一种基于激光测距仪的大地测绘方法
阅读说明：本技术 一种基于激光测距仪的大地测绘方法 (Geodetic surveying and mapping method based on laser range finder ) 是由 张鸿洋 李子豪 包明远 李禹萱 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光测距仪的大地测绘方法,具体涉及xx技术领域,包括：激光发射器、扫描器、摄像机、至少两个以上的转动马达和控制单元,步骤如下,S1,将激光发射器、扫描器、摄像机和转动马达均安装于行驶汽车的顶部；S2,两个转动马达分为水平转动马达和垂直转动马达,确保激光发射器和扫描器可以多角度多维度进行旋转。本方案利用激光发射器和扫描器可以在物体表面产生一条光纹,而图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度,而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关,由此构建摄像机坐标系和世界坐标系,并计算出各点的空间坐标,又根据实际比例,从而计算出实际地形的尺寸,计算精确。(The invention discloses a geodetic surveying and mapping method based on a laser range finder, and particularly relates to the technical field of xx, wherein the geodetic surveying and mapping method comprises the following steps: the method comprises the following steps that (S1) the laser emitter, the scanner, the camera, at least two rotating motors and a control unit are all arranged on the top of a running automobile; and S2, dividing the two rotating motors into a horizontal rotating motor and a vertical rotating motor, and ensuring that the laser emitter and the scanner can rotate in multiple angles and multiple dimensions. The laser emitter and the scanner can generate a light pattern on the surface of an object, the brightness of each point on the image reflects the intensity of the reflected light of a certain point on the surface of the space object, and the position of the point on the image is related to the geometric position of the corresponding point on the surface of the space object, so that a camera coordinate system and a world coordinate system are constructed, the space coordinate of each point is calculated, the size of the actual terrain is calculated according to the actual proportion, and the calculation is accurate.)
技术领域
本发明涉及大地测绘技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于激光测距仪的大地测绘方法。
背景技术
激光测距仪，是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量的仪器。激光测距仪测量范围为3.5-5000米，按照测距方法分为相位法测距仪和脉冲法测距仪，脉冲式激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。相位法激光测距仪是利用检测发射光和反射光在空间中传播时发生的相位差来检测距离的。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。
根据专利网中公开的专利号为CN 101995578A的一种基于激光测距仪的大地测绘方法，该方案在遥控飞机上加入反射镜面系统，反射镜控制在一定的角度和频率转动，当地面激光束打到反射镜上时，反射镜会对地面进行大面积空间扫描，激光点到地面时，地面的散射光重新反回到地面激光器的接收系统，由地面接收系统、放大处理系统、测绘处理软件完成对地面的高精度测绘。因此，一次测量的地面面积与遥控飞机的空中高度有与，当遥控飞机在100米时，反射镜有45度转角时，可对直径200米范围内的地面进行测绘，实现大面积地面形状测绘；然而该发明并未对利用激光测距的具体方法进行公开，若只是简单的利用激光反射原理进行测距，效率低下，且适用环境窄小，不具备实用性。
因此亟需提供一种基于激光测距仪的大地测绘方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于激光测距仪的大地测绘方法，以解决大地测绘方法的效率不高，结果不够精确的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于激光测距仪的大地测绘方法，包括：激光发射器、扫描器、摄像机、至少两个以上的转动马达和控制单元，步骤如下，
S1,将激光发射器、扫描器、摄像机和转动马达均安装于行驶汽车的顶部；
S2，两个转动马达分为水平转动马达和垂直转动马达，确保激光发射器和扫描器可以多角度多维度进行旋转；
S3，激光发射器配合扫描器在物体表面产生一条深度和高度清晰的光纹，摄像机及时拍摄光纹照片；
S4，摄像机将拍摄的照片导入电脑，并分别构建以像素为单位的坐标系与毫米为单位的坐标系；
S5，再构建摄像机坐标系与世界坐标系；
S6，将多角度的立体图形进行整合，形成三维立体坐标系模型；
S7，根据图片与实际物体图形的比例，计算其长、宽、高等数值。
优选地，所述S4中的以像素为单位的坐标系由u、v轴组成，所述以毫米为单位的坐标系由x、y轴，在x、y坐标系中，原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点，在u、v坐标中，任意一点坐标为(u0,v0)，每个像素在任意一点的尺寸为sx、sy，则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系如下关系：再用齐此坐标和矩阵坐标表示为：
逆关系可写成：
优选地，所述S5中的世界坐标系由XW,YW,ZW轴组成，所述S5中的摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系用旋转矩阵R与平移向量t描述，空间中任意一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标分别是(XW,YW,ZW,1) T与(Xt,Yt,Zt,1)T,存在如下关系：
优选地，所述旋转矩阵R为3×3正交单位矩阵，平移向量t为三维平移向量，0＝(0，0，0，1)T，M2为4×4矩阵。
优选地，所述S5中，O点称为摄像机光心，XC轴和YC轴与图像的x轴与 y轴平行，ZC轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直，光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点O与XC、YC、ZC轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系O1/O为摄像机焦距。
优选地，所述S6中的图形整合包括粗整合和细整合。
优选地，所述S7中，根据三维坐标计算物体尺寸数值，利用比例计算实际尺寸数值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本方案用到了计算机视觉系统，计算机视觉系统是从摄像机获取的图像出发，计算三维环境物体的位置、形状等几何信息，利用激光发射器和扫描器可以在物体表面产生一条光纹，摄像机负责拍照，而图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关，由此构建摄像机坐标系和世界坐标系，并计算出各点的空间坐标，又根据实际比例，从而计算出实际地形的尺寸，计算精确，且所需仪器较少。
附图说明
图1为本发明的演示示意图；
图2为本发明的二维坐标系图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如附图1所示，本发明的实施例提供一种基于激光测距仪的大地测绘方法，包括激光发射器、扫描器、摄像机、至少两个以上的转动马达和控制单元，步骤如下，
S1,将激光发射器、扫描器、摄像机和转动马达均安装于行驶汽车的顶部；
S2，两个转动马达分为水平转动马达和垂直转动马达，确保激光发射器和扫描器可以多角度多维度进行旋转；
S3，激光发射器配合扫描器在物体表面产生一条深度和高度清晰的光纹，摄像机及时拍摄光纹照片；
S4，摄像机将拍摄的照片导入电脑，并分别构建以像素为单位的坐标系与毫米为单位的坐标系；
S5，再构建摄像机坐标系与世界坐标系；
S6，将多角度的立体图形进行整合，形成三维立体坐标系模型；
S7，根据图片与实际物体图形的比例，计算其长、宽、高等数值。
具体的，控制单元分别与激光发射器、扫描器、摄像机和转动马达之间电性连接
具体的，需要先对设备进行安装和固定，接着将需要测绘的地点进行划分，例如山坡、建筑物等等，接着对每个单独的物体进行激光扫描和构建坐标系，计算实际大小。
具体的，通过扫描器可以将激光发射器发射的光线变成光平面，落在物体上可形成一条立体曲线(类似于截面)。
其中，如图2所示，S4中的以像素为单位的坐标系由u、v轴组成，以毫米为单位的坐标系由x、y轴，在x、y坐标系中，原点定义在摄像机光轴与图像平面的交点，在u、v坐标中，任意一点坐标为(u0,v0)，每个像素在任意一点的尺寸为sx、sy，则图像中任意一个象素在两个坐标系下的坐标有如下关系如下关系：再用齐此坐标和矩阵坐标表示为：
逆关系可写成：
其中，S5中的世界坐标系由XW,YW,ZW轴组成，S5中的摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系用旋转矩阵R与平移向量t描述，空间中任意一点P在世界坐标系与摄像机坐标系下的齐次坐标分别是(XW,YW,ZW,1)T与 (Xt,Yt,Zt,1)T,存在如下关系：
其中，旋转矩阵R为3×3正交单位矩阵，平移向量t为三维平移向量， 0＝(0，0，0，1)T，M2为4×4矩阵。
其中，S5中，O点称为摄像机光心，XC轴和YC轴与图像的x轴与y轴平行，ZC轴为摄像机的光轴，它与图像平面垂直，光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，由点O与XC、YC、ZC轴组成的直角坐标系称为摄像机坐标系O1/O为摄像机焦距。
具体的，通过以上算式，可以计算三维空间各点的坐标，以及各点之间的距离。
其中，S6中的图形整合包括粗整合和细整合。
具体的，拍摄多角度照片，并将照片进行整合，先对照片进行粗整合，接着将一些重合掩盖部分去除，达到细整合的效果，确保若干个照片可以拼出完整的图形，将完整的图形放置在三维世界坐标系上。
其中，S7中，根据三维坐标计算物体尺寸数值，利用比例计算实际尺寸数值。
本发明的工作效果如下：
本方案利用激光发射器和扫描器可以在物体表面产生一条光纹，摄像机负责拍照，而图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关，由此构建摄像机坐标系和世界坐标系，再通过驱动马达将带动激光发射器和扫描器转动，多维度、多角度进行扫描，并将这些立体线条进行整合，最终的完整图形落在三维世界坐标系上，接着就可以计算出各点的空间坐标，又根据实际比例，从而计算出实际地形的尺寸，该方法设计巧妙，计算精确，且所需仪器较少。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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