[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

说明书

本发明公开了一种三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法。其实现步骤为：(1)建立扫描仪坐标系；(2)测量棱镜坐标；(3)测量目标的三维数据；(4)判断是否完成测量；(5)判断全站仪与三维扫描仪之间的距离是否大于30米；(6)测量棱镜坐标；(7)移动全站仪；(8)完成目标的三维数据测量。本发明使用三维扫描仪进行三维数据测量，不需要借助其他地理信息就能够获得目标的三维数据，使得本发明更好地适用于对各种目标进行三维数据测量。本发明采用三维扫描仪与全站仪相结合的方式，使得本发明能够连续对大型目标进行三维测量，并同时对三维数据进行粗配准。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及三维重建技术领域中的一种三维扫描仪与全站仪相结合的大型场景三维数据测量的方法。本发明可用于大型场景中利用全站仪测量三对对应点数据进行三维数据的配准。

背景技术

三维数据无论是在模型重建还是逆向工程中都起着关键性作用。利用全站仪与三维扫描仪相结合获取大型场景的三维数据，可进一步通过全站仪获取三对对应点，减少对三维数据操作的复杂度，方便快捷获取三维数据并实现数据拼接。目前三维数据的测量方法主要是利用三维扫描仪进行测量。

中铁第四勘察设计院集团有限公司在其申请的专利文献“隧道岩层产状三维测量方法”(专利申请号：201310129397.X，申请公布号：103207419A)中公开了一种隧道岩层产状三维测量方法。该方法以Google Earth(谷歌地图)提供的海量DEM(高程图)、影像等地理信息为数据源，利用Google Earth COM API(谷歌地图接口)实现从Google Earth(谷歌地图)上获取岩层分界点数据，进行岩层面拟合，计算岩层产状，并通过标记语言实现岩层面以及岩层产生要素的可视化显示。该方法存在的不足之处是，依赖于Google Earth(谷歌地图)提供的海量DEM(高程图)、影像等地理信息为数据源，对于Google Earth(谷歌地图)上未有的岩层数据，无法实现对其进行三维测量。

马玉琼，郑红伟，王伟，张玉珮在其发表的论文“薄壁类零件三维数据测量方法探索”(信息技术，2015，TP391.4)中提出了利用三扫描系统测量零件的三维点云数据的方法。该方法利用拍照式三维扫描系统测量三维数据和Stereo-3D及Geomagic Studio两款软件进行数据处理，获得反映叶片真实集合形态的曲面结构。该方法存在的不足之处是，实验器材昂贵，并且需要借助多种软件对三维数据进行处理。

发明内容

本发明的内容是针对上述现有技术的不足，提出一种三维扫描仪与全站仪相结合的三维数据测量方法。

本发明实现的具体思路是：首先扫描上固定一个带有两个棱镜的横杆，然后以扫描仪中心为坐标原点，横杆方向为Y轴，竖直向上为Z轴建立右手坐标系。然后转动扫描仪之后使用全站仪测量两个棱镜坐标，三维扫描仪扫描获取三维数据。扫描仪扫描结束时，使用全站仪测量两个棱镜坐标。通过全站仪两次测量两个棱镜的坐标能够将扫描仪获取的三维数据变换到全站仪坐标系下，实现三维数据的拼接。使用全站仪测量棱镜坐标能够获得三对对应点，将三维扫描仪获取的三维数据变换到全站仪坐标系下，实现三维数据配准。对于大型场景进行三维数据测量时，全站仪距离扫描仪太远，需要移动全站仪位置，借助棱镜坐标能够获得全站仪移动前与移动和的位置关系，实现对大型场景的连续测量。

本发明实现的具体步骤包括如下：

(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；