一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统20100907.

1、说 明 书 摘 要本发明公开了一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，包括激光扫描装 置和相机。扫描装置与相机光轴具有特定的空间角度与位置关系，相机的光轴与扫描装 5 置的扫描面可以平行或垂直设置。所述装置可以配置一台或多台相机，每台相机的光轴 与扫描面平行或垂直。所述布局结构简化了激光扫描装置与相机空间角度和位置关系的 几何解算，提高激光点云数据与影像数据匹配融合的优越性。10权利要求书1一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其特征在于，所述结构包括 激光扫描装置和相机，激光扫描装置的扫描面（以下简称扫描面）与相机光轴具有特定 的空间角度和位置关系。2根据权利要求 1所述的 一

2、种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其特征在于，相机的光轴与扫描面平行。3根据权利要求 1所述的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其特征在于，所述相机的光轴与扫描平面垂直。4.根据权利要求 2和3所述的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其特征在于，所述结构可以配置 1台或多台相机，每台相机的光轴分别与激光扫描面平行或垂直。5. 根据权利要求 1-7所述的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其特征在于，相机像平面坐标系与扫描机构的扫描坐标系的空间几何关系可以通过单次坐标旋转 变换与坐标平移变换完成。6 根据权利要求 1所述的 一种面阵成像与激光扫描

3、组合的三维成像测量系统，所述相机可以是商业相机，工业相机或各类相机模块。说明书一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统技术领域本发明涉及一种激光扫描技术，尤其涉及一种 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测 量系统 背景技术激光扫描技术是空间数据获取的重要手段之一。激光扫描装置获取扫描区域的激光 点云数据，扫描装置上配置的相机采集扫描区域的影像数据，将获取的激光点云数据与 影像数据进行匹配，对获取的目标的激光点云数据赋予 RGB色彩信息，能够实现激光点云 数据的实时渲染效果。本发明提出了一种 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统 ，在扫描装置与相机 的空间位置关系的几何解算过程中，

4、相机的像平面坐标系与扫描装置的扫描坐标系的空 间变换只需通过单次的坐标旋转和坐标平移变换完成，简化了对扫描区域的激光点云数 据与相机的影像数据之间的数据匹配的解算过程。发明内容本发明的目的是提供一种能够提高扫描装置获取的点云数据与相机采集的影像数据 之间的匹配解算的激光扫描装置与相机的空间布局结构。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统 ，包括扫描装置与相机两部 分，主要涉及扫描装置扫描面与相机光轴的布局结构。扫描装置的扫描面与相机光轴具 有特定的空间角度和位置关系，相机的光轴与扫描装置的扫描面满足平行关系，相机的 光轴与扫描机构的扫描面满

5、足垂直关系，通过设备的检校，可精确的检测相机的光轴与 扫描面之间平行关系的角度偏差与垂直关系的角度偏差。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的 一种面阵成像与激光扫描组合的 三维成像测量系统 ，由于扫描装置的扫描面与相机光轴具有特定的空间角度和位置关系， 相机光轴与扫描装置的扫描面平行或垂直，相机像平面坐标系与扫描机构的扫描坐标系 的空间几何关系只需通过单次坐标旋转和单次坐标变换完成，因此能够简化激光点云数 据与相机影像采集数据的匹配解算，提高了扫描装置获取的激光点云数据与相机采集的 影像数据融合的优越性。附图说明图1为本发明中相机与扫描机构位置关系示意图；图2、图 3、图4分别为本

6、发明中单扫描装置与 2台、4台、 5台相机的位置关系示意 图；图3为本发明中双扫描装置与相机位置关系示意图。具体实施方式本发明的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统，其较佳的具体实施方式如图 1与2所示：包括激光扫描装置 1和相机 2两部分，图 1中所述相机 2的光轴 a与激光扫描装置 1的扫 描平面b平行；图2中垂直所述相机 2的光轴a与激光扫描装置 1的扫描平面 c垂直。所述扫描装置可配置一台或多台相机，每台相机光轴分别与扫描面平行或垂直。 所述相机的像平面坐标系与所述扫描装置的扫描坐标系的空间几何关系只需通过单 次坐标旋转变换和单次坐标平移变换完成。所述相机可以是商业相机或工业

7、相机或相机模块等。本发明的 一种面阵成像与激光扫描组合的三维成像测量系统 ，所述相机的光轴与扫描装置 的扫描面平行或垂直，通过设备的检校，可精确的检测出相机的光轴与扫描装置的扫描 面之间的平行与垂直关系。每台扫描装置可以配置一台或多台相机。具体实施例一，如图 3所示，激光扫描装置 1配置有 2台相机，所述相机 2与相机3的光 轴平行且沿 y轴背靠背设置，所述 2台相机的光轴 y与扫描装置的扫描平面 b垂直。具体实施例二，如图 4所示，所述激光扫描装置配置有 4台相机，所述 4台相机中： 相机2与相机 3的光轴平行且沿 y轴背靠背设置，此 2台相机的光轴与图中 y轴平行，且 与扫描装置的扫描面

8、b垂直；相机4与相机 5的光轴平行且沿 z轴背靠背设置，此 2台相机的光轴与扫描装置的扫描 面平行。具体实施例三，如图 5所示，所述扫描装置配置有 5台相机，所述 5台相机中： 相机2与相机 3的光轴平行且沿 y轴背靠背设置，此 2台相机的光轴与图中 y轴平行，且 与扫描装置的扫描面 b垂直；相机4与相机 5的光轴平行且沿 z轴背靠背设置，此 2台相机的光轴与扫描装置的扫描 面b平行。相机 6的光轴与扫描装置的扫描面 b平行，且与相机 2、3、4和5的光轴垂直。 具体实施例四，如图 6所示， 2套扫描装置同时运行，每套扫描装置配置有 2台相机，在影像匹配时，根据扫描机构确定的坐标系下的激光点坐

9、标、相机中心点坐标、相 机视场角和相机安置姿态，即可计算出每个激光点落在哪一幅或哪几幅对应的影像内； 再依据扫描机构坐标系下的激光点坐标、相机中心点坐标、相机安置姿态、相机焦距， 通过摄影测量学中的共线方程，就可计算获得每一个激光点对应的影像坐标 。通过影像 坐标进行色彩的插值计算，即可得到激光点对应的 RGB色彩值。在实际应用中，可在一台扫描装置上配置有多台相机以覆盖360°区域。每台相机布局遵循相机的光轴与扫描装置的扫描面垂直或平行，多台相机的位置关系按设计角度分 配，通常情况是按等角度间隔分布；本发明针对目前激光点云数据与影像数据融合匹配的解算，提出了一种相机光轴与 激光扫描装

10、置的扫描面平行或垂直的布局结构，简化扫描装置与相机的空间关系的几何 解算，简化了激光点云数据与相机影像数据匹配解算。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。图6 公式推导： 一、当相机的光轴与激光扫描装置的扫描平面平行时：如图二所示，设设备坐标系下测得的激光点坐标为 X,Y,Z ， 设备在大地坐标系中的位 置和姿态为： X0,Y0,Z0, , , ，摄像机在大地坐标系中的位置和姿态为：X 0 ,Y0 ,Z0 , , ,则大地坐标系下的激光点坐标为：R

11、 YY0ZZ01)X g X X0 Yg Zgcos 0其中 R0 sinsin010 cos 01 0 0 0 cossinsin coscossin0sincos0RRR设像点m在像平面坐标系下的坐标为 x,y ，在像空间坐标系中的坐标为 x,y, f ，则在像空间辅助坐标系中的坐标为：YmRyRRRyb1 b2 b3yZmffc1 c2 c3fXm xxa1a2a3 x2)在共线条件示意图中， S为摄影中心，它在大地坐标系下的坐标为 (X0,Y0,Z0 )。M为任一测得的激光点，大地坐标系下的坐标为 Xg,Yg ,Zg 。m为M在影像上的构像，相应的像 空间坐标和像空间辅助坐标分别为 x

12、, y, f 和 Xm,Ym,Zm 。摄影时 S、m、M三点位于条直线上，那么有如下关系：XmYmZmkX g X0 Yg Y0 Zg Z03)Xm k X g X 0，Ym k Yg Y0 ， Zm k Zg Z04)由式( 2)可知，像空间坐标与像空间辅助坐标有下列关系：XmXTxyRT YmRT kfZmg Yg ZgX0Y0Z0RTkXgYgZgRTkY0Z05)将( 1)式代入，上式展开为：再将式式中，X，Y，xXX0X0yRTkRYY0RTkY0fZZ0Z00 X 04)代入上式中，得XYRTkY0 Y0Z0 Z0X a1 X 0 X0 xfZ a3 X0 X0Y a2 X0 X0

13、b1Y0 c1 Z0 Z0b3 Y0 Y0 c3 b2 Y0 Y0 c20 Z00 Z06)Z a3 X0 X0 b3 Y0x，y为激光点对应的像平面坐标；Y0 c3 Z0 Z0Z为扫描设备坐标系下测得的激光点坐标；X0,Y0,Z0为扫描设备在大地坐标系中的坐标；X0 ,Y0 ,Z0 为摄像机在大地坐标系中的坐标。通过上述共线条件方程式即可求出每一个激光点对应的影像坐标二、当相机的光轴与激光扫描装置的扫描平面垂直时： 如图一所示，设设备坐标系下测得的激光点坐标为 X,Y,Z ， 设备在大地坐标系中的位 置和姿态为： X0,Y0,Z0, , , ，摄像机在大地坐标系中的位置和姿态为：X0,Y0,

14、Z0, , 90 , 。则大地坐标系下的激光点坐标为：Xg Yg ZgXRYZX0Y0Z01)cos 0其中 R0 sinsin0cos 0100 cos sin0sincoscossin0sincos0RRR设像点m在像平面坐标系下的坐标为 x,y ，在像空间坐标系中的坐标为 x,y, f ，则在像空间辅助坐标系中的坐标为：Xmxxa1 a2 a3xYmRyR R 90Ryb1 b2 b3yZmffc1 c2 c3f2)在共线条件示意图中， S为摄影中心，它在大地坐标系下的坐标为 (X0 ,Y0 ,Z0 )。M为任空间坐标和像空间辅助坐标分别为一测得的激光点，大地坐标系下的坐标为 Xg,Yg ,Zg 。m为M在影像上的构像，相应的像x, y, f 和 Xm,Ym,Zm 。摄影时 S、m、M三点位于条直线上，那么有如下关系：XmYmZmkX g X0 Yg Y0 Zg Z03)X m k X g X 0 ， Ym k YgY0 ， Zm k Zg Z04)由式( 2)可知，像空间坐标与像空间辅助坐标有下列关系：RTXma1