三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法及标靶

本发明涉及钢管混凝土拱桥测绘领域，具体涉及三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法及标靶。

背景技术：

1、随着我国工程建造水平的飞速发展，在桥梁工程领域，钢管混凝土拱桥在各地的施工建设更是得到了广泛应用，大跨度，轻质佳，及简单的工艺技术与美观的外观形态在实际应用中有明显的优势。但随着逐渐增加的跨度不仅使钢管混凝土拱桥的施工难度不断增大，原来的施工技术和方法都面临瓶颈。要想实现对整体作业安全风险的整体把控和施工质量的保证，在成拱阶段对拱肋线形的控制需要重点关注。

2、在工程中，拱肋线形和轴线偏位的调整通过扣索以及侧风缆来调整，这一部分需要结合桥梁拱肋线形的主要特点，通过测点三维坐标的控制方法，严格参照拱肋线形的设计要求，规范拼装拱肋的整个作业过程。

3、目前常规的拱桥线形测量方法包括gps测量法、全站仪测量法，以及近几年引入的三维激光扫描仪测量法：

4、1)gps测量法

5、gps测量法是利用gps测量观测点与基站点间的空间位置变化，测量技术定位迅速、仪器架设简便、观测时间短。这种测量方法极大提高了线形测量的速率，但是其绝对精度较低，测量误差较大。目前最先进的测量系统的精度也只能到厘米级，同时成本较高，测量过程又易受天气影响。gps直接获得的是大地经纬度坐标，然后通过一系列的坐标转换将空间坐标转换为投影平面直角坐标。

6、2)全站仪测量法

7、全站仪是一种测量仪器，具有测量角度、距离和高程等功能，其工作原理是全站仪通过内置的激光器发射一束红色或绿色的测距光束，该光束经过望远镜后被发射出去，当测距光束照射到目标物体表面时，部分光束会被反射回来，并通过望远镜进入全站仪的接收器，全站仪接收器接收到反射光束后，会测量光束的时间差来计算出目标物体与全站仪之间的距离，全站仪内置的角度测量装置会测量望远镜的水平和垂直角度，从而计算出目标物体的水平和垂直角度；通过测量目标物体的水平角度和距离，全站仪可以计算出目标物体的水平距离，同时，通过测量望远镜的垂直角度和目标物体的水平距离，全站仪可以计算出目标物体的高程；全站仪可以将测量数据存储在内存中，并进行数据处理和分析，生成测量报告和图形等输出结果，全站仪测得的坐标是平面直角坐标。

8、通常，全站仪测量法需要在结构特定位置架设棱镜或者粘贴反光片作为激光的反射介质，然后在钢管混凝土拱桥外的固定位置架设全站仪，并利用三角高程测量原理对拱肋上单点高差进行计算，得到拱肋线形。

9、但是，全站仪测量法对于棱镜或者反光片的安装要求比较高，棱镜或反光片应该安装在需要测量的点上，且应该与全站仪在同一水平面内；同时，棱镜或反光片的安装高度应该与测量点的高度相同，或者与测量点高度相差不大，如果高度差较大，则会影响测量结果；另外，棱镜或反光片的安装角度应该与全站仪的望远镜水平线垂直，即垂直于地面，如果棱镜的安装角度不垂直，则会导致测量结果出现误差。

10、而且，根据测量条件限制只能测量有限个单点，其结果具有偶然性，如果需要测量多个测点，那么还要考虑变换测站的问题。

11、3)三维激光扫描仪测量法

12、三维激光扫描仪通过发射激光束来照射物体表面，然后检测光束在物体表面反射回来的时间和强度。由于光的传播速度已知，因此可以通过计算光束从激光器发射到物体表面和反射回来所需的时间来计算出物体表面的距离。通过在不同的角度和位置扫描物体表面，并记录每个点的位置、距离和反射强度等信息，就可以获得一个点云数据集。在获取点云数据集之后，需要对其进行后处理，以去除噪声、填补空洞、平滑曲面等，从而生成高质量的三维模型。三维激光扫描仪具有高精度、高效率和非接触等优点。

13、三维激光扫描仪测量技术突破了全站仪只能进行单点采集的缺陷，能够快速实现对目标的三维形态的扫描，受环境影响也较小，精度还能达到和全站仪一样的毫米级。同时无需布设控制点和观测量，还能采集被扫描对象的三维坐标、rgb颜色及反射强度信息。

14、但是，三维激光扫描仪扫描的点云结果数据庞大，需要经过点云配准，降噪，拟合等算法来提取所需结构模型，同时，模型中各点的坐标使相对坐标，不能直接用于施工指令，需要将其转化到现场布设控制网的世界坐标，技术难度较大。

15、综上，根据全站仪和三维激光扫描仪的特点，目前工程领域中在尝试将两者结合使用，即对全站仪的棱镜进行一定加工，使其在满足全站仪的使用条件下，能够被三维激光扫描仪所识别从而提取到该位置的坐标，然后再利用点云中各个棱镜的坐标，与全站仪所测棱镜坐标进行整合转化，将点云中相对坐标转化为真实世界坐标，方便后续得到结构模型和线形数据。

16、但是目前改良后的棱镜对放置角度要求严格、价格昂贵，而且针对于钢管混凝土拱桥来说，改良后的棱镜也不适用放置在钢管混凝土拱桥的钢管上进行使用，安装不便，角度不易调整；同时，三维激光扫描对改良后的棱镜识别精度也不高，而且也没有一种配套的点云数据处理以及坐标转换的算法来进行后续坐标转换处理。

17、因此，需要发明一种能够同时被全站仪和三维激光扫描仪识别的标靶，以及配套的点云数据处理以及坐标转换的算法，以实现能够便捷的将三维激光扫描仪扫描的点云中的相对坐标，自动化、精确、系统的转换到现场控制网的世界坐标，从而便于施工方发布吊装指令。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法的标靶，以解决利用三维激光扫描仪得到的模型中各点的相对坐标，难以自动化、精确的转换到现场控制网的世界坐标的技术问题，以达到能够便捷的将三维激光扫描仪扫描的点云中的相对坐标，自动化、精确、系统的转换到现场控制网的世界坐标，进而有利于后续得到具有世界坐标的钢管混凝土拱桥的结构模型和线形数据，也有利于应用于工程施工。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法，其特征在于，在钢管混凝土拱桥上布置多个标靶；所述标靶具有板状结构的标靶盘，且标靶盘盘面形状为中心对称图形，所述标靶盘盘面中心具有反光片，且反光片中心与所述标靶盘中心重合；

4、在钢管混凝土拱桥外的固定位置分别设置全站仪和三维激光扫描仪，使用全站仪对钢管混凝土拱桥进行扫描，所述钢管混凝土拱桥上安装的标靶的反光片能够对全站仪的扫描光束加以反射，从而能够被全站仪定位，进而得到标靶的绝对坐标；同时，采用三维激光扫描仪对整个钢管混凝土拱桥进行扫描，获取到标靶的标靶盘形状所在区域并拟合出标靶的中心相对坐标；然后，利于将全站仪定位的标靶中心绝对坐标与三维激光扫描仪识别并拟合的标靶中心相对坐标进行融合和转换，确定混凝土拱桥上安装的标靶中心的世界坐标；再根据钢管混凝土拱桥上安装标靶的所在位置坐标与钢管混凝土拱桥的全部点云数据集之间的位置对应关系，将钢管混凝土拱桥的全部点云数据集中的所有相对坐标转换成世界坐标，进而获得全部钢管混凝土拱桥的所有点的世界坐标。

5、进一步的，根据以上所述的三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法，包括以下步骤：

6、s1、首先，在钢管混凝土拱桥的钢管上安装多个所述标靶；

7、s2、在钢管混凝土拱桥外的固定位置架设三维激光扫描仪，对整个钢管混凝土拱桥进行扫描，获取钢管混凝土拱桥所有的点云结果，得到点云数据集；

8、s3、根据步骤s2中得到的点云数据集筛选出各个所述标靶对应的点云，然后拟合出各个所述标靶的中心坐标；

9、s4、在钢管混凝土拱桥外的固定位置架设全站仪，获取各个所述标靶中心的世界坐标，并结合步骤s3中得到的各个所述标靶的中心坐标，对整个点云数据集进行数据转换，进而得到整个点云数据集中每个点的世界坐标。

10、进一步的，步骤s1中，在钢管混凝土拱桥上布置标靶的数量至少为2个。

11、进一步的，步骤s3中，所述根据步骤s2中得到的点云数据集筛选出各个所述标靶对应的点云采用以下方法：首先根据所述标靶形状识别出点云的大致范围，然后再识别出的点云的大致范围内进行点云强度筛选，最后针对筛选出的点云进行点云密度聚类分析，进而筛选出各个所述标靶对应的点云；所述利用筛选出各个所述标靶对应的点云拟合出各个所述标靶的中心坐标采用如下方法：首先对各个所述标靶筛选出的点云数据分别进行平面拟合，分别得到各个拟合平面，然后再分别采用圆形拟合法拟合出拟合平面上的圆形，分别得到各个拟合圆形，得到的各个拟合圆形的圆心坐标，即为各个所述标靶的中心坐标。

12、进一步的，步骤s4中，所述对整个点云数据集进行数据转换采用基于相似性变换的转换矩阵的方法进行坐标转换。

13、第二方面，本发明还公开了用于实现以上所述三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法的标靶，其特征在于，所述标靶包括标靶盘，所述标靶盘为板状结构，所述标靶盘盘面形状为中心对称图形，所述标靶盘盘面中心具有反光片，所述反光片中心与所述标靶盘中心重合；所述标靶盘底部具有能够固定支撑安装在拱桥上且能够进行角度调节的固定安装结构。

14、本发明所述标靶的工作原理是：在钢管混凝土拱桥外的固定位置分别设置全站仪和三维激光扫描仪，所述反光片能够被全站仪定位，进而得到标靶的绝对坐标，同时所述标靶盘特殊的形状能够被三维激光扫描仪所识别，这样就能够拟合出标靶的中心坐标，又由于所述反光片中心位于标靶盘的中心，就利于将全站仪定位的标靶中心绝对坐标与三维激光扫描仪识别并拟合的标靶中心相对坐标进行融合和转换，进而能够将三维激光扫描仪扫描到的钢管混凝土拱桥的全部点云数据集中的所有相对坐标转换成世界坐标，使扫描得到的点云能够与全站仪得到的点对应，从而获得全部钢管混凝土拱桥的所有点的世界坐标，进而有利于后续得到具有世界坐标的钢管混凝土拱桥的结构模型和线形数据，也有利于应用于工程施工；解决了目前的全站仪的标靶和三维激光扫描仪的标靶难以通用的技术问题。

15、进一步的，所述固定安装结构为磁性表座，所述磁性表座包括支架和底座，所述支架能够对标靶进行位置和角度的调节，所述底座包括外壳，所述外壳内固定有磁铁，所述底座能够吸附于铁磁性的平面。所述磁性表座具有强大的磁力和良好的稳定性，具有结构简单、使用方便、精度高等优点，能够很方便的吸附于钢管混凝土拱桥的钢管上，使标靶的布设更加的灵活和方便，解决了现有棱镜的安装难度大的技术问题。

16、进一步的，所述标靶盘的背面还固定有靠近标靶盘边缘布置的正对瞄准装置，所述正对瞄准装置包括第一尖端和第二尖端，所述第一尖端和第二尖端的连线的延长线与所述标靶盘所在平面垂直。

17、在瞄准时，只需要保证光源与第一尖端和第二尖端在一条直线上，即能够保证光源已经瞄准标靶，方便，快捷。

18、进一步的，所述标靶盘盘面形状为圆形、正方形、正三角形、正五边形、正六边形的其中一种。规则的图形形状，尤其是中心对称图形，能够比较容易在三维激光扫描仪得到的点云数量众多的点云数据集中被识别出来，进而降低标靶盘点云数据的识别以及标靶盘中心点拟合的难度。

19、进一步的，所述支架包括第一关节，所述第一关节转动连接有第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端转动连接有第二关节，所述第二关节上还转动连接有第二连杆的另一端，所述第二连杆的另一端转动连接有第三关节，所述第三关节同时与所述底座固定连接；其中，所述第一关节为万向节，用于调节所述标靶盘的角度，所述第二关节和第三关节能够使所述第一连杆和第二连杆分别在互相平行的平面上旋转，从而对标靶盘进行位置调节。所述支架是固定标靶盘的机构，能够稳固支撑标靶，同时又具有可调节高度和角度的功能，以便对标靶盘的位置和角度能够进行调整，改变标靶的姿态，有利于对标靶盘的姿态进行调整使其正对三维激光扫描仪，以方便地进行测量操作，适应不同的测量需求。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明所公开的用于实现以上所述三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法的标靶解决了目前的全站仪所用的棱镜和三维激光扫描仪的标靶中心不重合，难以共用的技术问题；并且与传统的棱镜相比，本技术文件中公开的标靶仅是一个靶盘加上反光片组合而成，造价低，易生产，标靶上安装的磁性表座能很好的贴合钢管的管壁，解决了传统棱镜放置于钢管混凝土钢管上的不易性。

22、2、本技术文件中的公开的针对所述标靶设计的三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法，能够简单的提取所述标靶中心点坐标，能够解决三维激光复杂繁琐的点云处理功能，能够用算法去识别并找到标靶中心点，解决了传统需要人工在点云集手动选点所带来的误差，并且能够对整个拱肋处理从而提取完整线形。因此，本技术文件中的公开的针对所述标靶设计的三维激光扫描钢管混凝土拱桥的世界坐标的方法，能够简单的提取所述标靶中心点坐标完整度高，结果直观，降低了处理点云的门槛。