具有扫描功能性和可选择的扫描模式的全站仪的制作方法

具有扫描功能性和可选择的扫描模式的全站仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有扫描功能性和可选择的扫描模式的全站仪（1）。该全站仪具有电光距离测量单元（11）和扫描功能性以及分析单元，该分析单元用于分析记录的测量信号数据并且将其转变成用于点云的扫描点（36），由此能产生具有扫描点（36）的点云。根据本发明，距离测量单元（11）被构造成，使得距离测量能借助运行时间测量和波形数字化（WFD）被执行。另外，全站仪具有提供至少两个扫描模式的程序存储单元，其中所述至少两个扫描模式至少在测量频率方面不同，即在每单位时间的扫描点的数量方面不同。本发明还涉及一种用于产生具有扫描点的点云的方法，以及一种计算机程序产品。
【专利说明】具有扫描功能性和可选择的扫描模式的全站仪

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种全站仪，一种产生具有扫描点的点云的方法以及一种计算机程序 产品。

【背景技术】
[0002] 现代全站仪典型地具有紧凑且一体构造，其中通常除了对准和/或瞄准装置以 夕卜，距离测量单元以及计算、控制和存储单元设置在装置中，其中距离测量单元与对准和/ 或瞄准装置同轴布置。此外，通常对准和/或瞄准装置的机械化是一体的。从现有技术已知 的全站仪能进一步具有无线电数据接口，用于建立至外部外围部件，例如至手持式数据采 集装置的无线电连接，该手持式数据采集装置能特别地设计为数据记录器或野外计算机。
[0003] 望远镜瞄准具或光学望远镜典型地作为对准和/或瞄准装置设置。望远镜瞄准具 通常能绕坚直枢轴线和水平倾斜轴线相对于全站仪的基部旋转，使得通过绕两个轴线中的 至少一个轴线枢转而使望远镜对准到待被测量的点上。
[0004] 扫描功能性能附加地作为辅助功能结合在全站仪中。扫描功能性能例如用来记录 物体或其表面(例如建筑物的那些表面）的形貌。为此，物体或其表面利用结合在全站仪中 的距离测量单元的激光束逐步被扫描。对于由激光束瞄准的每个点，表面点的空间位置通 过借助距离测量单元测量距被瞄准的表面的距离并且将该测量链接到激光发射的角信息 而被记录。
[0005] 现代全站仪与较早代的那些装置相比具有更快速的扫描功能性，其中瞄准单元的 更快速且精确的对准利用改进的控制电动机(其能更快速地致动并且更快速地动作，并且 性能更高）来实现。因此可以在相对短的时间内在预定扫描区域中记录多个点并且可以产 生对应的点云。
[0006] 文献US2010/0070229A1公开了具有扫描功能性的全站仪和用于测量物体的扫描 区域的扫描方法。该扫描方法包括将扫描区域分成彼此相邻的子区域，其中每个子区域均 具有待被测量的限定数量的点。在测量新的子区域中的点期间，使用为先前测量的相邻子 区域中被测量的至少一个相应的测量点的点信息的相应的项。这样，将使高测量精度和快 速大面积表面测量成为可能。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种全站仪和扫描方法，其允许物体的快速、精确且大面 积表面测量，并且非常用户友好并且同时易于操纵。
[0008] 全站仪具有基部，结构以及瞄准单元，所述结构布置在所述基部上并且能相对于 所述基部绕枢轴线枢转，所述瞄准单元布置在所述结构中并且能相对于所述结构绕倾斜轴 线枢转，所述倾斜轴线垂直于所述枢轴线。此外，所述全站仪包括用于测量距物体上的点的 距离的电光距离测量单元。所述距离测量单元具有发射单元，例如激光光源，用于发射脉冲 测量射线，该脉冲测量射线能借助所述瞄准单元来发射；以及检测器，用于接收在所述物体 上的所述点处被反射的所述测量射线。所述检测器以测量信号的形式记录反射的测量射 线。另外，所述全站仪具有角测量单元，例如，角度编码器，用于确定所述枢轴线和所述倾斜 轴线中的角位置；以及控制和处理单元，用于所述全站仪的数据处理和控制。此外，所述全 站仪具有扫描功能性，该扫描功能性借助所述控制和处理单元来控制所述距离测量装置和 所述瞄准单元，使得距离测量能以扫描方式执行，其中因此获得的测量信号能在所述扫描 功能性内借助分析单元通过以下步骤被分析：从所述测量信号确定至所述物体的距离并且 将两个立体角（坚直地和水平地对应于瞄准单元的角位置）分配给该距离，使得所述测量信 号被转变成扫描点。最后，表示所述物体的点云能从这些扫描点产生。
[0009] 根据本发明，所述全站仪的所述距离测量单元被构造成使得距离测量能借助运行 时间测量和波形数字化来进行。另外，所述全站仪具有程序存储单元，该程序存储单元提供 至少两个扫描模式，其中，所述至少两个扫描模式至少在它们的测量频率方面不同，即，每 单位时间确定的扫描点的数量方面不同。测量精度，即累积的测量信号（由其对扫描点进行 距离确定）的数量越高，测量频率越低。至待被测量的物体的距离还能被选择成越大，测量 频率越低。假定典型地在全站仪的扫描功能性中使用的测量射线的脉冲频率不变。
[0010] 波形数字化（WFD)基于典型地用于距离测量的信号检测的两个基本原理的结合。 第一基本原理基于根据阈值方法的测量信号检测，并且第二基本原理基于具有用于识别和 按照时间顺序位置确定信号的在下游连接的信号处理的信号扫描。运行时间并且因此由发 射单元发射的测量脉冲和目标脉冲(从目标物体反射的并且由检测器检测到的测量脉冲） 之间的距离从例如两个脉冲的顶点的时间间隔得出，其中脉冲如相位表中类似地被取样。 借助于根据本发明的利用WFD的全站仪，相对于现有技术中已知的全站仪能实现对于相同 的扫描区域的更精确且快速的距离测量以及因此总扫描持续时间的缩短。
[0011] 在本发明的优选实施方式中，在扫描功能性的范围内，瞄准单元能绕倾斜轴线和/ 或枢轴线枢转，使得发射的测量射线能绕两个轴线中的一个轴线以至少可枢转的方式连续 对准。对于逐步操作的常规的扫描方法而言，通过测量射线的连续枢转或对准，测量速度可 以被增大，并且因此总扫描持续时间可以被减少。在目标脉冲中可能形成的干扰（由于在 入射期间的连续扫描运动，物体的表面上的入射和反射脉冲的模糊）能在距物体已知距离 的情况下通过瞄准单元的角速度被补偿，借助于此，测量射线在物体上方被引导，适于该距 离。如果，除距物体的距离之外，另外的参数，诸如总扫描持续时间或分辨率以由使用者预 限定，例如，就这些参数对角速度进行优化，因此由控制和处理单元设定距离。
[0012] WFD还提供对用于分析这些"模糊的"信号的改进能力的贡献。
[0013] 在本发明的另一优选实施方式中，至少两个扫描模式借助程序存储单元提供；从 至少包含以下扫描模式的一组扫描模式中选择：
[0014] -扫描模式0,其具有每秒100, 000个扫描点的测量频率，其中从在0. 00001秒的 时间段内累积的相应的测量信号每秒100, 〇〇〇次确定距离，并且这距离被转变成一个扫描 点(距离和立体角）
[0015] -扫描模式1，其具有每秒1000个扫描点的测量频率，其中从1/1000秒内累积的 相应的测量信号每秒1000次确定距离，并且该距离被转变成一个扫描点(距离和立体角）；
[0016] -扫描模式2,其具有每秒250个扫描点的测量频率，其中从1/250秒内累积的相 应的测量信号每秒250次确定距离，并且该距离被转变成一个扫描点(距离和立体角）；
[0017] -扫描模式3,其具有每秒62个扫描点的测量频率，其中从1/62秒内累积的相应 的测量信号每秒62次确定距离，并且该距离被转变成一个扫描点(距离和立体角）；
[0018] -扫描模式4,其使测量频率自动适应于距物体的当前测量的距离。
[0019] 典型地，用于扫描点的水平和坚直立体角被存储为立体角，扫描点表不在这样的 时间段期间测量光束覆盖的路线的中间，即，在该时间段期间内用于距离测量值的记录的 测量信号被累积。对于上述扫描模式1至3,发射的测量射线的固定脉冲频率优选地是每 秒1，000, 000至2, 000, 000个脉冲。然而，还能想到发射的测量射线的其它固定地预限定 的脉冲频率，其中上述固定脉冲频率的选择也能被存储在程序存储单元中。上面指出的扫 描模式0和1表示在该脉冲频率下的扫描模式，其允许关于总扫描持续时间的非常快速的 扫描，但是当然由于此而不太精确，并且也仅适于分别达到150或200m (扫描模式0)或者 300或350m (扫描模式1)的至物体的相对短的距离。扫描模式2表不关于扫描速度和物 体距离的优化方案并且在达到400/450m的物体距离下提供合理的，S卩，足够精确的结果； 并且扫描模式3表示关于物体距离和精度的优化方案并且能合理地用于达到大约500m或 600m。当然，对于物体距离而言，物体的表面的反射率也扮演一定角色。在具有良好反射的 光滑表面的情况下，距离能被选择为稍大于差反射和/或粗糙表面的情况。
[0020] 除了上述扫描模式以外，当然，仍更多的扫描模式能被存储在程序存储单元中，其 提供另外的测量频率，例如，大于每秒100, 〇〇〇个扫描点、每秒50, 000个扫描点，每秒500 个扫描点的测量频率，每秒125个扫描点的测量频率，或者用于测量单个点或非常远的物 体，例如，lkm远，每秒一个扫描点的测量频率，其对应于"停和走"（单点测量）方法中的测 量。还能规定，使用者自己编程偏离于这些测量频率的测量频率并且将其作为扫描模式存 储在程序存储单元中。其他扫描模式也能被存储在程序存储单元中，这些其他扫描模式预 先与限定的固定预限定测量频率结合，而预限定例如各种固定预定的或动态分辨速率，或 者各种固定预定的分辨速率。
[0021] 作为另一扫描模式，具有不变分辨率，即，在每个测量扫描路线或测量面积上具有 不变的测量点密度的测量也能被存储在程序存储单元中。在该扫描模式中，瞄准单元的角 速度的连续适应的适应根据至待被测量的物体的距离而被执行，使得在扫描程序期间待扫 描的区域的测量点密度保持不变，并且在改变至物体的距离的情况下也保持不变，例如，在 复杂的建筑物结构的情况下。至待被测量的物体的距离在扫描期间被连续地(利用每个测 量脉冲）确定，或者以短时间间隔(取决于脉冲频率，以每三分之一、五分之一、十分之一等 测量脉冲）重复地确定。
[0022] 标准扫描区域也能被存储在程序存储单元中。这在测量装置中是有利的，利用该 测量装置，相同的扫描区域将频繁地被测量(例如，频繁全顶（frequent ful Ι-dome )记录或 180°扫描)。如果扫描区域未由使用者指定，则控制和处理单元能始终使用该标准扫描区 域。各种频繁使用的扫描区域也能被存储在程序存储单元中并且被提供给使用者，例如，当 他不指定自己的扫描区域，使得他选择其中一个扫描区域时。还可以想到，使用者通过来自 建议的扫描区域限定作为标准扫描区域的扫描区域，他限定自己的扫描区域并且将扫描区 域作为可选择的扫描区域存储在程序存储单元中，或者他还编程自己的标准扫描区域并且 将其存储在程序存储单元中。
[0023] 为了使用者能限定自己的扫描模式，在另一实施方式中，操作单元和程序存储单 元因此被设计。在扫描中由使用者因他的特殊目的而频繁需要的参数的组合能由他以这种 方式以单独的扫描模式的形式被编程并且被存储在程序存储单元中。
[0024] 因为根据本发明的全站仪执行连续扫描运动，因此如果要获得高效率，则物体的 表面上的入射和反射脉冲的较强"模糊"随着距待被测量的物体的距离增大或者随着扫描 速度增大而发生。在视觉术语中，代替"点形的测量光点"，一定数量的激光脉冲入射在该 "点形的测量光点"上，其中一定数量的激光脉冲的测量信号针对扫描点被累积，并且从"点 形的测量光点"，一定数量的激光脉冲被反射，一椭圆形的、更是"卵形测量光点"出现在物 体上，该卵形测量光点的延伸（=模糊(厘米)）随着物体更远离全站仪或者激光束的连续扫 描运动越快速（=瞄准单元的角速度）而变得越大。对于相应的扫描点，这导致测量精度的 降低。根据本发明，控制和处理单元因此构造成，使得瞄准单元的角速度适于在特定距离下 合理地被使用的距离或扫描模式。因此，例如，在每秒1000个扫描点的测量频率(适于达到 300m/350m的距离的扫描模式1)下，角速度比在每秒250个扫描点的测量频率(适于达到 400m/450m的距离的扫描模式2)下更快速。此外，处理单元构造成使得仅可从由程序存储 单元提供的扫描模式利用对使用者来说合理的扫描模式，即，具有"模糊"的扫描模式，该扫 描模式仍导致在至物体的预期距离处针对扫描点的合理的距离和立体角数据。
[0025] 例如，对于200m的恒定测量距离而言，以下值已经被证实是对于模糊的合理的极 限值(并且因此足够的精度或分辨率）：
[0026] 对于1000Hz的测量频率，S卩，每秒1000个扫描点，大约25cm的模糊：
[0027] 对于250Hz的测量频率，大约17cm的模糊；以及
[0028] 对于62Hz的测量频率，大约12cm至13cm的模糊。
[0029] 如上已经说明的，模糊被理解为这样的路线，S卩，测量光束在其中用于距离测量值 的测量信号被累积的时间段中分别以预定测量频率覆盖的路线。
[0030] 对于较小的距离，对于各个测量频率(扫描模式）而言，用于模糊的较小的极限值 相应地产生，例如，针对loom的距离下1000Hz产生大约13cm的模糊。
[0031] 如果设置在程序存储单元中的扫描模式的至少两个扫描模式对于使用者可用，则 使用者选择一个扫描模式。例如，根据至待被扫描的物体的距离和/或根据对扫描程序的 特定要求，例如对于测量速度或测量精度，能执行通过使用者选择的特定扫描模式。
[0032] 为了使用者在每一种情况下均知道全站仪操作的扫描模式，该信息能自动地或依 据使用者的请求被显示在全站仪的操作单元的显示屏上。
[0033] 在本发明的另一优选实施方式中，全站仪具有用于输入至少一个参数的操作单 元，其中参数能是如下的：至物体的估计或测量距离，测量射线的脉冲频率，扫描区，瞄准单 元的角速度，分辨率或总扫描持续时间。术语"总扫描持续时间"和"扫描持续时间"这里 被同义使用并且包括从测量开始，即，从测量信号的记录的开始直到测量结束的时间。
[0034] 在本发明的一个实施方式中，耦合至操作单元和程序存储单元的控制和处理单元 被构造成，使得由程序存储单元提供的至少两个扫描模式中的至少一个扫描模式取决于输 入至少一个参数而自动可用。这意味着，借助于控制和处理单元，由程序存储单元提供的扫 描模式中，合理的扫描模式与这些参数一起被确定，即，在这些参数下能够获得合理的扫描 结果(也就是说，具有足够的测量精度和/或分辨率的扫描结果）的扫描模式。在这个意义 上，合理的结果例如由足够大量的可被分析的测量信号并且由低范围噪声来区别。该范围 噪声合理地小于待被分辨的最小物体(例如，在亚毫米范围内的范围噪声)。因此，仅使这些 扫描模式对使用者可用，以供进一步选择。取决于输入参数，能使多个可选择的扫描模式对 使用者可用，或者，然而，还可以仅使一个扫描模式对使用者可用。还可以设想，由于输入参 数，由程序存储单元提供的扫描模式中没有一个输送满意的扫描结果。对于这种情况，控制 单元可以构造成使得使用者借助例如操作单元接收相应的信息，以然后进行一个或多个参 数的适应。
[0035] 在本发明的另一优选实施方式中，除了通过使用者输入至少一个参数并且选择扫 描模式之外，也能借助操作单元来选择自动选择功能性。使用者对扫描模式的选择也可以 从由程序存储单元提供的至少两个扫描模式中选择而被执行，即，没有发生预选可选择的 扫描模式。然而，从以下扫描模式中选择扫描模式能被执行，即，从由程序存储单元提供的 扫描模式借助控制和处理单元选择的并且对使用者可用的扫描模式。后者是这样的情况， 例如，在如上所述借助操作单元通过使用者输入一个或多个参数或借助距离测量单元通过 装置确定参数(例如，距离）的情况下。
[0036] 根据本发明，使用者能附加地借助操作单元选择自动选择功能性，使得装置自动 进行扫描模式的选择。自动扫描功能性能提前选择或在使来自由程序存储单元提供的扫 描模式的特定的合理的扫描模式对使用者可用之后被选择，其中，从由程序存储单元提供 的扫描模式中选择对使用者可用的合理的扫描模式基于关于至物体的距离、全测量持续时 间、测量精度和分辨率的优化来执行。对于每个扫描模式，瞄准单元的角速度根据距离借助 算法分别由控制和处理单元自动优化。仅使这些扫描模式可用，所述扫描模式在关于模糊 的这些优化标准下仍提供足够精确的结果(测量精度和分辨率)。
[0037] 如果使用者授权全站仪对扫描模式进行选择，则全站仪的控制和处理单元因此直 接从由程序存储单元提供的扫描模式中选择或者从作为合理的扫描模式已经对使用者可 用的扫描模式中选择，即，最满足关于给定条件下的全测量持续时间、测量精度、分辨率和 距离的竞争要求的扫描模式。在待被测量的物体非常远的情况下，例如，上述示例中控制和 处理单元将优选地选择扫描模式3,其中比扫描模式1中多16倍的测量点被累积以获得一 个扫描点。相反，在测量附近物体的情况下，扫描模式1将优选地被选择，这是因为该模式 要求短距离下较短的总扫描持续时间，但是仍输送足够精确的结果。因此，关于测量距离、 总扫描持续时间以及测量精度进行优化。
[0038] 如果在扫描程序开始之前或开始时选择自动选择功能，则完全自动地执行扫描模 式的选择。所关心的物体在一种预扫描中以非常粗糙的分辨率被扫描，并且通过该扫描，装 置因此自动确定对于确定合适的扫描模式所必须的参数，例如，至待被测量的物体的距离， 反射度（即，从物体反射的入射脉冲的强度)等。如果不能确定这些数据的各个项，则存在这 样的可能性，即，它们由使用者通过装置(例如借助操作单元）来查询。
[0039] 如上已经描述的，考虑到由使用者借助操作单元已输入的和/或已由装置自动确 定的参数，在对测量距离、测量精度、测量速度和分辨率进行优化的基础上，执行优化的合 适的扫描模式的自动选择。
[0040] 在本发明的另一优选实施方式中，记录的测量信号被在线分析，即，在扫描期间被 分析，并且被转变成用于点云的扫描点。在这种情况下总扫描持续时间除记录测量信号之 外还包括分析测量信号并且将其转变成点云的扫描点。为此目的，在扫描期间记录的测量 信号作为原始数据到达缓冲存储器中，该缓冲存储器特别地是暂时的。借助分析单元，测量 信号被分析，即，根据所选择的扫描模式被转变成用于点云的扫描点并且被存储在主存储 器中。如果例如利用扫描模式2执行扫描程序，则因此从在0. 004秒中分别累积的测量信 号每秒250次确定距离，相关联的立体角被确定，并且整体被存储为扫描点。以这种方式， 对于测量距离而言，可以获得针对每个扫描点的非常精确的距离测量值。从因此确定的扫 描点产生的点云仅仍要求相对于存储空间的存储容量的一小部分，原始数据将在主存储器 中占据所述部分。记录的测量点数据的在线分析使方法加速，并且附加地允许在野外，即， 直接在测量位置处并且在扫描之后立即表示具有扫描点的点云。在测量之后，使用者因此 不必等待结果和作为点云的表示。而且不必将在扫描期间记录的测量点数据传输到外部计 算机单元以便分析数据并且转换用于点云的扫描点，如在后处理期间常见的情况。然而，不 是不可能的是，分析记录的测量点数据并且将其转变成用于点云的扫描点可以在后处理步 骤中进行。
[0041] 如果全站仪配备有照相机，该照相机能形成待被测量的物体的图像记录，则还能 在在线分析期间基于照相机图像执行将RGB值分配给每个扫描点，并且RGB值(色值）能与 立体角数据和用于扫描点的距离数据一起被存储在主存储器中。
[0042] 本发明附加地涉及一种具有被存储在机器可读载体中的程序代码的计算机程序 产品。特别是当程序在被实施为根据本发明的全站仪的控制和处理单元的电子数据处理单 元上被执行时，该计算机程序产品构造成用于根据上述扫描方法来控制和进行扫描以产生 具有扫描点的点云。

【专利附图】

【附图说明】
[0043] 将基于附图中示意地示出的特定示例性实施方式只作为示例在下面更加详细地 描述根据本发明的全站仪和根据本发明的扫描方法。此外还将讨论本发明的优点。附图中 相同的元件用相同的附图标记来表示。在具体附图中：
[0044] 图1示出了根据本发明的全站仪和物体的表面的扫描；
[0045] 图2a示出了具有借助测量信号系列采样的扫描区的物体，其中测量信号系列为 了分析目的而被存储在缓冲存储器中；
[0046] 图2b至图2d示出了不同扫描模式中测量信号系列的相应的一个细节分析和转变 成用于点云的扫描点系列的相应的细节的图，其中分辨率，即，瞄准单元或测量射线的脉冲 频率和扫描运动是不变的；
[0047] 图3a示出了来自图2a的具有扫描区的物体；
[0048] 图3b至图3d以类似于图2b至图2d的表示示出在不变距离下被记录在物体上的 不同测量信号系列的细节的图示，但是具有不同的分辨率，即，具有在相等的脉冲频率和相 同的分析下在限定长度的测量距离内瞄准单元或测量射线的不同速度的扫描运动，并且测 量信号被转变成用于点云的扫描点；
[0049] 图4示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的第一可 能设置的图示；
[0050] 图5示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能设置的图示；
[0051] 图6示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能设置的图示；
[0052] 图7示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能设置的图示；
[0053] 图8示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能设置的图示；
[0054] 图9示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能设置的图示。

【具体实施方式】
[0055] 图1示出了根据本发明的全站仪1，其具有基部2、结构4以及瞄准单元3,该结构 4布置在基部2上并且能相对于基部2绕枢轴线7枢转或旋转，该瞄准单元3布置在结构4 中并且能相对于结构4绕倾斜轴线9枢转或旋转，该倾斜轴线9垂直于枢轴线7。因此瞄准 单元3能绕彼此垂直的两个轴线(枢轴线7和倾斜轴线9)枢转或旋转。此外，全站仪1包 括距离测量单元(未示出），其具有用于发射脉冲测量射线5的激光源以及用于检测反射的 测量射线的检测器，该检测器用于确定全站仪和所关心的物体之间的距离。测量射线5借 助瞄准单元3被对准并发射到周围。借助角度编码器(未示出），如借助传统上当前设置在 全站仪中用于确定枢轴线7和倾斜轴线9中的角位置的角度编码器，用于距离测量单元的 每个发射的或反射的测量脉冲的角坐标可确定。另外，物体20在图1中示出，其具有待被 扫描的表面22,在该表面上，全站仪1的脉冲测量射线5已经扫描成条状的扫描区24的一 部分，其中测量光束5在表面22上的扫描运动由虚线5a表示。
[0056] 为了扫描该扫描区24,全站仪1具有扫描功能性，在借助瞄准单元3执行扫描功能 性期间，脉冲测量射线5被发射，由此在物体20的待被扫描的表面22的固定扫描区24中 测量形貌。在这里所示的示例中，扫描区24大体上对应于待被扫描的表面22。通过该瞄准 单元3的瞄准对准，脉冲测量射线5被发射，使得其以最连续可能的运动扫描待被扫描的表 面22,这允许增大关于迄今典型的逐步扫描运动的测量速度。脉冲测量射线的运动5a在这 里所示的示例中振荡，其中为了简化例示，测量射线5的振荡运动5a仅针对待被扫描的表 面22的一个细节被示出。在该示例中，测量射线5的振荡运动5a借助瞄准单元3通过发 射的脉冲测量射线5的连续坚直对准和逐步水平对准而形成。为此目的，瞄准单元3在到 达坚直转折点时，沿相同方向以预定角量在一个步骤中在限定的角范围内绕倾斜轴线9被 连续上下枢转并且分别绕枢轴线7被枢转。瞄准单元3绕枢轴线7和绕倾斜轴线9的枢转 运动借助全站仪1的控制和处理单元12被控制。
[0057] 除该示例中被示出的脉冲测量射线5的振荡运动5a以外，测量射线5还能在借助 控制和处理单元12通过瞄准单元3的适当激活在执行扫描功能性期间执行任何其他运动， 以便记录选择的扫描区24。特别地，绕倾斜轴线9并且绕枢轴线7的枢转能连续发生，并且 绕倾斜轴线9的枢转也能代替绕枢轴线7的枢转不连续地发生，根据需要。如果扫描区24 是例如水平线，则瞄准单元3的连续、水平对准通过沿一个方向绕枢轴线7连续枢转瞄准单 元3来执行，该对准借助控制和处理单元12来控制。
[0058] 对于特定要求，例如，对于单点测量或彼此远离间隔开的多个点的测量或具有低 分辨率的测量，瞄准单元3还能绕两个轴线7、9不连续地，特别是逐步地被枢转。
[0059] 距离测量能借助脉冲测量射线、运行时间测量和波形数字化(WFD)来执行，由此每 秒1，000, 000次测量和更多次的高测量频率是可能的。还将可以想到利用相位测量或具有 呈这里所述的形式的波形数字化的相位测量。
[0060] 由于扫描，形成多个测量信号32,这些测量信号为了分析而被存储在缓冲存储器 中。图2a中，物体20的待被扫描的表面22上的扫描区24的示例被示出。测量信号32这 里如所示被记录在例如坚直测量信号系列30中，其中单个测量信号32借助WFD被分析。 全站仪1具有分析单元，该分析单元从在特定时间段内累积的大量测量信号(根据所选择 的扫描模式)确定距离并且将其与相关联的立体角数据一起作为扫描点36存储在主存储器 中。该主存储器能是全站仪1的部件(未示出)或能是外部主存储器。例如，取决于参数(诸 如距待被扫描的物体的距离和/或使用者的要求，例如，分辨率、测量距离、测量速度、或测 量精度)，在本示例中处于系列中的不同数量的测量信号32能被平均以获得用于点云的单 个扫描点36,如针对不变分辨率基于图2b至图2c被图示表示和说明的(参见下文)。
[0061] 图3a示出了具有表面22的物体20,该表面22将在扫描区24中被测量，见图2a。 然而，具有不同分辨率的扫描模式在图3b至3d中被图示表示和说明。
[0062] 根据本发明，全站仪1具有程序存储单元，该程序存储单元提供至少两个不同的 扫描模式。这至少两个扫描模式至少在它们的测量频率上不同，即在测量信号32的数量方 面，或者换言之，在每单位时间产生的扫描点36数量方面不同，其中该测量频率在每扫描 点36或在一时间段（0. 001秒；0. 002秒，0. 004秒，0. 008秒，0. 016秒)内被平均，在所述时 间段内测量信号32被累积以从其确定至物体的距离。
[0063] 在图2a至图2d的示例中，以每秒1，000, 000激光脉冲的恒定脉冲频率并且以恒 定的扫描速度对物体20的表面22上的扫描区24进行扫描，该扫描在本示例中至少在坚直 方向上是连续的，该物体具有恒定距离的表面η。这样，形成具有测量信号32的测量信号系 列30。测量信号系列30的测量信号32现在始终在相同的时间段内累积，该时间段取决于 扫描模式，并且至物体的距离从测量信号被确定，并且相关联的立体角被分配以获得扫描 点36。代替测量信号系列30,当然，限定几何形状和尺寸的测量信号场以及因此测量信号 的限定数量和分布也用来确定扫描点。
[0064] 图2b至图2d分别示出了具有在不同选择的扫描模式的情况下的点云的扫描点系 列34的相应的细节的测量信号系列30的细节。
[0065] 图2b不出了第一扫描模式(扫描模式1)的结果：扫描区24在每秒1000个扫描点 的测量频率下被记录。这意味着，在理想情况下在每秒1，〇〇〇, 〇〇〇个脉冲的发射的测量射 线的脉冲频率下，如果所有发射的脉冲都产生可用的测量信号，则对于每个扫描点36,1000 个测量信号32被累积以确定距离测量值。
[0066] 图2c不出了另一扫描模式(扫描模式2)的结果，其中扫描区24以每秒250个扫 描点的测量频率被记录。这意味着，对于距离确定而言每个扫描点累积的测量信号的数量 在相同的脉冲频率下这里比来自图2b的示例中的测量信号的数量高四倍，该测量信号的 数量相应地由表示测量信号32并且被转变成扫描点36的点的数量表示。
[0067] 图2d不出了另一扫描模式(扫描模式3)的结果，其中扫描区24在每秒62个扫描 点的测量频率下被记录，使得这里在理想情况下，与扫描模式1相比16倍数量的测量信号 被累积以确定距离。每单个扫描点36的精度在本示例中低于示例2c和2d中的扫描点36 的精度，这是因为，对于图2b的示例中的扫描点36而言，最小数量的测量信号在最短时间 段内并且还在测量射线的相等的、不变脉冲频率下为距离确定而被累积。主存储器中所要 求的存储容量还有利地因此从示例2b减小到示例2d。
[0068] 针对每个扫描模式，瞄准单元的角速度取决于距离借助算法由控制和处理单元分 别自动优化。
[0069] 图3b至图3d以与图2b至图2d相似的表示示出了在不变距离下但是具有不同的 分辨率，即，具有瞄准单元3或测量射线5的不同速度的扫描运动，在物体20上记录的不同 测量信号系列30的细节的图示。对于限定长度的测量段，该意味着，在发射的测量射线的 相应的相等的脉冲频率的情况下，扫描运动越快，由检测器记录在该测量段上的测量信号 32的数量越低。在测量信号32相同分析并且转变成用于点云的扫描点36的情况下，尤其 在分别处于每秒250个扫描点的测量频率下这里所示的示例3b至3d中，或者换言之，在相 应的0. 004秒的时间段内的测量信号的累积，对于较快的扫描运动因此产生每测量段较小 数量的测量点36,如在图3b至图3d中清楚看到的。瞄准单元3或测量射线5的扫描运动 的速度在图3b中最低并且在图3d中最
[0070] 从由程序存储单元提供的扫描模式进行选择能直接由使用者进行或自动执行。
[0071] 图4至图9示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的 不同的可能选择程序的图示。
[0072] 图4示出了程序存储单元10,该程序存储单元提供三个扫描模式，扫描模式1 (sml)、扫描模式2 (sm2)和扫描模式3 (sm3)。标准扫描区可选地也能被存储在程序存储 单元中，该标准扫描区能以适于装置的应用主场的方式被限定，并且该标准扫描区在另一 扫描区不由使用者预定时相应地由控制和处理单元访问。关于使扫描模式sml、sm2和sm3 可用的信息在步骤a中被传输到操作单元14,借此，使用者50能从sml、sm2和sm3选择扫 描模式。为了帮助使用者选择匹配的扫描模式，关于扫描模式的测量频率、利用该扫描模 式可获得的测量精度以及关于至物体的距离(在该距离下扫描模式能合理地被使用）的信 息的项在使扫描模式可用时分别借助操作单元显示。在步骤b中，使用者50借助操作单元 14 (例如，通过语音输入、按钮按压）或者借助于触摸屏选择所提供的扫描模式中的一个扫 描模式(在这里所示的示例中为sm3)。
[0073] 借助于操作单元14,除了选择提供的扫描模式外，至少一个参数的输入(参数）和 /或自动选择功能性的选择（自动)也能由使用者50执行。参数能是如下：距物体的估计或 测量距离；测量射线的脉冲频率(例如，每秒测量射线的激光脉冲的数量）；扫描区(例如通 过输入扫描区的角点的角坐标，或者由其产生的起始坐标和长度以及宽度规格）；测量速度 (例如，扫描运动的角速度的输入或者与至物体的距离的输入或测量结合、cm/s或m/s的输 入)，其中测量速度方位角(枢轴线）和坚直(倾斜轴线）能彼此独立地设定；分辨率(例如，每 个被扫描的表面区的扫描点密度)，或者，例如，与期望的扫描区或标准扫描区结合的绝对 扫描持续时间（=总扫描持续时间)。期望的测量频率的输入也是可能的，其中测量精度或在 该测量频率下仍能合理测量的至物体的最大距离然后由控制和处理单元确定，并且借助操 作单元使信息的这些项对使用者可用。关于扫描模式的选择的信息，并且，如果参数输入已 被执行(未示出），则输入参数被传输到控制和处理单元(未示出），由此在步骤c中，全站仪 的扫描功能性(扫描）或瞄准单元3的对准以及分析(计算）根据所选择的扫描模式sm3被 执行。对于所选择的扫描模式，瞄准单元的角速度通过控制和处理单元借助算法根据距离 分别被自动优化。为了执行扫描模式，控制和处理单元访问被存储在程序存储单元10中的 扫描模式sm3。这能被执行，这是因为作为扫描模式sm3被存储的整个控制和分析程序被 加载到控制和处理单元的内存储器中，或者这是因为至少快速运行的程序部分被加载到内 存储器中。构造是可能的，但是有时不太适于快速扫描，其中控制和处理单元从程序存储单 元连续获得所有需要的信息的项，而没有将程序"扫描模式sm3"或其部分加载到内存储器 中。
[0074] 图5示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能选择程序的图示。在步骤a中，使用者50借助操作单元14来选择自动选择功能性。这 意味着，与用于执行全站仪1的扫描功能性的标准扫描区结合的优化的合适的扫描模式的 选择借助控制和处理单元12被自动执行。为此目的，关于自动选择功能性的选择的信息在 步骤b中被传输到控制和处理单元12。该控制和处理单元12在单次测量或粗糙扫描中借 助距离测量单元11控制例如为选择合适的扫描模式所需的参数的确定，例如至物体的距 离的测量，其中距离测量单元11借助控制和处理单元12被激活，并且借助距离测量单元11 确定的至物体的距离被传输到控制和处理单元12 (由虚线箭头表示)。借助距离测量单元 11的距离测量能在扫描之前或在扫描期间被执行。取决于所确定的参数，在步骤c中，优 化的合适的扫描模式(在这里所示的示例中为sml)借助控制和处理单元12从由程序存储 单元10提供的扫描模式sml、sm2和sm3中被选择。在本文中，术语"优化的合适的扫描模 式"应理解为这样的扫描模式，对于测量距离、测量速度、测量精度和分辨率而言，利用该扫 描模式，在考虑确定的参数或多个参数时，能够获得最可能的，即，优化的扫描结果。关于扫 描模式的选择的信息然后被传输到控制和处理单元(未示出）并且可选地借助操作单元14 被显示给使用者。在步骤d中，根据被识别为最优的扫描模式，全站仪1的扫描功能性(扫 描）或者瞄准单元3的对准以及分析(计算）然后根据所选择的扫描模式sml被执行。
[0075] 图6示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能选择程序的图示。步骤a中，使用者50借助操作单元14选择自动选择功能性，并且附加 地借助操作单元14输入下列参数中的至少一个参数：至物体的估计或测量距离，测量射线 的脉冲频率，扫描区，测量速度，分辨率或扫描持续时间。关于自动选择功能性的选择和至 少一个输入参数的信息在步骤b中被传输到控制和处理单元12。取决于所述至少一个参 数，控制和处理单元12控制对于选择合适的扫描模式而言所需的另外的参数的确定，如有 必要。例如，如果特定分辨率由使用者50输入，则对于选择合适的扫描模式而言必须附加 地借助距离测量单元11执行距物体的距离的测量，如针对图4已经描述的。基于可利用的 参数（由使用者输入并且可选地由装置自动确定)，在步骤c中，优化的合适的扫描模式(在 这里所示的示例中为扫描模式1)借助控制和处理单元12从由程序存储单元10提供的扫 描模式sml、sm2和sm3中选择。全站仪1的扫描功能性(扫描）或瞄准单元3的对准以及 分析(计算）因此在步骤d中对应于所选择的扫描模式sml被执行。
[0076] 图7示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、根据本发明的另一可 能选择程序的图示。为了更好地识别能力，操作单元14在本图示中针对各个步骤a、b和 d以及e、f分别单独地示出并且用14a、14b、14c标示，当然，其中这始终是相同的操作单元 14。在步骤a中，使用者50借助操作单元14a输入在图5的描述中已列出的参数中的至少 一个参数。所述至少一个参数在步骤b中被传输到控制和处理单元12。取决于所述至少一 个参数，可合理使用的扫描模式(在这里所示的示例中为扫描模式1和2)在步骤c中借助 控制和处理单元12从由程序存储单元10提供的扫描模式sml、sm2和sm3中选择并且在步 骤d中借助操作单元14b使该扫描模式对使用者50可用。在本文中，术语"合理的扫描模 式"应被理解为这样的扫描模式，利用该扫描模式，考虑到至少一个参数，能获得满意的扫 描结果，即，具有足够的测量精度和/或分辨率的扫描结果。在步骤e中，使用者50借助操 作单元14c选择其中一个可用的扫描模式(在这里所示的示例中为扫描模式1)。关于扫描 模式的选择的信息然后被传输到控制和处理单元(未示出），由此在步骤f中，全站仪1的扫 描功能性(扫描）或瞄准单元3的对准以及分析(计算）根据所选择的扫描模式sml被执行。
[0077] 图8类似于图7中的图示示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、 根据本发明的另一可能设置的图示。在步骤a中，使用者50借助操作单元14a输入在图5 的描述中已列出的参数中的至少一个参数。所述至少一个参数在步骤b中被传输到控制和 处理单元12。在步骤c中，取决于所述至少一个参数，合理的扫描模式(在这里所示的示例 中为扫描模式1和2)借助控制和处理单元12从由程序存储单元提供的扫描模式sml、sm2 和sm3中被选择，并且自动在步骤d中借助操作单元14b使该合理的扫描模式与自动选择 功能性一起对使用者50可用。在步骤e中，使用者50借助操作单元14c选择自动选择功 能性。关于自动选择功能性的选择的信息在步骤f中被传输到控制和处理单元12。考虑 到在步骤a中由使用者输入的至少一个参数，如有必要，控制和处理单元12控制对于合适 的扫描模式的选择而言必需的另外的参数的确定。基于可利用的参数（由使用者输入并且 可选地由装置自动确定)，优化的合适的扫描模式(在这里所示的示例中为扫描模式2 )在步 骤g中借助控制和处理单元12从通过程序存储单元10b可利用的扫描模式sml和sm2中 被选择。在步骤h中，全站仪1的扫描功能性(扫描）或瞄准单元3的对准以及分析(计算） 根据所选择的扫描模式sm2被执行。
[0078] 图9类似于图7中的图示示出了用于执行根据本发明的扫描方法的扫描模式的、 根据本发明的另一可能设置的图示。在扫描之前，至待被测量的物体的距离测量借助距离 测量单元11来执行，如针对图4所说明的。取决于测量的距离，在步骤a中，合理的扫描模 式(在这里所示的示例中为扫描模式1和2)借助控制和处理单元12从由程序存储单元提 供的扫描模式sml、sm2和sm3中被选择，并且在步骤b中借助操作单元14a使该合理的扫 描模式对使用者50可用。在步骤c中，使用者50借助操作单元14b选择其中一个可用扫 描模式(在这里所示的示例中为扫描模式2)。关于扫描模式的选择的信息然后被传输到控 制和处理单元(未示出），由此在步骤d中，全站仪1的扫描功能性(扫描)或瞄准单元3的对 准以及分析(计算）根据所选择的扫描模式sm2被执行。
[0079] 在上述实施方式中，已经作为示例单独地或者彼此结合地示出和/或描述了各个 细节。然而，这不意味着，这些细节能仅以所示和/或所述的形式彼此结合。本领域技术人 员知道其中在上所示和/或所述的本发明的实施方式的细节可以合理地彼此结合的方式， 尽管因为空间这里不能描述所有的结合。
【权利要求】
1. 一种全站仪（1)，该全站仪具有： -基部（2); -结构（4)，该结构布置在所述基部（2)上并且能够相对于所述基部（2)绕枢轴线（7) 枢转； -瞄准单元（3)，该瞄准单元布置在所述结构（4)中并且能够相对于所述结构（4)绕垂 直于所述枢轴线（7)的倾斜轴线（9)枢转； -角测量单元； -控制和处理单元（12); -电光距离测量单元（11)，该电光距离测量单元用于测量距物体上的点的距离，其中 所述距离测量单元（11)具有：用于发射脉冲测量射线（5)的发射单元，所述测量射线能够 借助所述瞄准单元（3)被发射；以及用于接收在所述物体上的所述点处被反射的所述测量 射线的检测器，该检测器以测量信号（32)的形式来记录接收到的测量射线； -扫描功能性，该扫描功能性能够借助所述控制和处理单元（12)来控制，使得借助 所述距离测量单元，以扫描的方式执行至物体上的点的距离测量，并且所记录的测量信号 (32)借助分析单元被分析并且能够转变成扫描点（36)，其中对于每个扫描点来说，能够在 两个立体角被分配的情况下从所述测量信号（32)来确定距所述物体的距离，使得表示所述 物体的点云能够从所述扫描点（36)产生， 其特征在于， -所述距离测量单元（11)被构造成，使得所述距离测量能够借助运行时间测量和波形 数字化(WFD)来执行，并且 -所述全站仪（1)具有程序存储单元（10)，该程序存储单元提供至少两个扫描模式，其 中所述至少两个扫描模式至少在测量频率方面不同，即，在每单位时间获得扫描点的数量 方面不同。
2. 根据权利要求1所述的全站仪（1)，其特征在于， 在所述扫描功能性的范围内，所述瞄准单元（3 )能够绕所述倾斜轴线（9 )和/或所述枢 轴线（7)枢转，使得所发射的脉冲测量射线（5)能够至少以能绕两个轴线中的一个轴线枢 转的方式连续地被对准。
3. 根据权利要求1或2所述的全站仪（1)，其特征在于， 至少两个扫描模式能够由所述程序存储单元（10)提供，并且从至少包含以下扫描模式 的一组扫描模式中选择： -扫描模式〇,其具有每秒100, 〇〇〇个扫描点的测量频率， -扫描模式1，其具有每秒1000个扫描点的测量频率， -扫描模式2,其具有每秒250个扫描点的测量频率， -扫描模式3,其具有每秒62个扫描点的测量频率， -扫描模式4,其使所述测量频率自动适应于当前测量的距所述物体的距离。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的全站仪（1 )，其特征在于，所述全站仪（1)具 有操作单元（14),该操作单元通过使用者（50)来 -用于输入至少一个参数，其中所述参数能够是如下参数：至所述物体的估计距离或 测量距离，所述测量射线的脉冲频率、扫描区、所述瞄准单元的角速度、分辨率，或总扫描持 续时间；和/或 -用于选择扫描模式或自动选择功能性。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的全站仪（1)，其特征在于，从能够借助所述程 序存储单元（10)提供的所述至少两个扫描模式中选择扫描模式能够由使用者（50)手动地 执行或借助所述控制和处理单元（12)自动地执行。
6. 根据权利要求4或5所述的全站仪（1 )，其特征在于，耦合至所述操作单元（14)和所 述程序存储单元（10)的所述控制和处理单元（12)被构造成使得，根据借助所述操作单元 (14)输入的所述至少一个参数，从由所述程序存储单元（10)提供的所述至少两个扫描模式 中使至少一个扫描模式可用。
7. -种用于借助以其扫描功能性进行操作的根据权利要求1至6中的任一项所述的全 站仪产生具有扫描点的点云的方法，其特征在于， -借助程序存储单元（10)提供至少两个扫描模式，其中所述两个扫描模式至少在测量 频率方面不同，即，在每单位时间确定的扫描点的数量方面不同， -从所提供的扫描模式中选择一个扫描模式并且在扫描期间执行该扫描模式。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助所述程序存储单元（10)提供至少 两个扫描模式，并且所述至少两个扫描模式从至少包含以下扫描模式的一组扫描模式中选 择： -扫描模式1，其具有每秒1000个扫描点的测量频率， -扫描模式2,其具有每秒250个扫描点的测量频率， -扫描模式3,其具有每秒62个扫描点的测量频率， -扫描模式4,其使所述测量频率自动适应于当前测量的距所述物体的距离。
9. 根据权利7或8所述的方法，其特征在于，从所述至少两个扫描模式中选择扫描模式 由使用者（50)执行。
10. 根据权利7或8所述的方法，其特征在于， -在扫描之前，以单点测量的形式或以预扫描的形式来执行至物体上的至少一个点的 距离测量，或者输入至少一个参数，其中所述参数能够是如下参数：至所述物体的估计距离 或测量距离，所述测量射线的脉冲频率，扫描区，所述瞄准单元的角速度，分辨率或总扫描 持续时间， -根据至少一个参数或所述测量距离，借助控制和处理单元（12)从由所述程序存储单 元（10)提供的扫描模式中选择至少一个扫描模式，并且使所述至少一个扫描模式对于使用 者（50)可用，并且 -从至少一个可用扫描模式中选择扫描模式由使用者（50)执行。
11. 根据权利7或8所述的方法，其特征在于， -在扫描之前，执行至物体上的至少一个点的距离测量，或者输入至少一个参数，其中 所述参数能够是如下参数：至所述物体的估计距离或测量距离、所述测量射线的脉冲频率、 扫描区、角速度、分辨率或总扫描持续时间， -根据所述测量距离或至少一个输入参数，借助控制和处理单元（12)从由所述程序存 储单元（10)提供的扫描模式中选择至少一个扫描模式，并且使所述至少一个扫描模式对于 使用者（50)可用，并且 -使用者（50)给出用于自动选择扫描模式的指令，并且 -借助所述控制和处理单元从至少一个可用扫描模式中来选择优化的合适的扫描模 式，其中在对距所述物体的距离、总测量持续时间、测量精度和分辨率进行优化的基础上， 执行所述优化的合适的扫描模式的选择。
12. 根据权利7或8所述的方法，其特征在于， -根据在扫描期间测量的当前距离，借助控制和处理单元（12)从由所述程序存储单元 (10)提供的扫描模式中相应地选择一个优化的合适的扫描模式，并且将该优化的合适的扫 描模式用于扫描， -其中在对距所述物体的距离、总测量持续时间、测量精度和分辨率的扫描进行优化的 基础上，执行所述优化的合适的扫描模式的选择。
13. 根据权利要求7至12中的任一项所述的方法，其特征在于，对所记录的测量信号数 据在线进行分析，即在扫描期间进行分析，并且将所记录的测量信号数据转变成用于点云 的扫描点（36)。
14. 一种具有存储在机器可读载体中的程序代码的计算机程序产品，特别是当程序在 被实施为根据权利要求1至6中的任一项所述的全站仪的控制和处理单元（12)的电子数 据处理单元上执行时，所述计算机程序产品用于控制和执行根据权利要求7至13中的任一 项所述的用于产生具有扫描点（36)的点云的方法。
【文档编号】G01C15/00GK104101333SQ201410132363
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2013年4月5日
【发明者】H-M·佐格, P·伦格维勒, R·那图, 雷托·施图茨 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司