一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置及方法

摘要

本发明公开了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置及方法，包括：移动载体，所述移动载体上设有旋转部，所述旋转部分别连接用于搭载激光扫描仪的升降部以及用于搭载目标物的扫描仪伸缩部；所述调节激光扫描仪的扫描角度可调，以检校扫描水平倾角对点云精度的影响；所述目标物方向与激光扫描仪入射方向之间的角度可调，以检校扫描竖直倾角对点云精度的影响。本发明有益效果：实现了地面三维激光扫描仪在工程实践中较为实用化的精度检校，提高了精度检校的准确性和可靠性。

权利要求

1.一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，包括：移动载体，所述移动载体上设有旋转部，所述旋转部分别连接用于搭载激光扫描仪的升降部以及用于搭载目标物的扫描仪伸缩部；

所述激光扫描仪的扫描角度可调，以检校扫描水平倾角对点云精度的影响；所述目标物方向与激光扫描仪入射方向之间的角度可调，以检校扫描竖直倾角对点云精度的影响。

2.如权利要求1所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述旋转部包括：能够在水平方向内旋转的圆盘主体，设置在所述圆盘主体圆周方向上的至少一个用于连接扫描仪伸缩部的安装支座；所述圆盘主体分别通过连接轴承与移动载体和升降部连接。

3.如权利要求1所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述升降部包括：升降本体，与升降本体连接的升降杆，以及与所述升降杆连接的安装座。

4.如权利要求1所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述扫描仪伸缩部包括：通过铰接连接的至少两节伸缩臂；其中一节伸缩臂与旋转部铰接，另一节伸缩臂连接目标物固定装置。

5.如权利要求4所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述目标物固定装置包括：与伸缩臂连接的连接件，与所述连接件连接的升降旋转底座，所述升降旋转底座上安装有旋转铰支座，目标物固定板与所述旋转铰支座连接。

6.如权利要求5所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述旋转铰支座能够在升降旋转底座的旋转带动下，在水平面内旋转；同时，所述旋转铰支座能够在竖直方向内旋转，以带动目标物固定板的位置在空间内移动。

7.如权利要求5所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述目标物固定板上预留用于安装棱镜的螺栓孔。

8.如权利要求1所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，其特征在于，所述升降部上还设有红外线发射装置。

9.一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校方法，其特征在于，包括：确定目标物的目标方位，使得激光扫描仪中心对准目标物；

当探究扫描水平倾角对点云精度的影响时，目标物方向不变，调整激光扫描仪的水平入射角度；分别采集不同水平入射角度下的点云信息；

当探究扫描竖直倾角对点云精度的影响时，激光扫描仪的水平入射角度不变，改变目标物方向与激光扫描仪入射方向之间的夹角，分别获取不同夹角下的点云信息；

当探究扫描距离对点云精度的影响时，激光扫描仪的水平、竖直入射角均保持不变，改变目标物与扫描仪之间的测量距离，分别获取不同距离下的点云信息；

当探究颜色对点云精度的影响时，不同目标物固定板上安装的目标物颜色不同，分别采集不同颜色目标物的点云信息；

当探究环境对点云精度的影响时，控制移动载体在不同的环境下采集目标物的点云信息。

10.如权利要求9所述的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校方法，其特征在于，还包括：提取单位面积内点云的数量，以及目标的特征长度和宽度信息，通过公式计算扫描仪的内外符合精度，探究各因素对点云精度的影响。

说明书

一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光扫描仪点云精度检测技术领域，尤其涉及一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置及方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 三维激光扫描技术被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”。三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，能快速提取物体表面海量的三维坐标数据及纹理
数据，并且凭借其非接触性、快速性和主动性等优点，被广泛应用到工程实践生产中。但是
扫描仪在获取数据时不可避免地会产生误差，随着地面三维激光扫描仪的快速发展，点云
精度问题受到越来越多的关注。

[0004] 发明人在研究中发现：在工程实践中，地面三维激光扫描仪可能经过长时间使用、磨损、震动或其他原因可能会导致测量精度下降甚至发生测量错误，严重时可能会造成工
程事故，因此三维激光扫描系统测量精度评估和检定对于点云数据质量和工程成果质量的
控制至关重要；在不同的工程领域中或者面对不同的测绘项目及测绘对象时，三维激光扫
描仪还可能会因为检测环境或检测目标的差异造成不同程度的检测误差，因此不同工程对
获取的点云精度需求与可允许误差阈值也大不相同，需针对不同项目制定特定的检测方
案。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提出了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置及方法，能够对不同型号的三维激光扫描仪进行点云精度影响因素试验及分析并对仪器内外符合
精度进行精确计算，实现地面三维激光扫描仪在工程实践中较为规范和实用化的精度检
校。

[0006] 本发明实施方式的第一个方面，公开了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置，包括：移动载体，所述移动载体上设有旋转部，所述旋转部分别连接用于搭载激光扫
描仪的升降部以及用于搭载目标物的扫描仪伸缩部；

[0007] 所述调节激光扫描仪的扫描角度可调，以检校扫描水平倾角对点云精度的影响；所述目标物方向与激光扫描仪入射方向之间的角度可调，以检校扫描竖直倾角对点云精度
的影响。

[0008] 本发明实施方式的第二个方面，公开了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校方法，包括：

[0009] 确定目标物的目标方位，使得激光扫描仪中心对准目标物；

[0010] 当探究扫描水平倾角对点云精度的影响时，目标物方向不变，调整激光扫描仪的水平入射角度；分别采集不同水平入射角度下的点云信息；

[0011] 当探究扫描竖直倾角对点云精度的影响时，激光扫描仪的水平入射角度不变，改变目标物方向与激光扫描仪入射方向之间的夹角，分别获取不同夹角下的点云信息；

[0012] 当探究扫描距离对点云精度的影响时，激光扫描仪的水平、竖直入射角均保持不变，改变目标物与扫描仪之间的测量距离，分别获取不同距离下的点云信息；

[0013] 当探究颜色对点云精度的影响时，不同目标物固定板上安装的目标物颜色不同，分别采集不同颜色目标物的点云信息；

[0014] 当探究环境对点云精度的影响时，控制移动载体在不同的环境下采集目标物的点云信息。

[0015] 进一步地，还包括：

[0016] 提取单位面积内点云的数量，以及目标的特征长度和宽度信息，通过公式计算扫描仪的内外符合精度，探究各因素对点云精度的影响。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0018] 本发明升降装置可安装多种型号的扫描仪，便于进行仪器精度对比，选取适合实际工程项目的三维激光扫描仪。

[0019] 本发明可旋转圆盘装置可安装多个伸缩臂装置，可设置多个对照组，且伸缩臂装置可在水平面内旋转，保证了水平入射角试验中各组试验的“三维扫描仪与目标物的距离”
这一变量相同。

[0020] 本发明伸缩臂可伸缩、旋转，目标物固定装置可固定目标物，并可旋转角度，方便入射水平倾角、竖直倾角、以及距离的调整，其使用方法保证了水平及竖直入射角试验中各
组试验的“三维扫描仪与目标物的距离”这一变量相同，避免了传统精度检校试验中利用全
站仪进行对比的工作，提高了扫描仪内外符合精度检校的准确性，并且不需要借助墙壁等，
可以随时更换目标物。

[0021] 本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

[0022] 图1示出了本发明实施例所提供的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置结构示意图；

[0023] 图2示出了本发明实施例所提供的一种移动载体与升降部结构示意图；

[0024] 图3示出了本发明实施例所提供的一种旋转部结构示意图；

[0025] 图4示出了本发明实施例所提供的一种扫描仪伸缩部结构示意图；

[0026] 图5示出了本发明实施例所提供的一种目标物固定装置结构示意图；

[0027] 图6示出了本发明实施例所提供的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置工作示意图；

[0028] 图7示出了本发明实施例所提供的一种水平倾角检校时的俯视示意图；

[0029] 图8示出了本发明实施例所提供的一种竖直倾角检校时的左视示意图；

[0030] 其中，1工程车，2扫描仪升降部，3旋转部，4伸缩部，5目标物固定装置， 6红外线发射装置；

[0031] 1‑1工程车主体，1‑2车轮；

[0032] 2‑1升降本体，2‑2升降杆，2‑3扫描仪安装底座；

[0033] 3‑1圆盘主体，3‑2第一旋转铰支座，3‑3连接轴承；

[0034] 4‑1第一节伸缩臂，4‑2第二节伸缩臂，4‑3球铰；

[0035] 5‑1目标物固定板，5‑2第一连接螺栓，5‑3第二旋转铰支座，5‑4升降旋转底座，5‑5第二连接螺栓，5‑6螺栓孔。

具体实施方式

[0036] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通
常理解的相同含义。

[0037] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0038] 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0039] 实施例一

[0040] 根据本发明专利实施例，提供了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置的实施例，图1是根据本发明实施例的一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置的结构
示意图。

[0041] 参照图1，地面三维激光扫描仪的点云精度检校装置包括：移动载体，移动载体上设有旋转部3，旋转部3分别连接用于搭载激光扫描仪的扫描仪升降部2 以及用于搭载目标
物的伸缩部4；扫描仪升降部2上还设有红外线发射装置6，用于确定目标物方位，在距离检
校试验中确保距离的精确性。

[0042] 其中，移动载体采用工程车1，参照图2，工程车1结构包括：工程车主体 1‑1，用于固定及承载整个装置；工程车主体1‑1底部设有车轮1‑2，实现工程车 1的移动；旋转部3和
扫描仪升降部2均设置在工程车主体1‑1上。

[0043] 工程车1可移动，能在多种检测环境中进行扫描仪的精度检校工作，根据检测结果可在实际工程设计更有利于项目的检测方案。

[0044] 扫描仪升降部2包括：升降本体2‑1，与升降本体2‑1连接的升降杆2‑2，以及与所述升降杆2‑2连接的安装座。参照图2，升降本体2‑1用于承载升降杆 2‑2、扫描仪安装底座2‑3
以及试验用的三维激光扫描仪等装置。

[0045] 旋转部3包括：能够在水平方向内旋转的圆盘主体3‑1，设置在所述圆盘主体3‑1圆周方向上的至少一个用于连接伸缩部4的第一旋转铰支座3‑2；圆盘主体3‑1分别通过连接
轴承3‑3与移动载体和扫描仪升降部2连接。

[0046] 具体地，参照图3，旋转部3嵌于工程车主体1‑1中，圆盘主体3‑1圆周安装有6个第一旋转铰支座3‑2。

[0047] 在具体的实施例中，工程车1可依靠车轮1‑2进行移动，升降本体2‑1上的升降杆2‑2能够升降，圆盘主体3‑1可在水平方向内旋转。

[0048] 伸缩部4包括：通过铰接连接的至少两节伸缩臂；其中一节伸缩臂与旋转部3铰接，另一节伸缩臂连接目标物固定装置5。

[0049] 具体地，参照图4，伸缩部4包括第一节伸缩臂4‑1、第二节伸缩臂4‑2和球铰4‑3组成，两节伸缩臂都可伸缩，通过球铰4‑3连接，保证了第二节伸缩臂4‑2在空间内的自由度。
第一节伸缩臂4‑1通过第一旋转铰支座3‑2连接到圆盘主体3‑1上。

[0050] 目标物固定装置5包括：与第二节伸缩臂4‑2连接的连接件，与连接件连接的升降旋转底座5‑4，升降旋转底座5‑4上安装有第二旋转铰支座5‑3，目标物固定板5‑1与第二旋
转铰支座5‑3连接。

[0051] 具体地，参照图5，目标物固定装置5通过第二连接螺栓5‑5与第二节伸缩臂4‑2连接，升降旋转底座5‑4上安装有第二旋转铰支座5‑3，第二旋转铰支座 5‑3通过第一连接螺
栓5‑2连接目标物固定板5‑1，目标物固定板5‑1上预留螺栓孔5‑6，用于安装棱镜。棱镜的作
用是在角度测量和距离测量过程中，每次测量目标物A4纸之前，先安装棱镜确定角度或者
距离。

[0052] 第二旋转铰支座5‑3能够在升降旋转底座5‑4的旋转带动下，在水平面内旋转；升降旋转支座5‑4的升降轴上固定有旋转铰支座5‑3，上下伸缩升降轴能够实现5‑3高度的升
降，转动5‑4的底座能够带动5‑3的旋转。

[0053] 同时，第二旋转铰支座5‑3能够在竖直方向内旋转，以带动目标物固定板5‑1的位置在空间内移动。目标物固定板通过5‑2螺栓与旋转铰支座5‑3的旋转轴连接，轴可转动，便
带动了5‑1目标物固定板在竖直平面内的旋转。

[0054] 在具体的实施例中，当需要调整目标物的高度和角度时，需要同时协调伸缩臂和目标物固定装置5。第一旋转铰支座3‑2保证伸缩臂在竖直平面内旋转和升降，球铰4‑3保证
第二节伸缩臂4‑2能够在空间内的旋转，升降旋转底座5‑4 能够保证目标物在竖直方向的
升降和水平面内的旋转，第二旋转铰支座5‑3能够保证目标物在竖直平面内的旋转。

[0055] 实施例二

[0056] 根据本发明专利实施例，提供了一种地面三维激光扫描仪的点云精度检校方法的实施例，具体包括如下过程：

[0057] (1)开始检测前，移动工程车1到达指定检测地点，并固定其位置，将三维激光扫描仪安装到扫描仪升降部2上，调整升降本体2‑1的高度，使三维激光扫描仪的仪器高为1.5
米，并将仪器调平。

[0058] (2)将伸缩部4通过第一旋转铰支座3‑2连接到可旋转圆盘上，此时装置整体图如图6所示，接下来将棱镜通过预留螺栓孔5‑6连接到目标物固定板5‑1 上。

[0059] (3)当探究扫描水平倾角对点云精度的影响时，调整第二节伸缩臂4‑2的倾斜角度，使其平行于地面，再调整第一节伸缩臂4‑1的倾斜角度，利用红外线发射装置6发射红外
线确定目标物固定板5‑1上的目标物位置，使三维激光扫描仪中心位置与目标物中心位置
平齐，此时调整第二节伸缩臂4‑2的伸缩长度，使三维激光扫描仪和目标物之间的距离为2
米(距离可自行设定)。

[0060] 此时的位置为目标物在试验中的初始位置，扫描的水平入射角度为90°，对棱镜进行扫描，此时在三维激光扫描仪会自动记录这个点(目前市面上的三维扫描仪扫描到棱镜
后都会记录棱镜点的位置)，在扫描仪的控制面板中将这个扫描点的位置定为初始位置和
初始角度。然后将棱镜拆下，将一张黑色A4纸(此为本试验的目标物)贴在目标物固定板5‑1
上，进行第一次目标物扫描并保存数据。接下来，通过控制旋转部3的旋转，令伸缩臂和目标
物固定装置5组成的系统分别相对第一次扫描时旋转15°，5‑1上再次安装棱镜并扫描，然后
在扫描仪的控制面板中查看点的方向信息是否相对初始位置移动了15°，如果角度有偏差，
则微调旋转部3，接下来将目标物黑色A4纸贴在5‑1上进行扫描并保存数据。然后依次将旋
转部3旋转30°、45°、60°和75°，并通过调整目标物固定装置5中的升降旋转底座5‑4实现在
水平面内的旋转，使目标物固定板5‑1始终与第一次扫描时平行，如图7所示。

[0061] 此时，扫描仪的水平入射角分别为75°、60°、45°、30°和15°。每调整好一次角度就安装棱镜进行点位记录及调整，然后拆下棱镜固定并扫描目标物，每一次都保存扫描点云
数据。

[0062] (4)当探究扫描竖直倾角对点云精度的影响时，将目标物固定调整至初始位置，此时扫描的竖直入射角度为90°，安装棱镜并扫描记录点位，接下来固定好目标物进行扫描并
保存数据。接下来，通过调整目标物固定装置5的第二旋转铰支座5‑3实现在竖直平面内的
旋转，使扫描的竖直入射角度分别为75°、 60°、45°、30°和15°，如图8所示。

[0063] 每调整好一次角度先安装棱镜进行扫描并微调角度，然后固定好目标物进行扫描并记录和保存扫描点云数据。

[0064] (5)当探究扫描距离对点云精度的影响时，将工程车1移动至较广阔的平地，确定三维扫描仪的一个正方向，并发射红外线确定一条直线，在此直线上距离扫描仪5米处放置
三脚架并安装棱镜，调整三脚架令棱镜与三维激光扫描仪的中心位置平齐，扫描棱镜记录
点位，将三脚架上安装目标物固定装置5并放置A4纸进行扫描。

[0065] 分别间隔10米、20米、30米、40米、50米、100米沿直线进行试验并保存扫描点云数据。

[0066] 本实施例中，每次在扫描目标物之前先扫描棱镜，扫描的棱镜位置信息会被扫描仪记录下来，能够保证每次调整目标物的位置后扫描水平入射角、竖直入射角和扫描距离
的准确性。

[0067] (6)当探究目标物颜色对点云精度的影响时，在位于初始位置的目标物固定板5‑1上更换不同颜色的A4纸，分别扫描并记录和保存数据。也可以在旋转部3上通过第一旋转铰
支座3‑2安装多个伸缩臂和目标物固定装置5，每个装置上安装不同颜色的目标物并全部调
整为初始位置，分别扫描并保存扫描点云数据。

[0068] (7)当探究环境对点云精度的影响时，遥控工程车1至指定地点，安装伸缩臂和目标物固定装置5，并将目标物调整至初始位置，固定扫描距离和角度、颜色等变量，分别在不
同环境中采集目标物的点云信息，例如一天中的不同时刻，或晴天、阴天、雾天的同一时刻
进行扫描，并保存扫描点云数据。

[0069] 本实施例中，旋转部3的圆盘主体3‑1上可以安装多个伸缩臂，因此在试验中分别探究各个因素的影响时可以设置对照组，重复以上步骤并获得点云数据，提高数据分析结
果的准确性。

[0070] 本实施例中获得的不同检测因素条件下的点云数据精度的评价将从以下三方面进行：

[0071] 1)单位面积内点云的数量。点云数量可直观体现扫描得到的相邻点之间的间隔，间接体现扫描精度；

[0072] 2)目标的特征长度和宽度。通过统计与分析每次实验数据中这两个方面的情况，可以判断各因素对扫描点云精度的影响；

[0073] 3)仪器的内外符合精度可用下列公式表示

[0074]

[0075] 式中，m表示中误差；n表示观测次数；v表示改正数。

[0076] 下面选取目标物的长度特征(一张A4纸的标准长度为297mm)举例说明不同水平倾角对仪器的内外符合精度的影响：

[0077] 表1不同水平入射角下的观测数据

[0078]

[0079] 扫描仪的内符合精度指的是在相同位置相同参数设置下对同一目标进行多次观测，比较各个观测值之间的离散度，该指标可以反映仪器在不同的观测条件下仪器内部的
稳定性。

[0080] 当水平入射倾角为15°时仪器内符合精度可表示为

[0081]

[0082] 分别计算不同水平入射倾角下的中误差，分析水平入射倾角对仪器内符合精度的影响，|m1|值越小表明仪器内部稳定性越好。

[0083] 扫描仪的外符合精度指的是在相同位置相同参数设置下对同一目标进行多次观测，比较各个观测值与目标准真值的偏差度，该指标可以反映测量精度。

[0084] 当水平入射倾角为15°时仪器外符合精度可表示为

[0085]

[0086] 分别计算不同水平入射倾角下的中误差，分析水平入射倾角对仪器外符合精度的影响，|m2|值越小表明精度越高。

[0087] 本实施例中，探究水平倾角、竖直倾角、扫描距离、目标物颜色和环境因素对点云精度的影响时，可以根据检测装置情况、项目情况等因素对角度、距离、目标物颜色、和环境
等变量自行设计或更改，以满足不同使用人群和不同项目的需求。

[0088] 本发明实施方式实现了地面三维激光扫描仪在工程实践中较为实用化的精度检校，提高了精度检校的准确性和可靠性。

[0089] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。