水陆一体化点云测距系统及校准方法与流程

1.本发明涉及船载水陆一体化测量系统，尤其涉及水陆一体化点云测距系统校准方法。


背景技术：

2.船载水陆一体化测量系统又称为船载多传感器水上水下一体化测量系统、船载水上水下一体化移动三维测量系统、及水岸一体综合测量系统、船载水陆一体化点云测距系统，是将多波束测深线系统、三维激光扫描仪和定位设备、姿态测量设备等多种传感器集成于一体，使用多波束测深系统对水地形进行量测，使用三维激光扫描仪对陆域地形进行量测，并使用定位设备和姿态测量设备获取位置信息和姿态信息，实现对近岸的水上水下地形数据同步、高精度、高效率采集。与传统的陆域水域数据分开采集的技术相比，该系统获取数据可以大幅减少测量盲区，提高测量精度和效率，可为交通运输、港口建设、安全通航、河口海岸工程开发、水陆联运和海洋经济及海洋资源开发提供重要的基础数据支撑。
3.目前，统一基准、水陆无缝同步采集数据的船载水陆一体化点云测距系统是目前工程测量和海洋测绘研究的高尖端设备，也是未来发展的必然趋势。国内外已经有成熟的产品应用于项目生产实践。在同一基准下采集的水上及水下数据一致性及位置是否准确，是衡量系统的关键性指标。虽然已经有针对部分传感器的计量检定或校准手段。例如，对多波束测深系统，拥有交通运输部计量检定规程jjg(交通)《浅水多波束测深仪校准规范》的报批稿；对三维激光扫描仪，拥有国家计量技术规范jjf 1406-2013《地面激光扫描仪校准规范》；对卫星定位设备，拥有国家计量技术规范jjf 1118-2004《全球定位系统(gps)接收机(测地型和导航型)校准规范》；对姿态传感器，拥有交通运输部计量检定规程jjg(交通)170-2020《水运工程姿态测量仪检定规程》。这些校准规范或规程只是针对各独立的传感器使用进行校准或检定，即对各传感器所测数据质量情况进行评定；而高度集成的船载水陆一体化测量系统主要受各传感器的精度、安装误差及采集软件性能等的影响，往往传感器的数据质量的好坏不能代替系统数据质量的好坏，难以检测水上水下点云一致性。整个船载水陆一体化测量系统的国家、部门和地方计量检定或校准规范尚无，缺少相应的评价依据。
4.现有的检测方法只针对独立的传感器，而船载水陆一体化点云测距测量系统，主要受各传感器的精度、安装误差及采集软件性能的影响，传感器数据的质量不能替代水陆一体化点云测距测量系统的数据质量，对整个系统进行检测的方法尚无。因此，针对船载水陆一体化测量系统水上水下点云一致性检测，研制特定检测方法，形成船载水陆一体化测量系统水上水下点云一致性检测，为船载水陆一体化测量系统的性能评价及数据质量提供保障。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种操作简单、集成度高、可移植性好、实用性高
的水陆一体化点云测距系统校准方法。
6.本发明的目的是提供一种可以准确性高、易组装的水陆一体化点云测距系统。
7.技术方案：为了实现上述发明目的，水陆一体化点云测距系统校准方法，应用于水陆一体化点云测距装置，所述装置包括位于水平面之上的第一靶球、位于水平面之下的第二靶球、设置于第一靶球表面的棱镜，以及连接于第一靶球和第二靶球之间的伸缩杆，所述方法包括：
8.s100：获取全站仪检测的棱镜坐标；
9.s200：依据棱镜坐标计算第一靶球球心的标准坐标和第二靶球球心的标准坐标，并计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为标准距离；
10.s300：获取第一靶球球心的检测坐标以及第二靶球球心的检测坐标，并计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为检测距离；
11.s400：计算标准距离和检测距离的差值，作为标准距离一致性评定值输出；
12.s500：保持第一靶球与水平面的距离不变，改变第二靶球距离水平面的距离，返回所述s100，直至得到n个标准距离一致性评定值，n为大于等于4的正整数。
13.优选地，所述s100之前，还包括：对所述棱镜、第一靶球和第二靶球进行整平操作，以使棱镜,第一靶球和第二靶球的球心在同一铅垂线上。所述整平操作包括但不限于整平装置，以保证靶球中心位置及两靶球中心距离标准值的获取，极大简化了实验难度及实验数据处理算法；此外，对于测量精度而言，所述全站仪与棱镜的共同使用保证了标准值的准确性及可靠性。
14.作为本发明的优选实施例，所述棱镜为三棱镜，所述全站仪为1mm+ppm高精度全站仪。
15.优选地，所述s300，还包括：往返采集第一靶球球心的坐标和第二靶球球心的坐标，对采集的第一靶球球心坐标和第二靶球球心坐标进行拟合，得到第一靶球球心的检测坐标和第二靶球球心的检测坐标。可在距离伸缩杆10米至50米之间的水平面上设定任意距离值进行往返及不同距离测量，保证了实验数据的准确性、严密性。
16.优选地，所述s300之后，还包括：计算第一靶球球心标准坐标和第一靶球球心的检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第一靶球一致性评定值输出，如公式1所示，
17.p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)-p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)。
ꢀꢀꢀ
公式1；
18.计算第二靶球球心标准坐标和第二靶球球心的检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第二靶球一致性评定值输出，如公式2所示，
19.p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)-p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)
ꢀꢀꢀ
公式2；
20.其中，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)为第一靶球的标准坐标，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)为第二靶球的标准坐标，p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)为第一靶球的检测坐标，p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)为第二靶球的检测坐标。
21.优选地，所述s300之后，还包括：将第一靶球球心的检测坐标和第二靶球球心的检测坐标投影至同一平面上；
22.计算投影在平面上的第一靶球球心坐标值与第二靶球球心坐标值的平面差值，将该平面差值作为第一靶球与第二靶球一致性评定值输出，如公式3所示，
[0023][0024]
优选地，所述s400，还包括：依据公式4计算的标准距离一致性评定值输出为：z
upi-z
downi-siꢀꢀꢀ
公式4；
[0025]
其中，z
upi
是第一靶球球心检测坐标的竖轴，z
downi
是第二靶球球心检测坐标的竖轴，si是第一靶球和第二靶球球心的标准距离。
[0026]
优选地，所述s500，还包括：将第一靶球一致性输出评定值进行平均后输出；如公式5所示，
[0027][0028]
将第二靶球一致性输出评定值进行平均后输出；如公式6所示，
[0029][0030]
将标准距离一致性输出评定值进行平均后输出；如公式7所示，
[0031][0032]
将第一靶球与第二靶球一致性输出评定值进行平均后输出；如公式8所示，
[0033][0034]
获取水上水下点云一致性综合检验指标；
[0035]
其中，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)为第一靶球的标准坐标，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)为第二靶球的标准坐标，p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)为第一靶球的检测坐标，p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)为第二靶球的检测坐标，i表示第二靶球距离水平面不同距离对应的序号，n表示包含的水深序号数量。
[0036]
优选地，所述伸缩杆可灵活调节第二靶球距离水平面的距离。第二靶球距离水平面的距离可以大于2米，便于水下靶球点云数据的采集及统计。
[0037]
优选地，所述第一靶球球心坐标和所述第二靶球球心坐标均在同一坐标系下进行获取。靶球直径可以大于等于0.5米，以保证水上水下点云测量系统对靶球的采集。
[0038]
水陆一体化点云测距系统，包括：船载水陆一体化系统、点云测距系统、全站仪棱镜系统；
[0039]
全站仪棱镜系统用于检测水陆一体化点云测距系统中第一靶球球心和第二靶球球心的标准坐标及其标准距离；
[0040]
点云测距系统用于检验船载水陆一体化系统中第一靶球球心和第二靶球球心检测坐标及其检测距离的示值误差。
[0041]
有益效果：球状标靶的几何中心距球体表面各点的距离相等，且数据采集过程中任意角度都可获得其表面1/2的点云数据，更便于拟合其几何中心；整平操作保证了第一靶球球心、第二靶球球心和棱镜中心处于同一铅垂线上，极大简化了实验难度及实验数据处理算法；利用船载水陆一体化测量系统往返及不同距离测量，保证了实验数据的准确性、严密性。
[0042]
使用本检测方法，可以准确有效地对船载水陆一体化测量系统检测的水上及水下点云的一致性进行评定；借助本检测方法可保障生产数据成果的准确性、可靠性，提高作业人员的信心；同时本检测方法操作简单，系统集成度高，可移植性好，能够在不同场地复现相同结果，降低了对技术人员的技术要求，并且测量设备简单易维护，为以后持续升级改造奠定了基础，实用性高，极大程度上降低了成本。
附图说明
[0043]
图1是实施例1水陆一体化点云测距装置示意图；
[0044]
图2是实施例1水陆一体化点云测距示意图。
具体实施方式
[0045]
实施例1
[0046]
如图1所示，水陆一体化点云测距系统校准方法，应用于水陆一体化点云测距装置，装置包括位于水平面之上的第一靶球2、位于水平面之下的第二靶球5、设置于第一靶球2表面的三棱镜1，以及连接于第一靶球2和第二靶球5之间的伸缩杆4，方法包括：
[0047]
用整平装置3使三棱镜1,第一靶球2和第二靶球5的球心在同一铅垂线上；
[0048]
设置第一靶球2与水平面的距离2m固定不变，通过调节伸缩杆的长度使第二靶球5与水平面的距离分别为2m、4m、6m、8m，对应的序号分别为i＝1、2、3、4，获取1mm+ppm高精度全站仪检测的三棱镜1坐标；
[0049]
依据三棱镜1坐标计算第一靶球2球心的标准坐标和第二靶球5球心的标准坐标，并计算第一靶球2球心和第二靶球5球心之间的垂直距离，记为标准距离；
[0050]
如图2所示，在距离伸缩杆10m、20m、30m处，往返采集第一靶球2球心的坐标和第二靶球5球心的坐标，对采集的第一靶球2球心坐标和第二靶球5球心坐标进行拟合，得到第一靶球2球心的检测坐标和第二靶球5球心的检测坐标，并计算第一靶球2球心和第二靶球5球心之间的垂直距离，记为检测距离；
[0051]
第一靶球2球心坐标和第二靶球5球心坐标，均在同一坐标系下进行获取；
[0052]
依据公式1计算第一靶球2球心标准坐标和第一靶球2球心检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第一靶球2一致性评定值输出，
[0053]
p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)-p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)。
ꢀꢀꢀ
公式1；
[0054]
依据公式2计算第二靶球5球心标准坐标和第二靶球5球心检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第二靶球5一致性评定值输出，
[0055]
p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)-p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)
ꢀꢀꢀ
公式2；
[0056]
将第一靶球2球心的检测坐标和第二靶球5球心的检测坐标投影至同一平面上；
[0057]
依据公式3计算投影在平面上的第一靶球2球心坐标值与第二靶球5球心坐标值的
平面差值，将该平面差值作为第一靶球2与第二靶球5一致性评定值输出，
[0058][0059]
依据公式4计算标准距离和检测距离的差值，将该标准距离一致性评定值输出为：
[0060]zupi-z
downi-siꢀꢀꢀ
公式4；
[0061]
依据公式5将第一靶球2一致性输出评定值进行平均后输出，，
[0062][0063]
依据公式6将第二靶球5一致性输出评定值进行平均后输出，
[0064][0065]
依据公式7将标准距离一致性输出评定值进行平均后输出，
[0066][0067]
依据公式8将第一靶球2与第二靶球5一致性输出评定值进行平均后输出，
[0068][0069]
获取水上水下点云一致性综合检验指标；
[0070]
其中，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)为第一靶球2的标准坐标，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)为第二靶球5的标准坐标，p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)为第一靶球2的检测坐标，p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)为第二靶球5的检测坐标，si是第一靶球2和第二靶球5球心的标准距离，i表示第二靶球5距离水平面不同距离对应的序号，n为4。
[0071]
水陆一体化点云测距系统，包括：船载水陆一体化系统、点云测距系统、全站仪棱镜系统；
[0072]
全站仪棱镜系统用于检测点云测距系统中第一靶球2球心和第二靶球5球心的标准坐标及其标准距离；
[0073]
点云测距系统用于检验船载水陆一体化系统中第一靶球2球心和第二靶球5球心检测坐标及其检测距离的示值误差。
[0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，应用于水陆一体化点云测距装置，所述装置包括位于水平面之上的第一靶球、位于水平面之下的第二靶球、设置于第一靶球表面的棱镜，以及连接于第一靶球和第二靶球之间的伸缩杆，所述方法包括：s100：获取全站仪检测的棱镜坐标；s200：依据棱镜坐标计算第一靶球球心的标准坐标和第二靶球球心的标准坐标，并计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为标准距离；s300：获取第一靶球球心的检测坐标以及第二靶球球心的检测坐标，并计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为检测距离；s400：计算标准距离和检测距离的差值，作为标准距离一致性评定值输出；s500：保持第一靶球与水平面的距离不变，改变第二靶球距离水平面的距离，返回所述s100，直至得到n个标准距离一致性评定值，n为大于等于4的正整数。2.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s100之前，还包括：对所述棱镜、第一靶球和第二靶球进行整平操作，以使棱镜,第一靶球和第二靶球的球心在同一铅垂线上。3.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s300，还包括：往返采集第一靶球球心的坐标和第二靶球球心的坐标，对采集的第一靶球球心坐标和第二靶球球心坐标进行拟合，得到第一靶球球心的检测坐标和第二靶球球心的检测坐标。4.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s300之后，还包括：依据公式1计算第一靶球球心标准坐标和第一靶球球心的检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第一靶球一致性评定值输出，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)-p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)。公式1；依据公式2计算第二靶球球心标准坐标和第二靶球球心的检测坐标的坐标差值，将该坐标差值作为第二靶球一致性评定值输出，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)-p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)公式2；其中，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)为第一靶球的标准坐标，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)为第二靶球的标准坐标，p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)为第一靶球的检测坐标，p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)为第二靶球的检测坐标。5.根据权利要求4所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s300之后，还包括：将第一靶球球心的检测坐标和第二靶球球心的检测坐标投影至同一平面上；依据公式3计算投影在平面上的第一靶球球心坐标值与第二靶球球心坐标值的平面差值，将该平面差值作为第一靶球与第二靶球一致性评定值输出，6.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s400，还包括：
依据公式4计算的标准距离一致性评定值输出为：z
upi-z
downi-s
i
公式4；其中，z
upi
是第一靶球球心检测坐标的竖轴，z
downi
是第二靶球球心检测坐标的竖轴，s
i
是第一靶球和第二靶球球心的标准距离。7.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述s500，还包括：依据公式5将第一靶球一致性输出评定值进行平均后输出，依据公式6将第二靶球一致性输出评定值进行平均后输出，依据公式7将标准距离一致性输出评定值进行平均后输出，依据公式8将第一靶球与第二靶球一致性输出评定值进行平均后输出，获取水上水下点云一致性综合检验指标；其中，p
up
(x
up
,y
up
,z
up
)为第一靶球的标准坐标，p
down
(x
down
,y
down
,z
down
)为第二靶球的标准坐标，p
upi
(x
upi
,y
upi
,z
upi
)为第一靶球的检测坐标，p
downi
(x
downi
,y
downi
,z
downi
)为第二靶球的检测坐标，i表示第二靶球距离水平面不同距离对应的序号，n表示包含的水深序号数量。8.根据权利要求1所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述伸缩杆可灵活调节第二靶球距离水平面的距离。9.根据权利要求3所述的水陆一体化点云测距系统校准方法，其特征在于，所述第一靶球球心坐标和所述第二靶球球心坐标均在同一坐标系下进行获取。10.水陆一体化点云测距系统，其特征在于，包括：船载水陆一体化系统、点云测距系统、全站仪棱镜系统；全站仪棱镜系统用于检测点云测距系统中第一靶球球心和第二靶球球心的标准坐标及其标准距离；点云测距系统用于检验船载水陆一体化系统中第一靶球球心和第二靶球球心检测坐标及其检测距离的示值误差。

技术总结
本发明公开了水陆一体化点云测距系统校准方法，依据棱镜坐标计算第一靶球球心的标准坐标和第二靶球球心的标准坐标，计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为标准距离；获取第一靶球球心的检测坐标及第二靶球球心的检测坐标，并计算第一靶球球心和第二靶球球心之间的垂直距离，记为检测距离；计算标准距离和检测距离的差值，作为标准距离一致性评定值输出；保持第一靶球与水平面的距离不变，改变第二靶球与水平面的距离，返回获取全站仪检测的棱镜坐标，直至得到n个标准距离一致性评定值；水陆一体化点云测距系统，包括：船载水陆一体化系统、点云测距系统、全站仪棱镜系统。系统。系统。


技术研发人员：孙月文 许烨璋 段文义 王永举 魏荣灏 凌佳 刘振国 卫进进 陈佳兵 江波 毛凌锋 宋斌斌 姜勇 屠铁威
受保护的技术使用者：浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/13