一种基于三维实景模型的空间同步定位和信息记录系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空间同步定位和信息记录的系统，特别是一种可应用于建构筑物 领域帮助信息采集设备所捕捉的位置在三维实景模型实现同步定位并进行信息记录的系 统。 技术背景
[0002] 目前在工程检测中，虽然可以通过图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等实现远 程捕捉大型建筑物上的开裂、钢筋裸露、热量泄露、变形等缺陷，但是对于缺陷所在位置真 实坐标系的定位和标记，却没有很好的解决方法，给后续的改进、修缮、监测等工作带来不 小的困难。比如，就图像采集来说，当捕捉到的缺陷较小，而建筑物较为规则，表面缺乏明显 可识别特征时，就难以为图像捕捉到的缺陷进行定位，只能耗费大量的人力寻找发现的缺 陷的位置。即便找到的缺陷进行修复之后，需要再次对后续的质量进行评估也无法准确的 定位，还需要人工重复前面寻找的工作。
[0003] 而此前解决这类问题采用比较低效的方法，比如在规则建筑物表面建立识别特 征。例如，核电站反应堆的保护罩的安全检测需求较高，但因为表面是一个较为规则的圆柱 面，因此没有可识别的特征。国内旧有的方法是在核电站保护罩的表面纵向划分区域，每个 区域都用数字标记。当图像采集设备捕捉到缺陷时，同时需要找到和记录所在区域的数字 标记，维修时还需要人工进行坚向查找。这种方法除了需要耗费大量人工，同时精确度也不 够。
[0004] 另一种力图解决定位问题的方法，也主要应用在图像捕捉方面，就是首先建立观 测对象的CAD模型，再利用CAD模型对图像捕捉仪器观测到的缺陷进行空间定位，并且将捕 捉到的图像关联在观测对象CAD三维展开图上。这种方法较前面特征标记的方式有了很大 的进步，是一种相对智能的方法。在法国等西方国家已经有公司研发了类似解决方案和系 统。但是这种方法仍然存在许多缺点，首先CAD模型和观测对象的真实情况存在一定的差 距，对于精度要求较高信息无法准确的从模型中反应出来；而CAD展开图这种二维效果的 可视化不够高，记录的信息单一，目前只能用于图像信息的记录，有很大的改进的空间；同 时这种方法的技术门槛很高，价格昂贵，没有成为普及的解决方法。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术不足之处，并且进一步在智能化、可视化、精确性上进行突 破，本发明运用新兴的三维激光扫描技术，对观测对象及其周围环境进行三维实景复制，建 立基于点云数据的真实模型。三维激光建模技术又称为实景复制技术，被认为是继GPS空 间定位系统之后测绘技术领域的一项革命性突破，具有非接触性、快速性、高密度、高精度、 数字化、自动化等特性，并且正在逐步被应用在工程中。因为该技术建立的是实景模型，因 此模型中的空间数据具有非常大的价值。本发明正是以该模型为基础搭建软件平台，作为 后面的信息记录平台。
[0006] 建立数据模型之后，通过建立具有激光定位和信息传输功能的万向云台作为搭载 图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等信息采集设备的硬件平台。该平台能够将激光照 射的目标点，经过一系列数据计算和处理，与前面所述三维实景模型中的该点，实现同步定 位。
[0007] 最后，该系统将万向云台搭载的图像采集仪、热影像仪、变形监测仪器等信息采集 仪器获取的信息，传输到三维模型所在的位置，记录下来。如此，数据采集仪器采集的信息 和采集对象的真实三维模型之间实现了同步定位和信息记录。
[0008] 具体来说，本发明专利所述系统通过以下方案来实现：
[0009] A、搭建基于观测对象的三维实景数字模型的软件平台。步骤如下：
[0010] 1.用三维激光扫描仪对观测对象及其周围环境进行扫描。这个过程中，观测对象 作为建立模型的主体，需要对其表面的三维数据进行全面采集，不能有遗漏。采集观测对象 周围的数据主要是为了后面可以获得观测点的三维信息，因此范围不需要过大，够用即可。
[0011] 2.将三维激光扫描仪获取的点云数据，导入计算机的三维数据处理软件，进行点 云拼接、去除、降噪、封装，生成曲面并优化，最终建立彩色的三维实景模型。
[0012] 3.将三维实景模型导入所开发的可以和万向云台采集的数据进行转化和同步的 软件中，建立信息存储和管理平台。
[0013] B、构建基于万向云台的定位仪。定位仪主要包括下面的模块：
[0014] 1.万向云台：即能够进行全方位转动的平台，内部有两个电机，一个驱动水平360 度旋转，另一个驱动上下角度的转动。并且转动精度高，每一次转动的数据都能自动记录。
[0015] 2.激光定位模块：即在万向云台上发射激光为观测点定位的模块，使激光照射点 为观测目标。
[0016] 3.计算模块：内置于万向云台计算软件模块，可根据之前记录的已知靶标点坐标 和自身坐标，结合自身转到观测点的水平和垂直角度，计算出观测点的坐标。
[0017] 4.搭载采集仪器模块：这个模块主要是用来搭载数据采集仪器，如图像采集仪、 热影像仪、变形监测仪器等，保证这些仪器采集数据时与激光同轴，使得激光照射点即为仪 器数据采集的中心。
[0018] 5.数据的存储模块：数据存储主要有万向云台本身的位置信息、激光照射目标点 信息和所搭载的数据采集仪器采集的信息。
[0019] C、数据处理、传输和同步定位：
[0020] 1.数据传输：本发明实现包括万向云台的数据和计算机端的数据可通过wifi和 数据线的相互传输。
[0021] 2.数据处理：本发明在数据处理功能上，首先，万向云台自身的软件能将目标点 的信息进行转换，以便接下来可以在观测对象的三维实景模型中定位；同时，让采集仪器获 取的数据通过处理，可以输出到计算机端的三维实景模型软件平台使用，并且在模型中标 记和关联起来。
[0022] 3.同步定位：本发明所述的同步定位，可在计算机的实景模型中进行可视化操 作，选择某个点时，可控制万向云台，在观测对象中定位到该点；也可以通过遥控万向云台， 定位到某点时，计算机端的三维实景模型也同步移动到该点。
[0023] 本发明专利的有益效果是：
[0024] 本发明专利用三维激光扫描技术获取被观测对象的点云数据建立三维实景模型， 其空间数据价值高，可进行可视化操作，记录信息直观；本发明同步定位和自动记录实现自 动化、智能化、数字化，在测量、搜索缺陷、记录信息等方面大量替代人工操作，大大提高效 率和节约成本；对已经记录的信息，可在模型中逆向操作，控制万向云台对维修之后缺陷位 置进行重复检查；万向云台定位仪可搭载可多种信息采集仪器并且接口可以不断扩展，让 多种数据采集仪器通用一套硬件平台；同时，实现采集信息和空间信息全数字化，以三维数 字空间为容器，融合记录多维信息，便于管理、分析、分享、协同工作和永久保存。
【附图说明】
[0025]图1为三维实景建模流程图；
[0026] 图2为核电保护罩点云效果图；
[0027] 图3为核电保护罩点云模型图；
[0028] 图4为核电保护罩三角化模型图；
[0029] 图5为系统工作示意图，其中1.被测对象，2.缺陷，3.靶标，4.三维实景模型， 5.计算机，6.数据线,7.三脚架,8.万向云台，9.激光定位仪，10.搭载平台
[0030] 图6为定位原理图
[0031] 图7为万向云台定位仪转角和空间关系图
【具体实施方式】
[0032] 下面我们结合附图和具体实例对本发明作进一步的说明：
[0033] 如图1所示，为建立观测对象的三维实景模型的过程，分为以下五个步骤：
[0034] 1.张贴定位靶标：张贴靶标的总数量根据扫描对象所需要的扫描站数而定，每一 站需要在扫描对象上贴5个以上的靶标(不共线，不共面)，并且两站扫描之间，至少需要有 两个共同的靶标。这些靶标将作为点云拼接的特征点，以及建立空间坐标系的特征点。
[0035] 2.三维激光扫描：即用三维激光扫描仪将被测物体的表面的空间信息进行采集， 为后面建立三维实景模型的数据基础。
[0036] 3.点云数据处理：对三维激光扫描仪获取的点云数据