[发明专利]一种大型复杂曲面测量系统进行复杂曲面采样的方法

摘要

本发明涉及一种大型复杂曲面测量系统及其应用，该测量系统包括底座、水平支架、俯仰支架及计算机；水平支架设置在底座上，俯仰支架与水平支架连接，在俯仰支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。利用该测量系统通过点激光定位、线激光采样、相机获取图像数据的方式进行，通过摄影方式获取图像，再利用摄影测量原理计算像点的实际坐标，最后通过数据拼接在同一坐标系下进行复杂曲面的数据重建，该测量系统及采样方法在保证精度的情况下，简化了测量过程，减少了测量次数，大大提高了测量效率。

主权项

一种大型复杂曲面测量系统进行复杂曲面采样的方法，所述大型复杂曲面测量系统包括底座、水平支架、俯仰支架及计算机；所述水平支架设置在底座上，俯仰支架通过转轴与水平支架连接，在俯仰支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接，其特征在于，包括以下步骤，一、单一测量区域的数据采样及解算：(1)将被测物体外表面划分为n个测量区域，每一测量区域为一独立测站，测量系统放置在某一测量区域i的正前方，调整测量系统的位置，使测量系统中相机拍摄的边界位置覆盖该测量区域i；(2)在测量区域i的左上角确定测量的位置起始点及在测量区域i的右下角确定测量的位置终止点，启动测量系统并通过计算机程序进行控制，然后按如下步骤进行测量：①激光测距仪发射点激光到测量区域i，调节水平支架和俯仰支架使点激光垂直于测量区域i的表面，此时点激光在测量区域i表面的垂足作为该测站的基准位置点，以测量系统在该位置时的系统空间坐标系作为该测站的基准坐标系；②调节水平支架和俯仰支架使点激光射到位置起始点并获取该位置时测量系统的位姿坐标；再调节水平支架和俯仰支架使点激光射到位置终止点并获取该位置时测量系统的位姿坐标；③扫描测量：设置单站测量时测量系统的水平步距角和俯仰步距角，从位置起始点开始根据设置的水平步距角和俯仰步距角，按照“正向从左向右，反向从右向左”的顺序逐行扫描被测物外表面，扫描过程中，对于被测物的任意扫描位置点Qj，激光测距仪发射点激光到Qj，记录相应的激光测距距离Lj，同时记录水平支架和俯仰支架分别相对于基准位置点转过的角度φj和ωj；其中一台相机拍照，获得点激光照片Gj，关闭激光测距仪，打开线激光发射器发射线激光，两台相机同时拍照获得两张线激光照片LAj和LBj；然后关闭线激光发射器，打开激光测距仪，水平支架或俯仰支架转动一个步距角使点激光对准下一扫描位置点Qj+1位置进行扫描测量；依次对测量区域i的每一扫描位置点进行扫描测量，到位置终止点结束，获得相应扫描位置点的点激光照片与线激光照片；(3)对测量区域i扫描测量完成后，解算测量区域i的三维点阵数据：①初始化两台相机和激光测距仪点激光中心的元素，其中每台相机都有3个内方位元素和6个外方位元素：内方位元素包括像主点相对于影像中心的位置x0、y0以及镜头中心到影像面的焦距f，外方位元素包括3个用于描述镜头中心相对于系统空间坐标系位置的线元素XS，YS，ZS和3个用于描述影像面在摄影瞬间空中姿态的角元素ω、k，激光测距仪点激光中心在系统空间坐标系中的坐标为(0,0，Zcj)；②读取点激光照片Gj中位置点Qj对应的图像坐标(x1j，y1j)；根据(x1j，y1j)在线激光照片LAj中确定其对应的图像坐标点①，以点①为首采样点P1，并将其作为基准点，分别沿着y轴正负方向每间隔△y像素进行采样，得到一组采样点Pk，k＝2,3,4,…，则Pk的y坐标为ykj＝y1j±(k‑1)×△y，其x坐标按照最大像素值原则确定；③取另一相机线激光照片LBj上一组采样点的y坐标与LAj中一组采样点的y坐标相同，按照最大像素值原则确定其x坐标，最终确定该台相机线激光照片LBj的一组采样点Ph，h＝1,2,3,4，…的图像坐标为(xhj，yhj)；(4)按如下公式(Ⅰ)，利用两台相机的3个角元素分别计算其各自的转换矩阵R：再根据各采样点的图像坐标(x，y)，按照公式(Ⅱ)反算其在当前测量位置系统空间坐标系下的三维坐标(X,Y,Z),可分别求得一组采样点Pk，k＝1,2,3,4,…和Ph，h＝1,2,3,4,…所对应的空间点列Sk，k＝1,2,3,4,…和Sh，h＝1,2,3,4,…；x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)Z=Zcj-L---(II)]]>对空间点列Sk，k＝1,2,3,4,…和Sh，h＝1,2,3,4,…上的两个相同位置处的采样点的坐标取平均值，得到该扫描位置点Qj所获取的一组采样点在系统空间坐标系下的三维坐标Ss，s＝1,2,3,4,…；(5)利用公式(Ⅲ)将步骤(4)中解算出来的Ss，s＝1,2,3,4,…的三维坐标转换到该测站的基准坐标系下；Sj＝C+RjSs  (III)式中，Sj为一组采样点Ss在该测站基准坐标系下的坐标矩阵，Sj＝[Xj，Yj，Zj]T；Rj为变换矩阵R，由扫描位置点Qj对应的角度(φj，ωj，0)代入公式(Ⅰ)求得；Ss为一组采样点Ss的坐标向量，C为常数矩阵，C＝[0,0,Zcj]T；(6)按步骤(2)‑(5)所述方法完成各扫描位置点Qj，j＝1,2,3，…的图像数据采样及解算，最终得到测量区域i在该测站基准坐标系下的三维点阵；二、相邻测量区域的数据拼接：(7)在两个相邻测量区域重叠的公共区域上布置9个拼接控制点；(8)利用测量系统按照“一、单一测量区域的数据采样及解算”中所述的方法对测量区域i进行测量，得到该测量区域i在该测站基准坐标系下的三维点阵Su，u＝1,2,3,4,…；保持测量系统在该测站位置不变，调整测量系统使其发射的点激光依次对准9个拼接控制点，并利用两台相机获取拼接控制点的图像数据，然后按照“一、单一测量区域的数据采样及解算”中所述的方法计算出9个拼接控制点在该测站基准坐标系下的对应点J1i(XJ1i,YJ1i,ZJ1i)，i＝1,2,3,4,…,9；(9)将测量系统移到相邻测量区域i+1的正前方，首先按照“一、单一测量区域的数据采样及解算”中所述的方法获取该测量区域i+1在该测站基准坐标系下的三维点阵Sd，d＝1,2,3,4,…，保持测量系统在该测站位置不变，调整测量系统使其发射的点激光依次对准9个拼接控制点，并利用两台相机获取拼接控制点的图像数据，然后按照“一、单一测量区域的数据采样及解算”中所述的方法计算出9个拼接控制点在该测站基准坐标系下的对应点J2i(XJ2i,YJ2i,ZJ2i)，i＝1,2,3,4,…,9；(10)分别计算拼接控制点J1i，i＝1,2,3,4,…,9和J2i，i＝1,2,3,4,…,9的重心坐标G1(XG1,YG1,ZG1)和G2(XG2,YG2,ZG2)；分别以重心点G1和G2为原点，建立两重心坐标系，两重心坐标系的坐标轴方向与各自的基准坐标系一致，则两重心坐标系之间的转换矩阵R′可由式(Ⅳ)求得：R′=ab0-ba0001---(IV)]]>式中，a=19Σi=19[(XJ2i-XG2)(-XJ2i-XG1)+(YJ2i-YG2)(YJ1i-YG1)(XJ1i-XG1)2+(YJ2i-YG2)2]]]>b=19Σi=19[(YJ2i-YG2)(XJ1i-XG1)+(XJ2i-XG2)(YJ1i-YG1)(XJ1i-XG1)2+(YJ2i-YG2)2];]]>(11)利用公式(Ⅴ)将测量区域i的三维点阵Su，u＝1,2,3,4,…转换到测量区域i+1的基准坐标系下，得到S′u，u＝1,2,3,4,…，S′u＝(Su‑G1)R′+G2  (V)式中，S′u为三维点阵Su转换到测量区域i+1的基准坐标系下的坐标矩阵，S′u＝[X′u，Y′u，Z′u]T；Su为三维点阵Su在测量区域i的基准坐标系下的坐标矩阵，Su＝[Xu，Yu，Zu]T；G1和G2分别为重心点G1和G2的坐标矢量，G1＝[XG1,YG1,ZG1]T，G2＝[XG2,YG2,ZG2]T；(12)按照步骤(7)‑(11)所述的方法，依次将各测量区域基准坐标系下的坐标转换到下一测量区域基准坐标系下，即完成各测量区域点阵数据的拼接。