勘测仪器及其校准方法以及计算机可读介质与流程

本发明涉及一种包括单点测量单元(single point measuring unit)和点云测量模块的大地测量勘测仪器(geodetic survey instrument)、用于大地测量勘测仪器的无参考现场校准的方法以及基于该方法的计算机程序产品。

背景技术：

1、为了捕获关于特别是对象(object)的表面、特别是建筑物或建筑工地的环境(setting)的地形信息，通常使用扫描方法。该环境的地形通常是由连续的点云(特别是在距点云测量模块的5米距离处具有每平方米至少1000个点的分辨率的点云，或者换种说法，每msr至少2.5个点)来表示的。用于扫描表面的常用方法是利用扫描模块，特别是激光扫描模块，该扫描模块利用扫描射束、特别是激光射束来扫描对象的表面，并且通过将所测得的距离信息与扫描射束的发射角度组合来生成该环境的地形。通过示例的方式，激光扫描器从这里开始被呈现为通用点云测量模块或仪器的代表。可以相应地应用其它类型的点云测量模块或仪器(特别是飞行时间摄像头)的特定特征。

2、激光扫描模块及其利用方法在现有技术中是已知的，并且例如在wo 97/40342中所公开的。通常通过利用适当的光学元件(例如，快速旋转反射镜)偏转射束来执行扫描。扫描模块的一个典型利用是，使得它们被安装在包括至少一个另一机动轴(motorized axis)的固定基础上，以在两个自由度上改变、测量以及记录发射角度。

3、利用的另一可能性是移动扫描系统，其中，将扫描模块安装在移动平台上，特别是安装在允许在线性轨道上移动的平台上，并且对环境的扫描是在扫描平台的移动期间发生的。这种系统对于扫描线性可导航环境(例如，隧道、机场跑道或者一段道路或铁路轨道)特别有用。

4、这种取决于所需的点到点分辨率的设置(setup)允许对环境进行连续且时间高效的扫描，然而，点坐标的位置准确度不足以满足高的大地测量准确度标准。

5、对于动态环境，特别是建筑工地，任务不仅是捕获地形信息，而且要将该信息与关键特征的相对或绝对位置相组合。位置信息还应当满足大地测量准确度标准，特别是位置必须以厘米准确度或更好准确度来获知。该任务还可以涉及跟踪移动对象并且至少提供它们相对于环境的关键特征的相对位置。

6、为了从静止或移动对象获得具有所需准确度的信息，通常使用大地测量勘测仪器，特别是全站仪、视距仪以及机动经纬仪。大地测量勘测仪器包括单点测量单元，该单点测量单元被配置成，根据大地测量准确度标准来提供单点或多个单点的极坐标和/或所得出的笛卡尔坐标。

7、全站仪是一类常见的大地测量勘测仪器。通过示例的方式，全站仪从这里开始被呈现为通用大地测量勘测仪器的代表。可以相应地应用其它类型的大地测量勘测仪器的特定特征。全站仪基本上包括瞄准单元、单点距离测量元件(特别是激光测距仪)、以及角度传感器(其准确度在角秒的范围内)。

8、当代的全站仪的特征通常在于紧凑的设计，其通常包括处于单个便携式装置中的同轴单点测距元件(特别是激光测距仪)，以及瞄准单元、计算单元、控制单元和数据存储单元。全站仪通常与回射瞄准对象特别是圆形棱镜结合使用，并且针对这种应用，全站仪通常包括自动目标搜索和跟踪功能。配备有回射目标的对象通常被称为协作目标，而其它目标、特别是漫反射目标通常被称为非协作目标。

9、为了照准和瞄准(sight and target)指定的目标点，通用全站仪配备有望远镜瞄准器，诸如光学望远镜。通过枢转和倾斜全站仪系统，望远镜瞄准器可以与目标点对准。举例来说，在ep 2219011中描述了这种大地测量装置的瞄准装置。然后确定目标点的极坐标。被瞄准的对象的距离是通过测距方法(特别是利用激光测距仪)来确定的，而仰角和方位角可以从由勘测仪器所包括的角度传感器提供的角度读数得出，特别是从由单点测量单元所包括的角度传感器提供的角度读数得出。作为示例，同轴瞄准单元和单点测量元件从这里开始被称为瞄准/测距仪单元。作为示例，除非另外指定，否则距/到勘测仪器的距离将意指距单点测量单元(特别是距瞄准/测距仪单元)的距离。作为示例，除非另外指定，否则方位角是针对参考方向的角度，特别是针对正北方向的角度，而仰角是针对地平线的角度，特别是针对经校准的地平线的角度。

10、尽管有30x的光学放大率，但是目标对象通常无法以大地测量所需的足够精度来瞄准。为此，当代全站仪可以配备有用于协作目标的自动目标识别功能(atr)。ep2141450公开了一种具有atr功能的测量装置。

11、在现有技术中，例如在us 6,411,371 b1中也公开了一种用于标记和测量非协作目标的位置的装置和测量协议。

12、当代全站仪还可以通过精确地记录环境中的参考标记来将仪器参考到外部坐标系。在确定这样的外部坐标系时，所有的协调操作均可以参考该外部或全局坐标系。

13、当代全站仪还可以配备有一组无线模块，这些无线模块使全站仪能够与不同类型的外部单元进行通信，外部单元的非排它性列表包括另一勘测仪器、手持式数据获取(dataacquisition)装置、现场计算机或云服务。

14、将单点测量单元配置为确定有限量的点的位置，以及以满足大地测量准确度要求的精度跟踪移动对象。然而，由于测量的繁琐(cumbersome)性质，因此，它们对于以期望的点到点分辨率来生成环境的扫描而言是不理想的。

15、将可以提供高的单点准确度的单点测量单元与能够以高的点到点分辨率来提供环境的点云表示的专用点云测量模块(特别是激光扫描器)相结合的益处在现有技术中已经得到认识并且是已知的。例如，wo2013/113759a1或ep 3495769 b1公开了一种包括单点测量单元和专用点云测量模块的勘测仪器。

16、沿着公共光学轴线(optical axis)定位两个光学系统在现有技术中是已知的。例如，us 2014/0226145 a1公开了这种装置。这种选择为两个系统提供了公共的万向架位置，然而，因需要公共的光学元件而约束了该设计，这迫使设计者进行关于点云测量模块和单点测量单元的次优选择，特别是在射束偏转机构、或孔径、或激光波长的选择方面。

17、为点云测量模块和单点测量单元提供两个专用光路可以使组合两个仪器的益处最大化。然而，在这种设置中，至少必须确定点云测量模块针对单点测量单元的相对姿态。相对姿态包括两个仪器彼此的距离和光学轴线的取向差。从现有技术中已知该问题的一些解决方案。ep 3483554 b1中公开了一种基于如下方法的示例性校准例程，其中，操作者每至少三个表面瞄准至少三个点。这些校准方法或者基于参考对象的测量(即，专用协作目标，特别是先前定位的回射器)，或者通过指定由单点测量单元要瞄准的多个点来指导操作者动作。

技术实现思路

1、本发明的目的

2、考虑到上述情况，本发明的目的是，提供一种用于大地测量勘测仪器的自动化无参考现场校准方法，该大地测量勘测仪器包括单点测量单元、点云测量模块以及计算单元。

3、发明概要

4、本发明涉及一种勘测仪器(特别是全站仪、视距仪、经纬仪、激光跟踪器或室内定位系统)，该勘测仪器包括：单点测量单元、点云测量模块(特别是激光扫描器)、以及计算单元。

5、将单点测量单元配置成生成第一测量数据，所述第一测量数据包括单点的距勘测仪器的距离、仰角和方位角。第一测量数据可以包括多个单点的距勘测仪器的距离、仰角和方位角。第一测量数据还可以包括根据第一测量数据的其它段得出的其他数据，特别是笛卡尔坐标，或者被拟合到多个单点的坐标的数学对象、甚至更特别是线和平面。

6、第一测量数据还可以包括单点测量单元在局部或全局参考系中的绝对位置。单点测量单元的绝对位置可以根据对预先已知的参考点的距勘测仪器的距离、仰角和方位角进行测量而得出。不用说，单点测量单元的绝对位置也可以通过其它手段来提供。将根据本发明的勘测仪器配置成，提供满足大地勘测准确度标准的第一测量数据，特别是提供具有至少厘米准确度的绝对或相对坐标。

7、作为示例，单点测量单元可以包括一个或更多个角度传感器，或者可以从勘测仪器所包括的其它角度传感器取回数据。将单点测量单元配置成，发射测量射束(特别是激光射束)，以确定距勘测仪器的距离。

8、将点云测量模块配置成，通过扫描环境来生成第二测量数据，所述第二测量数据包括多个扫描点的坐标。扫描点的点密度满足连续点云的要求，特别地，点密度在距点云测量模块的5米距离处为每平方米至少千个点，或者另选地表示为每msr 2.5个点。

9、点云测量模块可以被设置到或者能够设置到单点测量单元。至少在校准和随后的校准后测量操作期间，点云测量模块相对于单点测量单元具有固定姿态。根据本发明的固定姿态可以是永久姿态，其中，点云测量模块是不可分离的。固定姿态也可以是临时姿态，其中，点云测量模块可以是可拆卸的并且能够重新附接至几乎相同的姿态。对于根据本发明的勘测仪器的一些实施方式，重新附接点云测量模块以使其对于单点测量模块(module)的新的固定姿态基本上不同于其先前的固定姿态也是可能的。对于本领域技术人员来说，拆卸和重新附接点云测量模块可能导致需要进一步校准是不言而喻的。

10、在一些具体的实施方式中，点云测量模块是激光扫描器。在一些更加具体的实施方式中，激光扫描器包括机动化可旋转式射束偏转器。

11、不用说，点云测量模块的其它实施方式也是可能的。点云测量模块可以基于或者可以包括一个或更多个摄像头，特别是一个或更多个飞行时间摄像头。

12、在一些实施方式中，将点云测量模块横向地(laterally)设置在勘测仪器上。对于根据本发明的勘测仪器的一些实施方式，其它的布置结构(特别设置多于一个的点云测量模块)是可能的。作为示例，除非以其它方式指定，否则勘测系统包括单个点云测量模块。可以相应地应用包括多个点云测量模块或仪器的测量系统的具体特征。

13、计算单元存储校准参数，所述校准参数包括单点测量单元与点云测量模块之间的固定姿态。所述校准参数还可以包括点云测量模块的固有(intrinsic)校准参数。将计算单元配置成，基于第二测量数据生成校准点云，其中，所述校准点云表示环境；以及基于校准参数将校准点云与第一测量数据合并。还将计算单元配置成，通过分析校准点云来检测环境中的平坦表面和对象边缘。不用说，将计算单元被配置成，执行一般的(generic)数学运算，特别是确定所合并的数据中的距离和角度。

14、同样不言而喻的是，在合并第一测量数据和第二测量数据期间，可以保存数据的来源，即，特定的数据段是从第一测量数据产生的还是从第二测量数据产生的。也可以相应地表征所得出的数据段，无论是仅从具有第一测量数据来源的数据段得出、仅从具有第二测量数据来源的数据段得出、还是从具有第一测量数据来源和第二测量数据来源的数据段得出。在数据处理期间，计算单元可以考虑数据段的来源，即，如果特定数据段从第一测量数据产生，则计算单元可以仅执行一些数学运算，反之亦然。

15、可以将勘测仪器配置成执行atr功能。这意味着勘测仪器可以识别目标对象，特别是回射目标，并且确定它们的绝对或相对位置，而无需其他操作者动作。如果目标点已经移动，则勘测仪器还可以更新第一测量数据，该第一测量数据包括距勘测仪器的距离、仰角以及方位角。勘测仪器可以寻找具有已知绝对位置的目标点，以确定勘测仪器的绝对位置。

16、将根据本发明的勘测仪器配置成执行校准功能。校准功能包括自动执行以下步骤。点云测量模块获取第二测量数据作为校准点云。计算单元标识校准点云中的至少两个非平行的对象边缘。所述对象边缘是由相应的第一平坦表面和相应的第二平坦表面来限定的。对于所述至少两个对象边缘中的各个对象边缘，单点测量单元利用测量射束跨对象边缘进行扫描，并且获取包括对象边缘的各个平坦表面上的至少两个点的一组单测量点(single measuring point)。测量点位于直线(straight-line)扫描路径上，这意味着测量点的方位角(azimuth angle)和仰角(elevation angle)显示出线性关系。或者换种说法，单点测量单元和该组测量点位于公共平面(common plane)中。或者换另一种说法，从勘测仪器的视角(point of view)来看，测量点对准一条线。计算单元得出由测量点的分布而形成的顶点(vertex)，其中，该顶点对应于对象边缘。基于对象边缘与所得出的顶点的对准来更新校准参数。

17、在一些具体的实施方式中，环境的扫描、校准点云的生成、对象边缘的检测、对象边缘的选择以及其他校准步骤是在单个不中断的校准过程中执行的。然而，校准过程可以包括一次或更多次暂停(pause)。作为示例，校准过程可以在获取第二测量数据之后暂停，其中，计算单元存储第二测量数据和校准阶段。在请求继续校准过程之后，基于所存储的校准参数执行其他校准步骤。一些其他可能的校准过程暂停的非排它列表包括：在生成校准点云之后、在检测适合的对象边缘之后、在选择第一对象边缘和第二对象边缘之后。计算单元存储校准过程的状态、所生成的数据，并且在请求继续校准过程时进一步继续进行该校准。不用说，操作者或计算单元本身也可能中止校准过程，特别是在检测到错误时。

18、在一些具体实施方式中，将计算单元永久地设置在单点测量单元上。在其它实施方式中，计算单元被临时设置或者能够设置在单点测量单元上。计算单元也可以是单独的实体，特别是现场计算机或手持式装置。对于计算单元没有被设置在单点测量单元上的实施方式，勘测仪器可以包括相应的有线或无线接口，该接口被配置用于计算单元与勘测仪器的另一些组件之间的数据交换。

19、在一些具体实施方式中，单点测量单元包括：瞄准/测距仪单元，该瞄准/测距仪单元被配置为绕倾斜轴线(tilting axis)倾斜，以及第一角度传感器，其中，该第一角度传感器被配置成测量作为瞄准/测距仪单元的倾斜角度的第一角度。将计算单元配置成取回(retrieve)第一角度。

20、在一些具体实施方式中，将单点测量单元安装在基座(base)上，并且配置成相对于基座绕旋转轴线(rotation axis)、特别是绕竖直轴线(vertical axis)旋转。该勘测仪器还包括第二角度传感器，该第二角度传感器被配置成测量单点测量单元相对于基座的第二角度。将计算单元配置成取回第二角度。

21、本发明还涉及一种用于勘测仪器(特别是全站仪、视距仪、经纬仪、激光跟踪器或室内定位系统)的校准方法。该勘测仪器包括：单点测量单元、点云测量模块(特别是激光扫描器)和计算单元。

22、该校准方法包括以下步骤：1.)利用点云测量模块获取第二测量数据作为校准点云；2.)标识校准点云中的至少两个非平行的对象边缘，其中，这些对象边缘各自被定义为相应对象边缘的第一平坦表面与第二平坦表面的相交部(intersection)；3.)对于所述至少两个对象边缘中的各个对象边缘，利用单点测量单元跨该对象边缘进行扫描，其中，获取包括对象边缘的各个平坦表面上的至少两个点的一组单测量点，所述单测量点位于直线扫描路径上；4.)得出由测量点的分布而形成的顶点，该顶点对应于对象边缘，如果添加其他可选边缘认为是有益的，则可选地对应地重复步骤3至4；5.)基于对象边缘与所得出的顶点的对准来更新校准参数。

23、在所述方法的一些具体实施方式中，顶点的确定包括：1.)将一组单测量点划分成位于第一平坦表面上的第一组点以及位于第二平坦表面上的第二组点；2.)利用计算单元，通过使用加权拟合方法(特别地，加权最小二乘拟合)对第一组点和第二组点进行拟合来确定所述对象边缘中的各个对象边缘的相应第一线和相应第二线；3.)利用计算单元针对所述对象边缘中的各个对象边缘确定顶点，其中，顶点是第一线与第二线的交点。

24、虽然对于相应对象边缘确定另一组测量点，特别是第一组点、另一第二组点、另一第一线、另一第二线、以及另一顶点(特别是另一交点)不是强制性的，但是校准方法不限于每对象边缘生成单个顶点。

25、根据本发明，校准步骤是以自动校准例程的形式来执行的，其中，不需要来自操作者的进一步的步骤。

26、计算单元可以存储所检测的对象边缘的绝对或相对位置。可以在任何阶段确定勘测仪器的绝对位置或者勘测仪器关于对象边缘的所存储的绝对或相对位置的相对位置。

27、在一些具体实施方式中，对于所述对象边缘中的至少一个对象边缘，该组单测量点位于与对象边缘垂直的平面中。

28、在一些具体实施方式中，对于所述对象边缘中的至少一个对象边缘，该组单测量点是以连续扫描获取的，即，第一角度和第二角度的变化率在获取过程期间分别是恒定的。对于根据本发明的勘测仪器/校准方法，其中勘测仪器的轴线的移动在获取或另选接近路径期间暂停的另选实施方式也是可能的，其中，在单测量点之间勘测仪器不遵循直线扫描路径。

29、在一些具体实施方式中，对于所述对象边缘中的至少一个对象边缘，获取该组单测量点，以使第一角度或第二角度在获取期间仍保持固定。

30、在一些具体实施方式中，至少在多个对象边缘中的一个对象边缘的平坦表面上测量的至少一个点是参考标记。在一些更加具体的实施方式中，校准参数包括参考标记的绝对位置。

31、在一些具体实施方式中，选择另一些对象边缘。在一些更加具体的实施方式中，所选择的对象边缘的特征在于以下项中的至少一个、优选为全部：1.)对于至少两个对象边缘，距点云测量模块的距离基本上相差例如大于2倍(factor)；2.)至少两个对象边缘的方位角基本上不同，举例来说，差异为至少90°，优选为约180°；3.)对于两个对象边缘，仰角基本上不同，举例来说，差异为至少20°。

32、在一些具体实施方式中，第一对象边缘和第二对象边缘彼此垂直。在一些更加具体的实施方式中，还选择第三对象边缘，其中，第三对象边缘垂直于第一对象边缘和第二对象边缘两者。

33、在一些实施方式中，对象边缘的选择是基于价值函数(merit function)来进行的，该价值函数包括基于以下项中的至少一项的参数：1.)对象边缘的弯曲半径，2.)对象边缘的长度，3.)拐角角度(corner angle)，4.)第一平坦表面和第二平坦表面的入射角度，5.)第一平坦表面和第二平坦表面的平坦度，或者6.)第一平坦表面和第二平坦表面的平均强度。不用说，根据价值函数的选择也可以与其它选择方法组合，特别是与上面公开的那些方法组合。

34、本发明还涉及一种用于勘测仪器的计算机可读介质，并且所述计算机可读介质包括可执行指令，所述可执行指令在由计算单元执行时，使得自动执行校准方法的所选实施方式的步骤。

35、所述可执行指令还可以包括用于选择价值函数(merit function)的不同选项，其中，该价值函数包括基于以下项中的至少一项的参数：1.)对象边缘的弯曲半径，2.)对象边缘的长度，3.)拐角角度，4.)第一平坦表面和第二平坦表面的入射角度，5.)第一平坦表面和第二平坦表面的平坦度，或者6.)第一平坦表面和第二平坦表面的平均强度。

36、所述计可执行指令还可以包括数据共享功能，其中，数据共享功能允许在另一些勘测仪器、另一些计算单元或者服务器(特别是提供云服务的服务器)之间进行数据交换。共享的数据可以包括：校准点云、单点测量单元仪器的绝对位置、对象边缘和/或参考标记的绝对和/或相对位置。