用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件及其使用方法与流程

本发明涉及隧道监控及质量检测技术领域，具体涉及一种用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件及其使用方法。

背景技术：

现有技术中，隧道内数据的采集采用激光扫描仪进行扫描，具体是：将标靶张贴在隧道内壁上，车载三维扫描仪沿隧道中心线方式移动，通过将激光投射至标靶上。采集隧道点云数据时同时采集到标靶的点云数据，标靶的中心点用来作为特征点进行站点拼接和坐标导入。

现有的标靶大部分是采用纸质标靶，此种标靶具有以下缺陷：(1)在隧道内纸质标靶无法贴在隧道内壁上，隧道内施工条件复杂，隧道内侧非平面，纸质标靶使用无法保证平整度；(2)纸质标靶贴于内壁时，与隧道前进方向平行，当扫描仪站点离标靶距离超过两倍隧道直径时，由于入射角太小，标靶上返射回的激光点云密度小，标靶无法拟合中心点，导致坐标无法被传递，且隧道两站之间拼接误差较高。

现有技术中还有球形标靶和球加棱镜结合型的标靶，此种标靶在隧道内壁上固定不方便，且因为本身的结构(球心在内部，易发生散射)，误差较大，不适合坐标的传递。

因此，设计一种结构精简、安装和拆卸方便以及不受扫描仪的摆放位置的限制能确保入射角在30°以上的标靶具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种结构精简、安装和拆卸方便以及不受扫描仪的摆放位置的限制能确保入射角在30°以上的用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件，具体技术方案如下：

一种用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件，包括支撑架以及设置在所述支撑架上的标靶；

所述支撑架包括用于与隧道内壁进行固定的固定面板以及用于固定所述标靶的支撑面板；

所述标靶包括标靶图案；

所述固定面板中与隧道内壁接触的接触面以及所述支撑面板中与所述标靶图案接触的固定面均为平面，且所述接触面与所述固定面之间的夹角为30°-60°。

以上技术方案中优选的，所述支撑架为空心的三菱柱结构，在垂直于其高度方向的平面上，其横截面为等边三角形或等腰三角形。

以上技术方案中优选的，所述固定面板上设有用于固定螺栓或螺丝的通孔。

以上技术方案中优选的，所述通孔为圆形通孔或椭圆形通孔。

以上技术方案中优选的，所述通孔的数量为4个，四个所述通孔位于四边形的四个角的位置，且一条对角线上的两个所述通孔为圆形通孔，另一条对角线上的两个所述通孔为椭圆形通孔。

以上技术方案中优选的，所述接触面与所述固定面之间的夹角为30°、45°或60°。

以上技术方案中优选的，所述标靶图案为通过激光丝印加工方式设置在所述支撑面板上的金属部件；所述支撑架的材质为铝合金或哑光不锈钢。

以上技术方案中优选的，所述标靶图案为正方形，正方形的边长为15cm、20cm、25cm或30cm。

以上技术方案中优选的，所述支撑面板中的固定面上还设有标示部位，所述标示部位位于所述标靶图案的上方、侧面或者下方。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件，包括支撑架以及设置在所述支撑架上的标靶，所述支撑架包括用于与隧道内壁进行固定的固定面板以及用于固定所述标靶的支撑面板，所述标靶包括标靶图案，整体结构精简；所述固定面板中与隧道内壁接触的接触面以及所述支撑面板中与所述标靶图案接触的固定面均为平面，便于将支持架固定在隧道内壁上和将标靶固定在支撑架上；所述接触面与所述固定面之间的夹角为30°-60°，使得本发明标靶安装后，标靶所在平面与隧道内壁形成一定夹角，无论激光扫描仪怎么摆放，均能确保射向标靶的激光的入射角保持在30°以上，与现有技术比较，本发明的技术方案增大了入射角，从而使得点云的密度和标靶的拟合精度都得到提高，进而可以提高扫描距离和标靶的中心点拟合质量，改善了扫描站点之间的拼接精度，减小了系统拼接误差并提高了工作效率。

(2)本发明中所述支撑架为空心的三菱柱结构，在垂直于其高度方向的平面上，其横截面为等边三角形或等腰三角形，且等边三角形或等腰三角形的边长是21-30cm；所述支撑架的高为15-22cm。采用空心的三菱柱结构，结构简单，既便于安装(将支撑架安装在隧道内壁上以及将标靶安装在支撑架上)，同时，又能确保射向标靶图案的激光的入射角在30°以上。

(3)本发明中所述固定面板上设有用于固定螺栓或螺丝的通孔，所述通孔为圆形通孔或椭圆形通孔，便于将支撑架固定在隧道内壁上；通孔的数量为四个，排列在四边形的四个角上，且其中两个为圆形通孔，另外两个为椭圆形通孔，在实际安装过程中，隧道内壁打安装孔时容易打歪，本发明的设计能确保支撑架很好地固定在隧道内壁上(即便有打歪的安装孔，通过椭圆形通孔的调节也能确保支撑件安装上)。

(4)本发明中所述标靶图案为通过激光丝印加工方式设置在所述支撑面板上的金属材质；所述支撑架的材质为铝合金或哑光不锈钢。标靶图案的加工方式和材质的选择，清晰度高，再结合支撑架的材质的选择，可以多次重复使用，且使用寿命长。

(5)本发明中所述支撑面板中的固定面上还设有标示部位，所述标示部位位于所述标靶图案的上方、侧面或者下方。标示部位可以喷印数字，这样做的目的是为了在隧道扫描图形处理和拼接时，不会把标靶的标注顺序弄错，提高工作效率。

本发明还公开一种用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件的使用方法，包括以下步骤：

第一步、在隧道轴线方向分为多个站点；将标有编号的用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件依次通过膨胀螺钉固定在隧道内壁上；将激光扫描仪架设在车辆上；

第二步、车辆以30-60km/h的速度沿隧道长度方向行驶，激光扫描仪采集隧道内点云数据并将所采集到的数据进行存储；

第三步、将第二步所存储的数据导入计算机，计算机通过去噪抽稀和过滤杂点处理，把隧道内点云数据中的标靶进行依次编号，相邻两个站点共用的标靶采用相同的编号；对多个站点进行点云数据拼接。

本发明中用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件的使用方法，工艺精简，操作方便。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1的用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件的结构示意图；

图2是图1中的支撑架的结构示意图；

图3是图1的用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件的应用原理示意图；

其中，1、支撑架，1.1、固定面板，1.11、接触面，1.12、通孔，1.2、支撑面板，1.21、固定面，1.22、标示部位，2、标靶，2.1、标靶图案，3、激光扫描仪，4、隧道内壁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1和图2，一种用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件，包括支撑架1以及设置在所述支撑架1上的标靶2。

所述标靶2包括标靶图案2.1，所述标靶图案2.1为通过激光丝印加工方式设置在所述支撑面板1.2上的金属部件，通过激光丝印加工而成，不易脱落，且图案清晰可见。

所述支撑架1包括用于与隧道内壁进行固定的固定面板1.1以及用于固定所述标靶2的支撑面板1.2；所述支撑架1为空心的三菱柱结构，在垂直于其高度方向的平面上，其横截面为等边三角形或者等腰三角形，且等边三角形边长是21cm；所述支撑架1的高为15cm；所述固定面板1.1上设有用于固定螺栓或螺丝的通孔1.12，所述通孔1.12的数量为4个，四个所述通孔1.12位于四边形的四个角的位置，且一条对角线上的两个所述通孔1.12为圆形通孔，另一条对角线上的两个所述通孔1.12为椭圆形通孔。

所述固定面板1.1中与隧道内壁接触的接触面1.11以及所述支撑面板1.2中与所述标靶图案2.1接触的固定面1.21均为平面，且所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角Q为30°-60°。所述支撑面板1.2中的固定面1.21上还设有标示部位1.22，所述标示部位1.22位于所述标靶图案2.1的下方(还可以根据实际情况设置在上方或侧边上，满足不同的需求)。

上述用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件的使用方法包括以下步骤：

第一步、在隧道轴线方向分为多个站点；将标有编号的用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件依次通过膨胀螺钉固定在隧道内壁上；将激光扫描仪架设在车辆上；

第二步、车辆以30-60km/h的速度沿隧道长度方向行驶，激光扫描仪采集隧道内点云数据并将所采集到的数据进行存储；

第三步、将第二步所存储的数据导入计算机，计算机通过去噪抽稀和过滤杂点处理，把隧道内点云数据中的标靶进行依次编号，相邻两个站点共用的标靶采用相同的编号；对多个站点进行点云数据拼接。第三步中的详细过程可以参照现有技术。

隧道内标靶的坐标的传递要另外用全站仪辅助导入，把每个标靶的坐标测量计算出来即可(此部分为现有技术)。

应用本发明用于三维激光点云拼接和坐标传递的部件进行数据采集时的原理图如图3，具体是：

从图3中可以看出：激光与标靶的入射角∠BDP＝180°-∠ADB＝∠BAD+∠ABD，其中：tan∠BAD＝d/S，d为扫描仪到隧道内壁的距离(d大于0且小于等于隧道的直径，隧道的直径即隧道的最大横向宽度)，S为沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离；∠ABD为所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角Q。

当∠ABD取值为30°-60°时，入射角∠BDP位于到之间，因此，要想确保入射角∠BDP位于30°以上，只需取正值即可，而本发明技术方案中，无论扫描仪位于任何位置，激光与隧道内壁面均存在一定的夹角，即均为正值(本文中的π均代表180°)。

因此，应用本发明的技术方案，扫描仪的放置位置不受限制，能确保激光与标靶的入射角大于30°，因此，应用本发明的技术方案可以提高入射角、提高扫描距离、增大标靶的点云密度、改善标靶的中心点拟合质量、提高坐标传递距离以及改善扫描站点之间的拼接精度。

以某一隧道为例，采用本发明方法和现有技术手段进行试验，详情如下：

一、试验组

试验组1：

采用本发明方法，其中：扫描仪到隧道内壁的距离d与沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离S的比值为1/4；支撑架的横截面为等边三角形，因此，所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角Q为60°，即∠ABD＝60°；标靶图案的规格为15cm×15cm，详见表1。

试验组2-3：

与试验组1不同之处仅在于扫描仪到隧道内壁的距离d与沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离S的比值不同，详情是：试验组2中扫描仪到隧道内壁的距离d与沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离S的比值为1/2；试验组3中扫描仪到隧道内壁的距离d与沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离S的比值为1/3。

试验组4-5：

与试验组2不同之处仅在于所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角不同，详情是：试验组4中∠ABD＝30°；试验组5中∠ABD＝45°。

试验组6-8：

与试验组2不同之处仅在于标靶图案的规格不同，详情是：试验组6中标靶图案的规格为20cm×20cm；试验组7中标靶图案的规格为25cm×25cm；试验组8中标靶图案的规格为30cm×30cm。

二、对照组

对照组1：采用纸质标靶直接贴于隧道内侧壁上。

对照组2：与试验组1不同之处仅在于：支撑架的横截面为等腰三角形，因此，所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角Q为25°，即∠ABD＝25°。

对照组3：与对照组2不同之处仅在于：所述接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角Q为75°，即∠ABD＝75°。

表1试验组和对照组的参数及性能比较表

从表1可知：

结合试验组1-3可知：扫描仪到隧道内壁的距离d与沿隧道长度方向扫描仪到标靶的最大距离S的比值取不同值，均能满足激光和标靶的入射角始终保持在30°以上，扫描仪不受摆放位置的限定，实用性强。

结合试验组2、试验组4、试验组5、对照组3以及对照组4可知：接触面1.11与所述固定面1.21之间的夹角的选取非常重要，当夹角过大(如对照组4)或者夹角过小(如对照组3)，均满足不了入射角在30°以上的需求。

结合试验组2和试验组6-8可知：在其他参数相同的情况下，标靶图案的规格越大，效果越好(即试验组2、试验组6、试验组7、试验组8按序效果逐渐递增)，但从节约成本、便于搬运、方便安装和拆卸角度以及结合现有常规隧道的规格选择，一般不超过30cm×30cm。

本发明技术方案(试验组1-8)与现有技术比较(对照组1-2)比较，采用本发明的技术方案，扫描仪的摆放位置不受限定，且激光和标靶的入射角始终保持在30°以上，使得标靶的中心点的拟合精度得到大大提高，且扫描站点之间的拼接精度也得到一定的提高。相对于其他类型的标靶，如球形标靶，这种改进后的平面标靶不仅能用于拼接保证拼接精度，而且具有和全站仪配合使用达到标靶坐标导入的功能，这是球形标靶无法做到的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。