本發(fā)明涉及隧道監(jiān)控及質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件及其使用方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，隧道內(nèi)數(shù)據(jù)的采集采用激光掃描儀進(jìn)行掃描，具體是：將標(biāo)靶張貼在隧道內(nèi)壁上，車載三維掃描儀沿隧道中心線方式移動(dòng)，通過(guò)將激光投射至標(biāo)靶上。采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)采集到標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，標(biāo)靶的中心點(diǎn)用來(lái)作為特征點(diǎn)進(jìn)行站點(diǎn)拼接和坐標(biāo)導(dǎo)入。

現(xiàn)有的標(biāo)靶大部分是采用紙質(zhì)標(biāo)靶，此種標(biāo)靶具有以下缺陷：(1)在隧道內(nèi)紙質(zhì)標(biāo)靶無(wú)法貼在隧道內(nèi)壁上，隧道內(nèi)施工條件復(fù)雜，隧道內(nèi)側(cè)非平面，紙質(zhì)標(biāo)靶使用無(wú)法保證平整度；(2)紙質(zhì)標(biāo)靶貼于內(nèi)壁時(shí)，與隧道前進(jìn)方向平行，當(dāng)掃描儀站點(diǎn)離標(biāo)靶距離超過(guò)兩倍隧道直徑時(shí)，由于入射角太小，標(biāo)靶上返射回的激光點(diǎn)云密度小，標(biāo)靶無(wú)法擬合中心點(diǎn)，導(dǎo)致坐標(biāo)無(wú)法被傳遞，且隧道兩站之間拼接誤差較高。

現(xiàn)有技術(shù)中還有球形標(biāo)靶和球加棱鏡結(jié)合型的標(biāo)靶，此種標(biāo)靶在隧道內(nèi)壁上固定不方便，且因?yàn)楸旧淼慕Y(jié)構(gòu)(球心在內(nèi)部，易發(fā)生散射)，誤差較大，不適合坐標(biāo)的傳遞。

因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、安裝和拆卸方便以及不受掃描儀的擺放位置的限制能確保入射角在30°以上的標(biāo)靶具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、安裝和拆卸方便以及不受掃描儀的擺放位置的限制能確保入射角在30°以上的用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件，具體技術(shù)方案如下：

一種用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件，包括支撐架以及設(shè)置在所述支撐架上的標(biāo)靶；

所述支撐架包括用于與隧道內(nèi)壁進(jìn)行固定的固定面板以及用于固定所述標(biāo)靶的支撐面板；

所述標(biāo)靶包括標(biāo)靶圖案；

所述固定面板中與隧道內(nèi)壁接觸的接觸面以及所述支撐面板中與所述標(biāo)靶圖案接觸的固定面均為平面，且所述接觸面與所述固定面之間的夾角為30°-60°。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述支撐架為空心的三菱柱結(jié)構(gòu)，在垂直于其高度方向的平面上，其橫截面為等邊三角形或等腰三角形。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述固定面板上設(shè)有用于固定螺栓或螺絲的通孔。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述通孔為圓形通孔或橢圓形通孔。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述通孔的數(shù)量為4個(gè)，四個(gè)所述通孔位于四邊形的四個(gè)角的位置，且一條對(duì)角線上的兩個(gè)所述通孔為圓形通孔，另一條對(duì)角線上的兩個(gè)所述通孔為橢圓形通孔。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述接觸面與所述固定面之間的夾角為30°、45°或60°。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述標(biāo)靶圖案為通過(guò)激光絲印加工方式設(shè)置在所述支撐面板上的金屬部件；所述支撐架的材質(zhì)為鋁合金或啞光不銹鋼。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述標(biāo)靶圖案為正方形，正方形的邊長(zhǎng)為15cm、20cm、25cm或30cm。

以上技術(shù)方案中優(yōu)選的，所述支撐面板中的固定面上還設(shè)有標(biāo)示部位，所述標(biāo)示部位位于所述標(biāo)靶圖案的上方、側(cè)面或者下方。

應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件，包括支撐架以及設(shè)置在所述支撐架上的標(biāo)靶，所述支撐架包括用于與隧道內(nèi)壁進(jìn)行固定的固定面板以及用于固定所述標(biāo)靶的支撐面板，所述標(biāo)靶包括標(biāo)靶圖案，整體結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)；所述固定面板中與隧道內(nèi)壁接觸的接觸面以及所述支撐面板中與所述標(biāo)靶圖案接觸的固定面均為平面，便于將支持架固定在隧道內(nèi)壁上和將標(biāo)靶固定在支撐架上；所述接觸面與所述固定面之間的夾角為30°-60°，使得本發(fā)明標(biāo)靶安裝后，標(biāo)靶所在平面與隧道內(nèi)壁形成一定夾角，無(wú)論激光掃描儀怎么擺放，均能確保射向標(biāo)靶的激光的入射角保持在30°以上，與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的技術(shù)方案增大了入射角，從而使得點(diǎn)云的密度和標(biāo)靶的擬合精度都得到提高，進(jìn)而可以提高掃描距離和標(biāo)靶的中心點(diǎn)擬合質(zhì)量，改善了掃描站點(diǎn)之間的拼接精度，減小了系統(tǒng)拼接誤差并提高了工作效率。

(2)本發(fā)明中所述支撐架為空心的三菱柱結(jié)構(gòu)，在垂直于其高度方向的平面上，其橫截面為等邊三角形或等腰三角形，且等邊三角形或等腰三角形的邊長(zhǎng)是21-30cm；所述支撐架的高為15-22cm。采用空心的三菱柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既便于安裝(將支撐架安裝在隧道內(nèi)壁上以及將標(biāo)靶安裝在支撐架上)，同時(shí)，又能確保射向標(biāo)靶圖案的激光的入射角在30°以上。

(3)本發(fā)明中所述固定面板上設(shè)有用于固定螺栓或螺絲的通孔，所述通孔為圓形通孔或橢圓形通孔，便于將支撐架固定在隧道內(nèi)壁上；通孔的數(shù)量為四個(gè)，排列在四邊形的四個(gè)角上，且其中兩個(gè)為圓形通孔，另外兩個(gè)為橢圓形通孔，在實(shí)際安裝過(guò)程中，隧道內(nèi)壁打安裝孔時(shí)容易打歪，本發(fā)明的設(shè)計(jì)能確保支撐架很好地固定在隧道內(nèi)壁上(即便有打歪的安裝孔，通過(guò)橢圓形通孔的調(diào)節(jié)也能確保支撐件安裝上)。

(4)本發(fā)明中所述標(biāo)靶圖案為通過(guò)激光絲印加工方式設(shè)置在所述支撐面板上的金屬材質(zhì)；所述支撐架的材質(zhì)為鋁合金或啞光不銹鋼。標(biāo)靶圖案的加工方式和材質(zhì)的選擇，清晰度高，再結(jié)合支撐架的材質(zhì)的選擇，可以多次重復(fù)使用，且使用壽命長(zhǎng)。

(5)本發(fā)明中所述支撐面板中的固定面上還設(shè)有標(biāo)示部位，所述標(biāo)示部位位于所述標(biāo)靶圖案的上方、側(cè)面或者下方。標(biāo)示部位可以噴印數(shù)字，這樣做的目的是為了在隧道掃描圖形處理和拼接時(shí)，不會(huì)把標(biāo)靶的標(biāo)注順序弄錯(cuò)，提高工作效率。

本發(fā)明還公開(kāi)一種用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件的使用方法，包括以下步驟：

第一步、在隧道軸線方向分為多個(gè)站點(diǎn)；將標(biāo)有編號(hào)的用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件依次通過(guò)膨脹螺釘固定在隧道內(nèi)壁上；將激光掃描儀架設(shè)在車輛上；

第二步、車輛以30-60km/h的速度沿隧道長(zhǎng)度方向行駛，激光掃描儀采集隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

第三步、將第二步所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)去噪抽稀和過(guò)濾雜點(diǎn)處理，把隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶進(jìn)行依次編號(hào)，相鄰兩個(gè)站點(diǎn)共用的標(biāo)靶采用相同的編號(hào)；對(duì)多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。

本發(fā)明中用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件的使用方法，工藝精簡(jiǎn)，操作方便。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是實(shí)施例1的用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中的支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1的用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件的應(yīng)用原理示意圖；

其中，1、支撐架，1.1、固定面板，1.11、接觸面，1.12、通孔，1.2、支撐面板，1.21、固定面，1.22、標(biāo)示部位，2、標(biāo)靶，2.1、標(biāo)靶圖案，3、激光掃描儀，4、隧道內(nèi)壁。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。

實(shí)施例1：

參見(jiàn)圖1和圖2，一種用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件，包括支撐架1以及設(shè)置在所述支撐架1上的標(biāo)靶2。

所述標(biāo)靶2包括標(biāo)靶圖案2.1，所述標(biāo)靶圖案2.1為通過(guò)激光絲印加工方式設(shè)置在所述支撐面板1.2上的金屬部件，通過(guò)激光絲印加工而成，不易脫落，且圖案清晰可見(jiàn)。

所述支撐架1包括用于與隧道內(nèi)壁進(jìn)行固定的固定面板1.1以及用于固定所述標(biāo)靶2的支撐面板1.2；所述支撐架1為空心的三菱柱結(jié)構(gòu)，在垂直于其高度方向的平面上，其橫截面為等邊三角形或者等腰三角形，且等邊三角形邊長(zhǎng)是21cm；所述支撐架1的高為15cm；所述固定面板1.1上設(shè)有用于固定螺栓或螺絲的通孔1.12，所述通孔1.12的數(shù)量為4個(gè)，四個(gè)所述通孔1.12位于四邊形的四個(gè)角的位置，且一條對(duì)角線上的兩個(gè)所述通孔1.12為圓形通孔，另一條對(duì)角線上的兩個(gè)所述通孔1.12為橢圓形通孔。

所述固定面板1.1中與隧道內(nèi)壁接觸的接觸面1.11以及所述支撐面板1.2中與所述標(biāo)靶圖案2.1接觸的固定面1.21均為平面，且所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角Q為30°-60°。所述支撐面板1.2中的固定面1.21上還設(shè)有標(biāo)示部位1.22，所述標(biāo)示部位1.22位于所述標(biāo)靶圖案2.1的下方(還可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置在上方或側(cè)邊上，滿足不同的需求)。

上述用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件的使用方法包括以下步驟：

第一步、在隧道軸線方向分為多個(gè)站點(diǎn)；將標(biāo)有編號(hào)的用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件依次通過(guò)膨脹螺釘固定在隧道內(nèi)壁上；將激光掃描儀架設(shè)在車輛上；

第二步、車輛以30-60km/h的速度沿隧道長(zhǎng)度方向行駛，激光掃描儀采集隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

第三步、將第二步所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)去噪抽稀和過(guò)濾雜點(diǎn)處理，把隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶進(jìn)行依次編號(hào)，相鄰兩個(gè)站點(diǎn)共用的標(biāo)靶采用相同的編號(hào)；對(duì)多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。第三步中的詳細(xì)過(guò)程可以參照現(xiàn)有技術(shù)。

隧道內(nèi)標(biāo)靶的坐標(biāo)的傳遞要另外用全站儀輔助導(dǎo)入，把每個(gè)標(biāo)靶的坐標(biāo)測(cè)量計(jì)算出來(lái)即可(此部分為現(xiàn)有技術(shù))。

應(yīng)用本發(fā)明用于三維激光點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)傳遞的部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)的原理圖如圖3，具體是：

從圖3中可以看出：激光與標(biāo)靶的入射角∠BDP＝180°-∠ADB＝∠BAD+∠ABD，其中：tan∠BAD＝d/S，d為掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離(d大于0且小于等于隧道的直徑，隧道的直徑即隧道的最大橫向?qū)挾?，S為沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離；∠ABD為所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角Q。

當(dāng)∠ABD取值為30°-60°時(shí)，入射角∠BDP位于到之間，因此，要想確保入射角∠BDP位于30°以上，只需取正值即可，而本發(fā)明技術(shù)方案中，無(wú)論掃描儀位于任何位置，激光與隧道內(nèi)壁面均存在一定的夾角，即均為正值(本文中的π均代表180°)。

因此，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，掃描儀的放置位置不受限制，能確保激光與標(biāo)靶的入射角大于30°，因此，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案可以提高入射角、提高掃描距離、增大標(biāo)靶的點(diǎn)云密度、改善標(biāo)靶的中心點(diǎn)擬合質(zhì)量、提高坐標(biāo)傳遞距離以及改善掃描站點(diǎn)之間的拼接精度。

以某一隧道為例，采用本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)手段進(jìn)行試驗(yàn)，詳情如下：

一、試驗(yàn)組

試驗(yàn)組1：

采用本發(fā)明方法，其中：掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離d與沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離S的比值為1/4；支撐架的橫截面為等邊三角形，因此，所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角Q為60°，即∠ABD＝60°；標(biāo)靶圖案的規(guī)格為15cm×15cm，詳見(jiàn)表1。

試驗(yàn)組2-3：

與試驗(yàn)組1不同之處僅在于掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離d與沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離S的比值不同，詳情是：試驗(yàn)組2中掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離d與沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離S的比值為1/2；試驗(yàn)組3中掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離d與沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離S的比值為1/3。

試驗(yàn)組4-5：

與試驗(yàn)組2不同之處僅在于所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角不同，詳情是：試驗(yàn)組4中∠ABD＝30°；試驗(yàn)組5中∠ABD＝45°。

試驗(yàn)組6-8：

與試驗(yàn)組2不同之處僅在于標(biāo)靶圖案的規(guī)格不同，詳情是：試驗(yàn)組6中標(biāo)靶圖案的規(guī)格為20cm×20cm；試驗(yàn)組7中標(biāo)靶圖案的規(guī)格為25cm×25cm；試驗(yàn)組8中標(biāo)靶圖案的規(guī)格為30cm×30cm。

二、對(duì)照組

對(duì)照組1：采用紙質(zhì)標(biāo)靶直接貼于隧道內(nèi)側(cè)壁上。

對(duì)照組2：與試驗(yàn)組1不同之處僅在于：支撐架的橫截面為等腰三角形，因此，所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角Q為25°，即∠ABD＝25°。

對(duì)照組3：與對(duì)照組2不同之處僅在于：所述接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角Q為75°，即∠ABD＝75°。

表1試驗(yàn)組和對(duì)照組的參數(shù)及性能比較表

從表1可知：

結(jié)合試驗(yàn)組1-3可知：掃描儀到隧道內(nèi)壁的距離d與沿隧道長(zhǎng)度方向掃描儀到標(biāo)靶的最大距離S的比值取不同值，均能滿足激光和標(biāo)靶的入射角始終保持在30°以上，掃描儀不受擺放位置的限定，實(shí)用性強(qiáng)。

結(jié)合試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組4、試驗(yàn)組5、對(duì)照組3以及對(duì)照組4可知：接觸面1.11與所述固定面1.21之間的夾角的選取非常重要，當(dāng)夾角過(guò)大(如對(duì)照組4)或者夾角過(guò)小(如對(duì)照組3)，均滿足不了入射角在30°以上的需求。

結(jié)合試驗(yàn)組2和試驗(yàn)組6-8可知：在其他參數(shù)相同的情況下，標(biāo)靶圖案的規(guī)格越大，效果越好(即試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組6、試驗(yàn)組7、試驗(yàn)組8按序效果逐漸遞增)，但從節(jié)約成本、便于搬運(yùn)、方便安裝和拆卸角度以及結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)隧道的規(guī)格選擇，一般不超過(guò)30cm×30cm。

本發(fā)明技術(shù)方案(試驗(yàn)組1-8)與現(xiàn)有技術(shù)比較(對(duì)照組1-2)比較，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，掃描儀的擺放位置不受限定，且激光和標(biāo)靶的入射角始終保持在30°以上，使得標(biāo)靶的中心點(diǎn)的擬合精度得到大大提高，且掃描站點(diǎn)之間的拼接精度也得到一定的提高。相對(duì)于其他類型的標(biāo)靶，如球形標(biāo)靶，這種改進(jìn)后的平面標(biāo)靶不僅能用于拼接保證拼接精度，而且具有和全站儀配合使用達(dá)到標(biāo)靶坐標(biāo)導(dǎo)入的功能，這是球形標(biāo)靶無(wú)法做到的。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。