[发明专利]三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法

权利要求书

1.一种三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)建立三维扫描仪坐标系：

(1a)使用全站仪，分别测量桌面6个反光片的三维坐标，将每个三维坐标组成一个列向量，6个列向量组成一个3×6的矩阵，利用奇异值分解公式，对3×6矩阵进行奇异值分解，得到3×6矩阵的三个特征值，将三个特征值构成三维扫描仪放置平面的法向量；

(1b)使用全站仪，分别测量扫描仪位于初始状态时棱镜I和棱镜II的三维坐标，每次转动扫描仪后，全站仪测量棱镜I的三维坐标，共转动扫描仪5次，得到棱镜I的6个坐标，利用最小二乘法，计算棱镜I的6个三维坐标所在圆的圆心；

(1c)利用向量相交公式，计算三维扫描仪所在平面与桌面法向量交点的三维坐标值；

(1d)利用中心计算公式，计算三维扫描仪中心在全站仪坐标系下的三维坐标值；

(1e)以三维扫描仪激光中心为坐标原点，三维扫描仪设置于初始位置时，将棱镜I和棱镜II所在方向为Y轴，桌面法向量为Z轴方向，建立右手三维坐标系，并利用矩阵运算公式，计算三维扫描仪坐标系与全站仪坐标系之间的变换矩阵；

(1f)全站仪测量棱镜I和棱镜II坐标，利用矩阵相乘公式，计算两个棱镜在三维扫描仪坐标系下的坐标；

(1g)利用向量计算公式，分别计算三维扫描仪中心到两个棱镜的距离；

(2)测量棱镜I和棱镜II的坐标位置：

(2a)三维扫描仪放在测量位置，顺时针方向手动转动三维扫描仪60度，用全站仪测量棱镜I和棱镜II的坐标位置；

(2b)利用牛顿迭代算法，计算在全站仪坐标系下三维扫描仪中心的三维坐标值；

(3)测量目标的三维数据：

(3a)将三维扫描仪测量时间设置为15分钟；

(3b)使用三维扫描仪采集目标位置的三维数据，全站仪测量棱镜I和棱镜II的三维坐标，利用对应点计算公式，计算三维扫描仪坐标系与全站仪坐标系之间的变换矩阵；

(3c)利用矩阵相乘公式，计算三维扫描仪与全站仪初始位置之间的变换矩阵；

(4)判断是否已经采集完目标的全部三维数据，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(5)；

(5)判断三维扫描仪与全站仪之间的距离是否超过30米，若是，则执行步骤(6)，否则，将三维扫描仪移动到测量目标的另一个未测三维数据的位置后执行步骤(2)；

(6)测量棱镜III坐标位置：

在距离三维扫描仪0.5米远的位置放置一个棱镜III，用全站仪测量棱镜III的三维坐标位置；

(7)移动全站仪位置：

移动全站仪至距离三维扫描仪10米远的位置，分别测量棱镜I，棱镜II和棱镜III的三维坐标位置，利用矩阵计算公式，计算全站仪移动前的位置和移动后额位置之间的变换矩阵；

(8)完成目标的三维数据测量。

2.根据权利要求1所述的三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法，其特征在于：步骤(1b)中所述最小二乘法如下：

其中，f表示叠加和的最小值，min表示求最小值操作，∑表示求和操作，表示求平方根操作，x_i，y_i和z_i分别表示全站仪第i次测量棱镜I在X轴，Y轴和Z轴方向的值，i＝1,2,...,6，x_op，y_op和z_op分别表示棱镜I的6个三维坐标轨迹圆的圆心在X轴，Y轴和Z轴方向的值，r表示棱镜I的6个三维坐标轨迹圆的半径。

3.根据权利要求1所述的三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法，其特征在于：步骤(1c)中所述向量相交公式如下：

x_sx+y_sy+z_sz+1＝0

其中，x，y和z分别表示三维扫描仪所在平面与桌面法向量的交点对应X轴，Y轴和Z轴方向的值；x_s，y_s和z_s分别表示桌面法向量对应X轴，Y轴和Z轴方向的值；x_op，y_op和z_op分别表示棱镜I的6个三维坐标轨迹圆的圆心在X轴，Y轴和Z轴方向的值。