，底部中心有一螺孔接對中桿，底部有戴頭上的金屬防電磁福射罩。
[0040]圖3:本發明系統側視示意圖。
[0041]側面看本系統，前是立體攝像機與掃描測距儀，后面是可選UHF天線。
[0042]圖4本發明系統中的數碼立體眼鏡示意圖。
[0043]包括左右顯示屏，左右目鏡與間距調節鈕及其標尺，控制電路。
[0044]圖5:本發明系統中激光掃描測距陣列組件示意圖。
[0045]測距單元集成一體與測距相位中心成120°的錐形，各個測距單元布置于以測距相位中心等距離的球面上，各測距單元在球面上以等距漸開線布置。

【具體實施方式】
[0046]三維可視化測量系統使用前將設計模型數據通過本系統專用建模軟件輸入平板電腦。測量人員將本設備戴頭上，數碼立體眼鏡固定在本設備上置于眼前并適當調節，PDA掌上電腦或者平板電腦可手持或者掛身上。GNSS通過接收GPS及其它衛星信號同時連移動網絡與CORS或者基站通訊，使用單基站時需要利用內部UHF電臺，將本設備GNSS接收的衛星數據與載波相位差分信號通過軟件處理得到設備相位中心大地坐標，再利用坐標轉換參數精確計算本設備相位中心要當地坐標系統的三維坐標。設備的前置三維激光掃描陣列可以進行無棱鏡高速掃描測距，目前三維激光掃描儀每秒可以采集幾千個點的三維坐標，但激光測距范圍也有限，目前激光掃描儀最大測距1000m，精度達到±1厘米，但陀螺儀測姿態角精度有限，為確保精度本系統掃描測距單元可測量500m距離，默認只采集距離10m范圍的三維模型，也可用戶設定只采集距設備lm-500m范圍的實物斜距，可以將設備帶頭上進行動態掃描，又可以將設備用對中桿支撐后進行靜態掃描，但靜態掃描只限于高精度的三維模型數據采集。
[0047]設計建模通過自帶的建模功能，房屋或者其它結構以三視圖方式，橋梁、道路、涵洞、隧道有專用的模板可套用，直接修改數據，需要注意模板與模型區別，本說明書的模板是設計的結構，模板上的數據只有各組件的相對位置尺寸，沒有絕坐標，如涵洞設計模板包括I X 1、2X 2模板，如果將涵洞模板標了具體樁號及坐標與設計高就是設計模型，設計模型可直接套用設計模板，如道路的橫向設計可套用橫斷面標準設計模板，不同的橫斷面模板之間可用插值生成橫斷面之間的不同樁號的設計模型，設計建模可以是建立設計模型，也可以建立設計模板，為了使于修改可以先建立設計模板，設計模型直接套用設計模板，修改設計結構只要修改設計模板則套用模板的設計模型會自動修改，除非特定的一個設計結構變更。模板復制與模板保存與任務管理中的任務復制與任務保存一樣，模板與模型的擴展各不同，其擴展名由軟件開發者指定，說明書不作規定；用戶可以選擇設計模板的色彩為單色或者彩色，設定為彩色時用戶可以根據施工材料選擇，如混凝土的灰色與混凝土的條紋等，紅土、黃土、灰石、鋼筋混凝土中鋼筋色，其他金屬框架中金屬材料色，浙青路面的黑色等。建模軟件提供各種建筑材料的色彩與條紋讓用戶選擇，使設計模型更接近真實；本系統提供的標準模板分成房屋建筑、公路鐵路建設等幾個分類，用戶又自己可以建立模板存貯本系統以備后面工程使用。建立設計模板也可以套用CAD的視圖，直接利用CAD的dwt、dwg格式生成設計模板,也可以直接利用BIM(Building Informat1n Modeling)建筑信息模型的設計模型。
[0048]激光掃描測距儀采用激光測距模塊陣列提高掃描速度，測距傳感器越多采樣點密度越大，測量速度越快。為了便于說明，本說明書的激光掃描測距儀的測距傳感器共畫了 257個，所有測距傳感器共257個模塊集成一個與測距相位中心成120°視向的錐形區域，測距傳感器按照從中心向外的漸開線步置，在漸開弧線上的測距單元等間距，其中漸開線中心設置一個主測距單元，每個測距單元均有存貯器以存高速測距結果。掃描時本陣列以中心測距單元作360°旋轉，步進電機控制轉速并計數轉角，電機旋轉每一步距測量一次距離，根據計數器計算轉角。測距單元每秒測量1000個點云數據，步進電機也是每秒1000步進脈沖。快速測距掃描時每秒一周，作每個步進脈沖是0.36°，除中心主測距單元夕卜，漸開線上所有256個測距單元與中心測距單元構成256個同心掃描圓，則每個同心圓間視角60° /256 = 0.234375°，每秒采集1000X257個數據，每個掃描周期點密度徑向
0.84375"，圓周0.36°，在實物掃描時，相對于測距陣列中心點密度大，圓周方向密度低，為了提高圓周方向點密度，采用固定于掃描轉軸上不同直徑與齒數的齒輪，不同的步進電機，中速掃描每30秒轉一周，每秒同樣1000點，圓周方向0.012°，但需要30秒才能掃描一幅實物視圖；慢速60秒掃描一周，用于高精度靜態掃描。
[0049]開始作業任務設定后采用控制點作當地坐標系統的校正解算坐標轉換參數同時重定向慣性定位系統，如果GPS-RTK已作過當地坐標校正可以通過GPS-RTK設備前后移動的方位與距離自動重定向慣性定位系統，設定三軸陀螺平面正北方位與豎直軸的真水平方向及方位角，讓陀螺儀測定的0°指向真北方位，豎直角0°為水平方向，加速度計復位從O秒開始；激光掃描測距陣列沿中心轉動，陀螺儀測定的設備水平角與豎直角加上激光掃描測距陣列轉動步進電機計數脈沖角度改正后得到的各測距單元的位置計算真水平角豎直角再計算測距點的三維坐標增量，加上RTK測得的設備相位中心三維坐標得到測點云的當地坐標系統三維坐標；通過設備前面的3D攝像機成像，將所測的點三維坐標計算相對于攝像機左鏡頭與右鏡頭的視向方位角并計算采集點對于攝像機圖像的位置取樣測點的顏色，但3D攝像機左右眼光心距離有限，精度低于測距單元采集的點云，對于較遠點存在配色誤差，隨著測量人員走近遠處點后配色誤差有所降低，測距中心與攝像機光學中心有相位差產生近距離的視差，采用雙攝像機利用軟件處理減少視差，因設備每采集并計算一個掃描點三維坐標同時根據計算的3D攝像機光心坐標計算掃描點視向方位角并在攝像機圖像上采集掃描點所對應的色彩，處理器運算速度要快速，設備通過蘭牙傳輸到電腦中的點云數據就包括了色彩，也就是“四維”數據。根據設計模板數據生成設計模型，根據采集的三維點云生成實體模型，在平板電腦上直接顯示設計與目前已施工的實體差距，可直接從兩種模型上測量已施工實體與設計的差距多大，使測量變成可視化，設計模型可以根據建筑材料色配色后形成低亮度模型，設計模型與實體模型之差可由自己選擇不同的顏色，高亮度顯示施工與設計的差距，可以放大、縮小、平移與旋轉兩模型，利用查詢功能再點擊模型的各部位查看已施工點位的標高與設計高差。測量人員又可以帶平板電腦走動，測量更遠的范圍或者讓開前方有障礙物的施工實體。采用這種可視化測量系統現場放樣，先在設計模型上標定放樣點位置，例如道路測量可以通過軟件在實體模型上生成道路左中右樁號模型上標志所有點位，放樣測量時不顯示設計模型只顯示放樣的點、線、面在掃描的實測模型上的水平與垂直投影位置，帶平板電腦直接掃描與觀測三維模型現場釘樁位，設計位置水平或者垂直投影到掃描實物模型上，可以在實體模型上看到你釘的實樁與設計樁位了，又可以將標定了放樣位置的設計模型根據數碼立體眼鏡左右光心坐標(根據輸入到電腦中的數據計算得到)輸出到數碼立體眼鏡中，掃描時用戶通過觀測數碼立體眼鏡看到標出放樣位置的立體模型，因為眼睛看到的模型上有位置標志，實際放樣比觀測數據差而移動到放樣點的全站儀與GPS-RTK，放樣的速度更快。
[0050]可以將本設備放在施工機械上，如挖掘機或其它施工機械以指導施工，做到精細化施工提高作業效率。這種系統近距離的測量精度高，遠距離則因陀螺儀的系統誤差及時間漂移誤差影響，精度下降，測量人員可以限制掃描儀距離，設定只采集不超過10m的點云數據，人員帶本設備走向較遠的點繼續采集點云數據。如果需要測量已施工實體與設計之差，近可能靠近測量點位，這時主要誤差就是RTK的測量誤差，陀螺儀測角誤差近距離對點位的影響較小，分段測量后軟件可以將分段模型最小二乘擬合后對接處理。
[0051]施工放樣測量時，用戶可選擇使用數碼立體眼鏡更方便，固定在設備上，采用蘭牙接收PDA或平板電腦輸出的標志了放樣點位置的左右眼視圖，產生立體效果，進行可視化放樣，戴眼鏡可以語音控制與操作PDA或平板電腦，就是顯示實體模型后，對PDA或平板電腦說“控制”、“設定”后在眼鏡顯示的圖形上顯示文字，并顯示操作選擇項名，說出選擇項名前序號即可。平常打開眼鏡后，蘭牙連結PDA或平板電腦后，輸出到數碼立體眼鏡上只是PDA或平板電腦顯示屏內容，并不是立體圖像，對PDA或平板電腦用語音說即可操作，如果說“測量”可打開本三維可視化測量系統，本設備與數碼立體眼鏡已與PDA或平板電腦蘭牙連上，顯示上次打開的任務，設備采集實物模型，對PDA或平板電腦說出“設計模型”打開設計模型選擇頂，說出序號即可打開設計模型，放樣時為了便于觀測放樣點系統關閉設計模型，只顯示標志放樣點、線、面的位置已施工的實體模型，既可手持PDA或平板電腦放樣，又可以通過數碼立體眼鏡放樣，建議采用數碼立體眼鏡放樣，雖然PDA與平板電腦顯示的實物模型與現場的實物一樣，但受顯示器分辨率限制，沒有用眼直接觀測的實物逼真，隨著顯示技術提高，采用高分辨率的顯示屏，顯示效果會有所改善。
[0052]本系統測量精度取決于GPS-RTK精度與陀螺儀測角精度及加速度計測量加速度的精度及測距掃描單元精度，RTK精度目前只能達到厘米級，陀螺儀測角精度與時間有關，隨著使用時間的延長，陀螺儀測角產生漂移誤差，要保證測量精度達到厘米級，陀螺儀角度漂移保證±0.001° /小時，隧道中每工作一小時最好校正一次陀螺儀，露天利用GPS-RTK修正方位誤差和加速度計計算的設備位移誤差，設備在移動過程中GPS-RTK測量的設備不同位置坐標修正陀螺儀測定的方位誤差與加速度計算的位移距離誤差。所以這種系統測量中誤差就是RTK、陀螺儀測角誤差與加速度計測量位移誤差及測距誤差的平方和再開平方。在隧道內，GPS無法接收到衛星信號，這時只能利用加速度計與陀螺儀確定本設備的相位中心位置，三軸加速度計利用測量的加速度變化與時間兩次積分可得出儀器位移的三軸距離與陀螺儀方位變化計算儀器移動后的位置，加速度計同樣與存在測量加速度的誤差及時間漂移誤差，應當每小時與隧道內已知控制點校正一次慣性定位系統的漂移誤差，這時中誤差就是與加速度計測量誤差、掃描儀測距誤差，陀螺儀測角誤差對測距方位影響的點位誤差平方和的開平方。
[0053]慣性系統陀螺中心與GNSS相位中心不是同一點位，對于同一儀器是一常數，掃描激光測距儀測距中心與GNSS應該同一位置，但儀器每年也需要檢測與校正，3D攝像機左右光心相對于設備相位中心也是固定位置，對于同一設備也是一個常數，隨著使用時間延長，這些參數也會變化，所以每年檢定一次。
[0054]設備的檢查與校正，當設備圓氣泡居中后GNSS相位中心與陀螺儀中心在一垂線上共軸，如果不共軸需要校正，先檢查與校正圓氣泡，同經緯儀與水準儀的圓氣泡校正程序一樣，將本設備架設在光學對中器上，光學對中器的圓氣泡與長氣泡都已校正，再校正本設備的圓氣泡，將陀螺儀角度與加速度計位移復位為零，轉動光學對中器180°，加速度計應為零，慣性定位系統測量的位移應該為零，陀螺儀測量的姿態角轉了 180°。如果相差較大則校正，慣性定位組件有三個校正螺絲，同對點器角螺旋一樣可以升降，但圓氣泡與慣性定位組件分開，校正慣性組件不影響圓氣泡，激光掃描測距儀測距中心與GNSS相位中心重合，檢查方法同全站儀檢查儀器常數一樣，在一直線上先一點，如果直線AB上選擇一 C點，設備對中桿對中于A點，B與C安放乩板，設備提供，用主測距單元測出AC，AB距離，設備架中間C點，測量BC距離，AC+BC-AB就是測距固定誤差包括相位差與測距常數，存貯改正常數測量時自動改正，也可以校正，主測距單元與GNSS中心距離可通過掃描儀后面螺旋轉動校正。其它測距單元與主測距單元在一以GNSS相位中心為球心的球面上，通過設備提供一塊平面乩牌架設于對點器上，設備也架對中器上，設備與乩板距離約5m，上下調乩板高度，使主測距單元激光點在乩板中心，設備左邊與右邊與設備約60°方向各架兩塊乩板，通過主測距單元測量距離，讓三塊乩板與設備距離相等，再將主測距單元對準中間的乩板，打開檢校程序進行掃描，自動計算乩板的距離，左右距離由副測距單位測量其距離應該一樣，整平后的乩板上下在一豎直面，自動計算所有副測距單元距離計算誤差存貯改正值，也可以手工校正測距陣列的三個螺絲直到誤差O ;乩牌上帶彩色方塊，尺寸固定，如果掃描的色塊尺寸不同，校正攝像頭，雙攝像頭左右距離可校正固定螺旋，各攝像頭上下距離也可校正；數碼立體眼鏡固定在設備上，其位置固定，其誤差影響測量人員的觀測視差，但位置誤差對視差影響很小，不需要校正，加速度計與陀螺儀的固定誤差通過RTK修正，軟件自動改正，也不需要校正。
[0055]本設備可以錄制施工過程的3D立體視頻，通過蘭牙輸入PDA或平板電腦采用左右屏的mp4格式存貯，也可以將3D視頻輸出到數碼立體眼鏡觀看，數碼立體眼鏡可以與設備分離后單獨掛在頭上使用，可以通過語音控制PDA或平板電腦播放、暫停，可以播放3D立體電影，也可以玩專門開發的3D游戲等娛樂，但需要開發相應的軟件。
[0056]下面以公路路基測量為實例介紹本發明三維可視化系統的實施方式:
[0057]如果已完成了道路控制點的復測與聯測，將道路的設計模型輸入設備中，通過設備系統自帶的建模軟件輸入設計的平面線位數據，包括道路起點樁號方位角，各種平曲線的起點樁號、長度與彎向(左彎、右彎)、圓曲線半徑與緩和曲線長度等；也可以采用交點法，直接輸入起點、各曲線交點坐標與圓曲線半徑及緩和曲線長度或參數、終點坐標；再輸入縱向設計元素，包括起點設計高、樁號、縱坡，各豎曲線起點樁號、曲線長、凹凸性、半徑，終點樁號等，或者交點法只輸入起點設計高與各豎曲線交點樁號與設計高及半徑和終點樁號及設計高；輸入橫向設計模板，包括設計橫坡與超高的起終點樁號及超高方式，路面結構層厚度，加寬樁號與加寬漸變方式等，填方與挖方的排水溝設計、邊坡及護坡道寬與橫坡，有時高填與高挖方分臺階設平臺、平臺截水溝都需要輸入橫向設計模板中。平縱橫設計模板輸入設備后道路的三維設計模板建立了，利用設計模板可計算道路路基的設計高，中線坐標等。可以采用本設備測量道路的平面設計圖與縱向設計及橫斷面圖。下面分別介紹本設備如何用于道路測量。
[0058]道路斷面測量:采用RTK測量斷面圖，需要開通C0RS，如果沒有CORS網絡只能采用架設基站方法，這與一般的RTK測量一樣，事先作點校正求算當地坐標轉換參數，需要對控制點，專用支架(強制對中桿)支撐后置平設備，支架可升降可讀儀器高，將設備氣泡上圓氣泡居中，采用RTK測量坐標，采用三個以上的點作點校正，同時校正慣性定位系統的初始角度。裝載設計模板，測量人員帶本設備沿設計中線方向走動以采集原地面三維點云形成設計的模型，如果舊路改造工程將本設備置于車上同車載測圖系統一樣。回到室內將采集的設計模板與原地面三維點云合并得到道路的設計模型，可由設計模型計算各樁號的斷面，繪制路基平面設計圖、縱向設計圖、橫斷面圖與工程量表等。這種方式繪斷面圖采集的點多，因而精度高，計算時可以任意改變間距，如果20m計算一斷面，1m或者5m繪制一斷面圖計算工程量，電子版三維模型可以保存，如果設計變更除平面曲線位置變外直接修改設計模板，對于平曲線變了位置，高差變化大地區需要重新測量原地面。由于RTK高程擬合精度受當地高程異常變化的制約，本系統只適應平原微丘地區斷面測量或小范圍斷面測量。
[0059]道路的施工放樣測量:開始使用之前需要作點校正，如果基站架設控制點作過點校正，任務已保存，基站架設在同一點或已校正點上，直接打開原任務設定基站而不必作點校正，原參數直接使用，如果采用網絡CORS參考站，測區所有控制點校正求算了總的參數也不必校正，打開原任務直接測量，但需要利用RTK校正慣性系統(初始化陀螺儀與加速度計)，將本設備任意置于一個位置，接受RTK坐標，再置于另一個任意位置接受RTK坐標設定慣性系統方位與初始位置。施工放樣之前，軟件在設計模型上利用設計數據生成設計的樁位樁號，橫斷面法線方向線等，需要放樣的點在模型上以線標出，將數碼立體眼鏡固定于本設備上，調整眼間距與上下距離，將距離數據輸入PDA或平板電腦計算數碼立體眼鏡左右光心相對坐標，利用蘭牙與數碼立體眼鏡通訊，放樣掃描時電腦通過計算顯示數碼立體眼鏡光心視向所看模型的彩色平面圖形，測量人員通過左眼與右眼不同的視向平面圖形看產生立體效果，如同眼直接觀看施工實體相似，帶有道路左中右邊線與法線方向線及樁號，測量人員靠近“點位”打測量標志樁，同時模型上看到已釘的樁與設計樁位線，當然在模型上也能看到施工人員與位置。帶著本設備走動，各樁位設計十字線也隨模型移動到測量人員眼前。同樣可以在三維模型上生成各百米樁位置放樣百米樁，路面車行劃線等。施工的實體模型上可以分段計算已完工程量與剩余工程量，可以顯示已施工的高程與設計高差。本設備置于平地機、推土機上做精細化施工時，置于施工機械頂只需要PDA或平板電腦不需要數碼立體眼鏡，如果設備沒有駕駛室，可頭戴設備采用數碼立體眼鏡進行施工。放樣時需要高速掃描實物，調整掃描測距儀到快速掃描，如每秒掃描一周。
[0060]隧道內測量:在隧道內因為無法接收GPS衛星信號，只能采用慣性導航系統計算設備中心坐標，為了減少陀螺儀及加速度計的時間漂移誤差影響，每隔固定的時間與洞內控制點校正。在隧道內測量需將隧道設計模型輸入PDA或平板電腦中形成設計模型，實測模型與設計模型定位重合后可直接看到隧道施工超、欠挖的位置及范圍大小，指導施工修正。
[0061]道路的竣工測量:同道路的斷面測量一樣，道路已完工，本設備可置于車輛上作竣工測量，同車載測量系統一樣，存貯數據在室內可以直接繪制道路的竣工圖，竣工圖直接可以用本系統軟件顯示3D數字立體模型。
【權利要求】
1.三維可視化測量系統，其特征在于該測量系統包括GNSS接收機、慣性定位系統、激光掃描測距儀、3D數碼攝像機、備用GNSS基站及發射電臺、帶有顯示屏的數碼立體眼鏡以及PDA或者平板電腦；所述GNSS接收機帶有移動網絡模塊與內部電臺，所述數碼立體眼鏡能夠固定于設備上也能夠與設備分離，所述數碼立體眼鏡及PDA或平板電腦都帶蘭牙通訊模塊；所述PDA或者平板電腦中帶有所述測量系統的數據處理軟件。
2.根據權利要求1所述的三維可視化測量系統，其特征在于所述PDA或者平板電腦除了觸摸屏手指操作外還帶有語音識別軟件，所述測量系統的數據處理軟件能夠進行語音控制，所述慣性定位系統、激光掃描測距儀的數據采集時鐘與GNSS時鐘同步。
3.根據權利要求1所述的三維可視化測量系統，其特征在于所述激光掃描測距儀的掃描測距陣列繞中心主測距單元作360°旋轉掃描測距，各個測距單元除了主測距單元在陣列中心外，從測距單元沿從中向外沿漸開線弧線等間距步置，掃描時測距組件以主測距單元為中心順時針或者反時針轉動，測距與旋轉角度大小通過步進電機控制，每個測距脈沖步進一個角度，轉動速度能夠改變。
4.根據權利要求1所述的三維可視化測量系統，其特征在于所述慣性定位系統采用與GPS - RTK聯合測量方式，所述掃描測距儀進行一次距離測量的同時慣性定位系統采樣一次設備的三軸姿態角與三軸加速度值，所述慣性定位系統在一個GPS-RTK測量并計算設備相位中心三維坐標的數據輸出周期內利用陀螺儀三軸姿態角和三軸加速度值計算并修正設備相位中心坐標。
【文檔編號】G01C3/00GK104236522SQ201410440475
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】陳曙霞 申請人:中國十七冶集團有限公司