[发明专利]一种适用于海洋油气平台的三维激光扫描方法

权利要求书

1.一种适用于海洋油气平台的三维激光扫描方法,其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）根据海洋油气平台的大小来布置靶标，包括水平和垂直方向，一般采用4个或者4个以上；

（2）对所扫描平台的三维模型进行投影测量，投影多为矩形，做投影矩形的外接圆，找到外接圆的任一外接三角形，并根据模型的投影标记实际平台投影的三个顶点；

（3）利用三维激光扫描仪分别在外接三角形的三个顶点处进行平台的站点测量，每个站点测量完成后对靶标进行扫描，得到靶标的中心坐标；

（4）利用小型飞行器携带三维扫描仪在海洋平台中心处上空进行俯视三维扫描，扫描测量完成后同样对靶标进行扫描；

（5）在A、B、C、D四个站点出分别进行3次扫描测量，对每个站点处的扫描数据求均值；

（6）将地面扫描数据通过线路传输至电脑，飞行器上扫描数据通过WiFi无线网络传输到电脑，统一坐标系后得到扫描结果。

2.根据权利要求1所述一种适用于海洋油气平台的三维激光扫描方法,其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）根据平台的大小来均匀布置靶标，包括水平和垂直方向，一般采用4个或者4个以上，水平方向两两靶标之间的间距在50m以内，垂直方向两两靶标之间间距在20m以内，靶标的分布中心与平台的中心位置重合，每个标靶的姿态保持一致；

（2）对所扫描平台的三维模型进行投影测量，标记投影的顶点位置，投影多为矩形，以投影矩形的任意三个顶点做其外接圆，再做该外接圆的任意三条切线，然后分别延长三条切线，直至三条线两两相交,此时得到该外接圆的外切三角形，标记其三个顶点A、B、C，即扫描站点的位置，再根据模型的投影标记实际平台地面投影的三个顶点，这种站点数量和站点位置的确定方案极大地缩短了扫描时间和成本，提高了扫描效率；

（3）利用三维激光扫描仪分别在外接三角形的三个顶点A、B、C处进行站点测量，每个站点处通过三维激光扫描仪扫描的方位角α，俯仰角β，扫描起点到扫描表面的距离L转换得到扫描表面的点的三维坐标

其中方位角α为扫描头在xoy平面内转过的角度，俯仰角β为扫描头绕竖直y轴转过的角度，三维直角坐标系为各站点处坐标系；

在每个站点对平台表面完成扫描测量后，要对4个靶标进行扫描，用最小二乘法计算得到每个坐标系下靶标中心的三维坐标，通过同一靶标在不同坐标系下的三维坐标，可以得到不同三维直角坐标系之间的转换参数，包括旋转参数和平移参数，靶标起到了公共点坐标系转换的作用；

具体的转换参数求解以坐标系B坐标转换到坐标系A中为例：

步骤一：取某一靶标在坐标系B中的坐标为，转换到坐标系A中的坐标为；

步骤二：先将坐标系B旋转至与坐标系A轴向相同，然后再将坐标系B平移至与坐标系A重合；转换关系为，其中为由坐标系B旋转至坐标系A的的旋转矩阵，为坐标系B的原点平移到坐标系A中的原点的的平移矩阵；

设，，则

（1）

步骤三：已知4个靶标在坐标系A中的坐标值分别是，在坐标系B中的坐标值分别是；4组坐标代入方程（1）中，求解方程组即可得到旋转矩阵和平移矩阵；

（4）利用小型飞行器携带三维扫描仪在海洋平台顶部中心处上空某点D处悬停进行俯视三维扫描，飞行高度在平台最高处+10m高度范围内，以满足扫描整个平台顶部的需求，三维坐标的转换如同步骤（3）中所言，扫描测量完成后同样对靶标进行扫描，A、B、C、D四个站点的扫描即可完成整个海洋平台的三维数据采集；

（5）在A、B、C、D四个站点出分别进行3次扫描测量，对每个站点处的扫描数据求均值，得到每个站点处扫描出的均值坐标；

以在站点A处扫描平台上点M为例：

在站点A处3次测量的点M坐标值分别为：，则点M的均值坐标为，其中

（6）将地面扫描数据通过线路传输至电脑，飞行器上扫描数据通过WiFi无线网络传输到电脑，以站点A测量时的靶标信息为基准，将其他三个测量站点B、C、D的扫描数据转换至A坐标系中，得到海洋平台完整的三维激光扫描数据；

具体的坐标转换以点P在坐标系B中坐标转换到其在坐标系A中坐标为例：

步骤一：取海洋工程模块表面一点P，其在坐标系B中的坐标，转换到坐标系A中的坐标为；

步骤二：P点坐标由坐标系B转换至坐标系A中的坐标转换关系为，其中为由坐标系B旋转至坐标系A的旋转矩阵，为坐标系B原点平移至坐标系A原点的平移矩阵；

步骤三：由步骤（3）得到参数矩阵，，将其代入步骤二中坐标转换关系公式中，即可算出点P在坐标系A中的坐标。