技术领域
[0001] 本
发明涉及具有测量仪和扫描模块的测量系统、根据本发明的扫描模块、测量仪以及扫描方法。
背景技术
[0002] 为了采集物体或表面，通常采用以下方法，其连续扫描并同时记录下结构(如建筑)的形貌。这样的形貌此时构成相关联的描绘物体的表面的一系列点或者相应的模型或表面描绘。通常做法是借助激光扫描器进行扫描，该激光扫描器总是如此采集表面点的空间
位置，即，通过激光来测量至所瞄准的表面点的距离并且使测量结果与激光发射的
角度信息相关联。根据该距离信息和角度信息，可以确定所采集的点的空间位置并且能够连续地测量所述表面。在许多情况下，与单纯的几何形状采集并行地还执行借助
照相机的图像拍摄，该照相机除了可视总体视图之外还提供例如关于表面纹理的其它信息。
[0003] 因此，例如在WO97/40342中描述了以下方法，其通过以位置固定的方式设立的扫描系统来记录形貌。为这些系统选择固定的设立点，并且这些固定的设立点用作由
马达所引起的扫描过程的基准。各表面点的三维位置信息可通过至测量点的距离、测量时的角度位置和扫描装置的已知设立地点被推导出来。在此，该扫描系统专
门设计为用于形貌采集任务并通过扫描系统的运动或光路的变化来扫描表面。
[0004] 此外，扫描功能可以作为附加功能被集成到各种不同的仪器中。例如WO2004/036145公开了一种大地测量仪，该测量仪从其位于所采集区域内的位置起发射出距离测量用
激光束。这样的测量仪也可被改动或无需改动地被操作以用扫描的方式采集表面。其一个例子是机动化的经纬仪或全站仪。
[0005] 其它方法采用了可移动系统，该可移动系统通过扫描系统的运动来扫描待采集的结构或者支持或补充所述扫描。这样的系统尤其适用于采集线性结构或可线性操纵的结构，例如轨道系统、道路、隧道系统或飞机场。
[0006] 通过这种
现有技术的采集过程来提供图像或形貌数据，所述数据基本上代表关于表面点的空间分布或布置关系的信息。如果需要，拍摄图像或许还可以推导出其它信息。借此可以比较好地重建表面的结构和走向。但不利的是没有从性质上表示表面的类型和构造，尤其就内部结构或组成而言。因此，与扫描并行地获得的图像通常允许不同
亮度值的识别。另外，EP1759172描述了一种扫描系统和一种用于以
光谱分辨的形式采集表面的方法，其提供了从由此获得的信息推导出表面性能。
[0007] 这种根据现有技术的激光扫描器能允许使用者利用较短的时间支出来全面且必要时带有附加表面信息地采集大的表面和物体(根据期望的点对点
分辨率)，但此时推导出的点坐标的
精度不足以获得例如像针对现代的测量仪且尤其是全站仪或经纬仪所创立的高的大地测量一样的精度标准。
[0008] 现代的全站仪一般具有紧凑的整体式设计，在这里，在一个仪器内通常具有大多同轴的测距元件以及计算、控制和存储单元。另外，根据全站仪的扩展阶段，可以附加地集成机动化的瞄准装置或对准装置以及在使用回归
反射器(如全方位棱镜)作为瞄准目标的情况下附加地集成用于自动目标搜索和
跟踪的装置。作为
人机界面，全站仪可以具有带有显示器和输入装置(如
键盘)的
电子显示控制单元(一般是具有电子数据存储装置的微型处理器计算单元)。为显示控制单元提供以电子传感方式获得的测量数据，从而使得目标点的位置可通过显示控制单元来确定、光学地显示和存储。现有技术所已知的全站仪还可以具有无线电数据
接口，用于建立与诸如手持式
数据采集装置的外围部件的无线链接，该手持式数据采集装置尤其是能以数据记录器或场计算机的形式构成。
[0009] 为了对准或瞄准待测目标点，一般类型的大地测量仪具有望远瞄准镜(如
光学望远镜)作为对准装置。望远瞄准镜一般可绕竖向轴线和
水平倾
转轴线相对于测量仪的
基座转动，从而使得望远瞄准镜可通过枢转和倾转对准待测点。现代仪器可以除了光学观察通道外还具有用于以角秒精度对准的照相机，所述照相机集成到望远瞄准镜中且例如同轴地或以平行的方式对准。此时可采集的图像或
图像序列，尤其是实况图像可以在显示控制单元的显示器和/或用于遥控的外围装置(如数据记录仪)的显示器上被示出。对准装置的光学系统此时可以具有手动聚焦机构，例如用于改变聚焦光学系统的位置的调节螺钉，或者具有自动聚焦机构，其中焦点位置的变化例如通过伺服马达来实现。
[0010] 例如EP2219011中描述了一种大地测量仪的瞄准装置。用于大地测量仪的望远瞄准镜的自动聚焦装置例如由DE19710722、DE19926706或DE19949580公开。
[0011] 因为尽管通常提供30倍光学放大率，但目标物体(例如通常用于大地测量目的的带有瞄准标记的如全方位棱镜的铅垂杆)无法足够精确地用肉眼借助瞄准装置来瞄准(即不符合大地测量精度要求)，因此常用的测量仪此时按照标准具有用于作为瞄准反射器的棱镜的自动目标跟踪功能(ATR:自动目标识别)。为此，通常将另一个单独的ATR光束源(例如发出
波长在850纳米范围内的光
辐射的多模光纤输出)和一个特定的对该波长敏感的ATR检测器(如CCD或CMOS面型
传感器)附加地集成在望远镜中。例如在EP2141450中描述了一种测量仪，其具有用于自动瞄准回归反射目标的功能以及自动目标跟踪功能。
[0012] 利用这种现代的测量仪，可以利用很高的大地测量精度来确定被测目标点的坐标。但此时不利的是，例如利用全站仪的大面积目标测量意味着与在目标上的激光
扫描仪的测量过程相比用时太长。
发明内容
[0013] 因此，由本发明解决的问题是提供一种附加装置，该附加装置与基本装置相互作用能够实现更快速且改进的逐点采集表面。
[0014] 由本发明解决的另一个问题在于提供一种改进的测量仪，除了仪器自身的高度精确的目标点确定可能性外，该测量仪还能够实现相对于多次精确目标点确定而言用时短地快速采集多个目标点的功能。
[0015] 由本发明解决的又一个问题在于如此扩展根据现有技术的测量仪，即，给该测量仪附加提供扫描功能。
[0016] 根据本发明的测量系统具有测量仪尤其是全站仪、经纬仪或激光跟踪器，该测量仪具有基座、安置在所述基座上且能绕枢转轴线枢转的构造以及瞄准单元且尤其是瞄准望远镜，其中该瞄准单元至少具有用于发出第一激光束的发射单元和用于测量至目标的距离的第一测距功能，所述发射单元限定光学瞄准轴线。另外，该测量仪具有第一角度测量功能，该第一角度测量功能用于高度精度地采集至少一个枢转角，该枢转角由所述构造相对于基座的相对枢转位置来限定的。另外，该测量系统还具有用于
数据处理并用于测量系统的控制的控制和处理单元。
[0017] 另外，该测量系统具有包括固定机构的扫描模块，该固定机构用于将扫描模块固定到对应于固定机构的承座，所述扫描模块还包括光束偏转元件，该光束偏转元件用于使扫描激光束偏转，所述光束偏转元件能以马达驱动的方式绕转动轴线转动，其中该转动轴线在接纳状态下相对于枢转轴线成规定角度且尤其与所述枢转轴线垂直，所述扫描模块还包括第二角度测量功能，该第二角度测量功能用于根据光偏转元件的角位置来确定转动角。另外，该测量仪具有如此构成的承座，即，所述扫描模块能借助所述承座与固定机构的相互作用而以模块化方式按照规定的
定位被固定在测量仪上。所述控制和处理单元还如此构成，即，将针对目标上的一个点的相应的转动角、相应的转动角和相应的距离被进行关联，从而通过所述关联来限定相应的点位，并且能产生具有多个所述点位的点
云。
[0018] 利用这样的测量系统，借助偏转元件(例如镜)的转动运动和入射到其上的扫描激光束的偏转，可以限定尤其是高阶的激光平面或激光区域。由于镜在其中转动的扫描模块借助用作枢转装置的测量仪绕第二轴线枢转，因此激光平面现在可以连续地偏移，因而可以由所发射的激光束来连续地扫描周围环境。另外，对于激光束入射、被反射且由检测器来检测以进行距离测量的每个点，利用两个角度仪来确定激光束一方面相对于扫描模块且另一方面相对于测量仪的基座的发出方向。距离测量此时例如可以按照
相位测量原理或利用渡越时间确定来执行。通过利用控制和处理单元进行的分别与一个点的相关联的测量角和相应的距离变量的关联，可以产生数值阵列，在这里，每个阵列代表被测点的坐标。例如，可以将同时或者在特定的时期内或按照一定的时间间隔所获得的角度和距离关联起来。用于体现被测环境的点云还可以通过多个这样的数值阵列的关联来产生。根据本发明，如此构成该扫描模块，即，该扫描模块可从枢转单元上取下或者可以以模块化方式利用专门为此而设的固定机构被放置于其上。此时，例如，具有与三
脚架固定地连接的基座和安装于基座上且可相对于基座进行枢转的构造的台架可以作为用于根据本发明的测量系统的枢转装置。另外，可以在这样的装置上设置多个承座，每个承座均适用于接纳扫描模块，从而在所述部件之间产生规定连接，这种连接又能以简单方式被分离。适用于此的承座和相应的固定机构原则上也可以根据插头-插座原理来相互作用和构成。
[0019] 尤其是根据本发明，该扫描模块可以具有光束通道单元，并且所述瞄准单元能够被如此对准，即，第一激光束在耦合输入的状态下能借助光束通道单元被耦合输入该扫描模块，并且该第一激光束能借助光束偏转元件绕转动轴线作为扫描激光束以转动的方式进行偏转，尤其是其中，在目标处所反射的扫描激光束能借助该光束通道单元而从扫描模块被耦合输出。
[0020] 根据本发明，该测量系统的扫描模块还可以具有如此构成的采集单元，即，在耦合输入的状态下能借助所述光束偏转元件被偏转到所述采集单元上的第一激光束的入射位置能在所述采集单元上被采集，其中，能根据该入射位置产生指示扫描模块相对于测量仪的相对定位的定位参数，尤其是在此能够借助定位参数来修正所述点位。
[0021] 在扫描模块设置在测量仪上的布置中，在这里该扫描模块的固定机构与测量仪的承座以可分离的方式连接，可借助瞄准单元发出的第一激光束可通过该瞄准单元的限定的对准来如此对准，即，光束被引到该光束通道单元上并借助该光束通道单元透入或耦合输入该扫描模块中。该光束通道单元为此例如可以用特殊的透光材料构成，从而使得测量仪的发射单元的具有特定波长的那些辐射穿过所述材料。所述激光辐射随后例如借助镜、棱镜和/或透镜被引导至光束偏转元件，并在那里按照特定角度被偏转并从扫描模块射出。因此，通过光束偏转元件的转动(和通过测量仪的同时枢转)和光束的发射、在目标上的反射以及接收，可以实现目标的扫描。所反射的光束因而可以与发射光路对应的方式从扫描模块被耦合输出并可被耦合输入该测量仪中，因而又在测量仪处被接收到，因此能够借助瞄准单元的测距功能来测量至目标的距离。
[0022] 另外，根据本发明，可以通过借助在扫描模块侧的特殊采集单元，例如借助面型传感器(如CMOS或CCD阵列)采集由测量仪发出的激光束来确定可用以执行扫描模块在测量仪上的定位的确定的参数。例如，可以由相对于采集单元的图像中心的入射激光束的偏差(依据方向和至中心的距离)来获得关于扫描模块相对于测量仪的位置和取向的信息。此时确定的参数或产生的测量
信号可以被供给控制和处理单元以确定(例如修正)参数。另外，这些参考又被用于测量值的可能有的补偿，或者可用图形例如在显示器上被显示给使用者，从而使用者能进行这两个部件(测量仪和扫描模块)的相对于彼此的位置修正。
[0023] 另外，根据本发明，所述扫描模块可以具有用于发出作为扫描激光束的第二激光的光束源，并且所述扫描激光束能借助光束偏转元件以绕转动轴线转动的方式偏转，尤其是其中，所述扫描模块具有用于尤其是借助扫描激光束进行距离测量的第二测距功能。
[0024] 通过将该光束源设置在例如扫描模块中，能与测量仪无关地发出用于扫描目标的激光束，并且不必执行将光束耦合输入该扫描模块中来提供扫描功能。另外，扫描模块可具有另一测距功能，并且可通过接收在扫描模块处所反射的扫描光束来测量至目标的距离。因而在此配置形式中，可在扫描模块侧来确定转动角和距离。枢转角可利用该测量仪来确定。
[0025] 一般来说，该枢转角能被传输给分配于扫描模块的控制和处理单元并可在那里进行枢转角、转动角和距离的关联、继续处理和/或提供。尤其是，转动角和距离可被传输给分配于测量仪的控制和处理单元并且可在测量仪侧被关联和提供。而且，用于关联、处理和/或提供的数据可被供给具有控制和处理单元的移动或固定的单元，例如工作计算机、
笔记本电脑或用于系统的遥控装置。另外，数据传输可以基于线缆的方式、借助无线电、WLAN、红外或通过蓝牙进行。
[0026] 尤其是，测量系统可以具有至少一个测距传感器以用于在接纳状态下测量扫描模块和测量仪之间距离，以产生指示扫描模块相对于测量仪的相对定位的另一个定位参数。
[0027] 利用这样的传感器，可以精确地确定扫描模块在测量仪上的相对位置，尤其是当为了所述位置确定而设有三个(不在一条直线上)这样的传感器时。因此，部件之间的距离可被测量并且可通过相互关联的距离例如确定部件相对于彼此的相对倾斜。因而，如果已知测量仪的位置和对准，则可以借助传感器来明确地确定扫描模块的对准和在扫描模块在测量仪上按规定定位的情况下如果适当则扫描模块的位置。根据这些测量结果，可以例如按照规定的参数形式为该系统提供关于位置和对准的信息，并且所述信息尤其在控制和处理单元侧例如被进一步处理以便对待确定的坐标进行补偿或调整。
[0028] 另外，根据本发明，该测量系统可以具有至少由两个部件组成的对中装置，该对中装置用于按规定的方式将扫描模块定位在测量仪上，其中第一部件配属于扫描模块，第二部件配属于测量仪，尤其是其中，能借助传感器来测量定位精度，所述传感器用于确定第一部件相对于第二部件的相对定位。
[0029] 为了能按照规定的位置和对准将扫描模块固定在测量仪或概括地说固定在具有可相对于基座枢转的构造的枢转装置上，这种对中装置可被集成到测量系统中或安置在其上。通过使所述对中装置的第一部件和第二部件的相互作用，其中相应的一个部件被分配给扫描模块而另一个部件被分配给测量仪或枢转装置，可以在将扫描模块安装在测量仪上时获得高的安装精度。另外，可以设置传感器，借助这些传感器可确定对中部件之间的距离并因此确定对中精度。这样的对中装置例如可以由作为第一部件的销轴和作为第二部件的承座组成，所述承座被构造为用于精确地接纳销轴，尤其在遵守规定误差的情况下。另外，在对中状态下朝向销轴的销
轴承座的侧面上，可以设置传感器以用于测量至销轴的距离。一个已知的、具有无游隙的强制对中功能的可分离式精确连接机构作为连至经纬仪的底部上的三脚架的接口而已知。扫描模块与测量仪的连接可以按照相似方式来构造。
[0030] 另外，根据本发明，该测量系统可以具有用于采集图像的照相机。利用所述照相机可以捕获待测环境或目标的图像，在这里，在图像中所获取的信息可被用于表示目标或其表面的特征。通过图像信息与在扫描过程中产生的测量数据的相互关联，可以尤其以点状方式来分辨、推导和进一步处理附加目标特性。而且，照相机如此安置和构成在测量系统中，即，图像的采集借助光束偏转元件来进行，也就是说，入射光可借助光束偏转元件被引到照相机上。另外，该光束偏转元件可通过镜且尤其是多棱镜来实现。因此，激光束的偏转可以根据镜的构造及其按规定角度相对于激光束的入射方向的相对倾斜来进行。另外，激光束可由此在多棱镜的转动的完整一圈内重复偏转。
[0031] 另外，根据本发明，该扫描模块相对于测量仪的倾斜度或倾转可借助(用扫描模块和测量仪)扫描显著结构来确定，其中相对倾斜度根据将代表显著结构并且扫描模块产生的扫描点云与代表显著结构并且利用测量仪产生的测量点云进行比较来确定的。
[0032] 本发明还涉及用于根据本发明的测量系统的根据本发明的扫描模块，该扫描模块包括：光束偏转元件，该光束偏转元件用于使扫描激光束偏转，所述光束偏转元件能以马达驱动的方式绕转动轴线进行转动；以及角度测量功能，该角度测量功能用于根据所述光束偏转元件的角度位置来确定转动角。另外，扫描模块具有固定机构，该固定机构用于将扫描模块固定到与该固定机构对应的承座，其中该扫描模块能借助该固定机构与布置在测量仪且尤其是全站仪、经纬仪或激光跟踪器上的承座的相互作用而以模块化方式按照规定的定位被固定在测量仪上。另外，扫描模块被设计为用于将转动角传输到根据本发明测量系统的控制和处理单元。
[0033] 这样的扫描模块或者说这样的附接扫描仪可以通过使激光束绕转动轴线转动来产生激光平面，在这里，所发射的激光束和目标所反射的光束都可借助光束偏转元件被引导或者根据规定的测量方向从光束源被引向目标和从目标引向检测器。通过所结合的角度
测量传感器还可以确定光束的各自发射和接收方向。如果然后借助激光束来测量至一些点的距离并且将这些距离与测量时所存在的角度进行关联，则可以根据每个距离-角度组合来确定相应目标点的坐标并通过这些点的汇总或累积来产生点云。另外，该扫描模块可以利用固定机构被定位和固定在装置上，尤其借助为此设置的接纳装置。利用该装置，扫描模块可绕垂直于光束偏转元件的转动轴线的第二轴线枢转或转动，在这里，因此使激光平面相应地枢转，并且因此可以执行产生枢转穿过的测量环境的点云或者枢转离开的目标的点云。此时在扫描模块侧产生的数据尤其是转动角可被提供给控制和处理单元，如全站仪，以将转动角与枢转角和距离进行关联。
[0034] 另外，根据本发明，扫描模块可具有用于耦合输入和/或耦合输出扫描激光束的光束通道单元，从而使得至少耦合输入的扫描激光束能借助光束偏转元件以绕转动轴线转动的方式偏转。由此一来，激光束可从与扫描模块实体分开的光束源射入扫描模块并如此被引导，即，光束可被用作扫描激光束且可利用光束偏转元件被偏转。相对于目标的距离测量此时也可以借助耦合输入的激光束进行。为此，目标所反射的光束又可以在扫描模块侧被接收，由光束偏转元件被偏转并通过例如用透光材料形成的光束通道单元被耦合输出，从而使得耦合输出的光束被检测器采集以便进行距离测量。
[0035] 尤其是，根据本发明，扫描模块可以具有用于采集激光束的采集单元，其中该采集单元具有用于测量相对于目标的距离的测距功能和/或用于确定扫描激光束在传感器上的入射位置的位置敏感型传感器。另外，根据本发明，扫描模块可以具有用于发出扫描激光束的光束源，并且该扫描激光束能借助光束偏转元件以绕转动轴线转动的方式偏转。利用扫描模块的这些实施方式，首先，可以与外部光束源无关地发出光，其次，也与附加测距仪无关地来确定距离测量。与这些实施方式相结合，可以用扫描模块来确定目标上的点的转动角和距离两者。光束源此时可以如此发出激光束，即，激光束入射到光束偏转元件上，从那里偏转到目标上。另外，可以设置其它光束引导机构，这些光束引导机构如此引导所发出的光束，即，使得光束入射到光束偏转元件上，并且如果合适则所反射的激光束被引导向检测器。激光束源此时例如可以发出尽量对准的激光束或以限定方式扩宽的发散光束。
[0036] 本发明的描模块还可以具有如此构成的数据接口，即，该数据接口能够将信息且尤其是角度信息和/或距离信息从扫描模块被传输至借助固定机构与扫描模块相连的仪器且尤其是测量仪，尤其是其中，所述信息能够在扫描模块和仪器之间传输。利用这样的数据接口，可将由扫描模块所确定的转动角例如传输给测量仪的处理单元，并且在那里可与各点的转动角和距离信息进行关联。通过这样的关联，可以分别产生用于各点的坐标。另外，可以从测量仪至扫描模块进行反向数据传输，并且信息的处理可在扫描模块侧利用相应的控制和处理单元来执行。
[0037] 根据本发明，该扫描模块可以具有用于数据处理并用于控制光束偏转元件的对准的控制和处理单元，其中该控制和处理单元如此构成，即，在获得由测量仪产生的转动角信息且尤其是指示至目标的距离的距离信息之后，将针对该目标上的一个点的相应的转动角、相应的枢转角和相应的距离进行关联，从而通过所述关联限定该目标上的相应的点位。另外，能产生具有多个点位的点云。
[0038] 尤其是，根据本发明的扫描模块可以具有倾斜度传感器和/或用于采集图像的照相机。因此，借助该倾斜度传感器，可以确定扫描模块的定位，尤其是与测量仪的定位和对准无关，并且使扫描模块可进入规定位置。例如，因此可以借助水平仪来设定或检查模块的找平，或可以借助电子倾斜度测量仪进行所获得的点坐标的补偿或修正。另外，利用附加设置的照相机，例如可以采集下述环境的图像，所述环境通过扫描模块或通过激光平面的枢转被采集。此时可以通过将多幅图像拼合来产生全景图像，该图像显示整个测量环境。另外，图像信息可以与扫描模块所产生的数据进行关联并且因此产生被测目标的附加表面信息例如
颜色、轮廓或反光性。
[0039] 本发明还涉及一种用于根据本发明的测量系统的测量仪，该测量仪尤其是全站仪、经纬仪或激光跟踪器，并且该测量仪具有基座、安置在基座上且能绕枢转轴线枢转的构造以及瞄准单元，该瞄准单元尤其是瞄准望远镜，其中该瞄准单元至少具有：用于发出激光束的发射单元，所述发射单元限定光学瞄准轴线；和用于测量至目标的第一距离的测距功能。另外，该测量仪设有角度测量功能，该角度测量功能用于高精度地采集由该所述构造相对于基座的相对枢转位置所限定的至少一个枢转角。
[0040] 该测量仪具有如此构成的承座，即，扫描模块能借助该承座和扫描模块的固定机构的相至作用而以模块化方式按照规定的定位被固定在测量仪上。另外，设有如此构成的数据接口，即，该数据接口尤其是能够从扫描模块获得信息且尤其是角度信息和/或距离信息，还设有用于数据处理并用于控制测量仪的控制和处理单元，其中该控制和处理单元如此构造，即，在获得由扫描模块产生的转动角信息和尤其是指示至目标的第二距离的距离信息之后，将针对该目标上的一个点的相应的转动角、相应的枢转角和相应的第一距离或第二距离被进行关联，从而通过该关联来限定该目标上的相应的点位。另外，能产生具有多个点位的点云。
[0041] 利用根据本发明的测量仪，可以通过与根据本发明的扫描模块的组合来产生这样的系统，该系统固有地融合了例如激光扫描仪的优点尤其在测量速度方面的优势和全站仪的优点尤其是测量精度方面的优点。借助该测量仪，例如可以高精度地测量目标点并准确地确定其坐标。但如果例如需要快速概览扫描环境以进行取向、粗略瞄准或制定形貌模型，则可以因明显较高的测量速度而使安装在测量仪上的扫描模块利用驱动装置被枢转以使瞄准单元对准，因而可以执行快速的环境扫描。该测量仪因而可以形成测量系统的系统部件，扫描模块可与该系统部件组合并且该系统部件被设计为用于枢转该扫描模块。为此可以设置对应于扫描模块的固定机构的固定用承座。
[0042] 本发明的另一方面涉及一种用于产生点云的扫描方法，该扫描方法包括：
[0043] ·发出扫描激光束；
[0044] ·使所述扫描激光束以绕转动轴线转动的方式偏转；
[0045] ·使所述扫描激光束绕一枢转轴线枢转，该枢转轴线相对于所述转动轴线成规定角度且尤其是与所述转动轴线垂直；
[0046] ·在目标处反射之后，接收所述扫描激光束；
[0047] ·测量至所述目标的距离并且分别确定转动角和枢转角；
[0048] ·将针对所述目标上的一个点的相应的转动角、相应的枢转角和相应的距离进行关联，从而通过所述关联限定所述目标上的相应的点位；以及
[0049] ·产生具有多个所述点位的点云。
[0050] 在该情况下，至少以转动的方式偏转所述扫描激光束是借助根据本发明所述的扫描模块来进行的。
[0051] 尤其是，可以实现
同步信号的交换以控制或协调传感器的测量值(例如针对目标上的一个点的转动角、枢转角、距离)的相应的关联。
[0052] 本发明还提供了一种包括程序代码的
计算机程序产品，所述程序代码存储在可机读的载体上，尤其是如果该程序在作为根据本发明的测量系统的控制和处理单元构成的电子数据处理单元上运行，则所述计算机程序产品用于控制或执行根据本发明的用于产生点云的扫描方法。
附图说明
[0053] 以下结合附图示意性所示的具体实施方式来单纯举例详述本发明的方法、本发明的测量系统、本发明的扫描模块和测量仪，其中也介绍本发明的其它优点，附图具体示出了：
[0054] 图1a至1d分别示出根据本发明的扫描模块的实施方式；
[0055] 图2a至2d分别示出包括测量仪和固定在其上的扫描模块的根据本发明的测量系统；
[0056] 图3示出包括测量仪和扫描模块的根据本发明的测量系统的另一实施方式，扫描模块具有距离传感器和引至检测器上的激光束；
[0057] 图4a至4c示出包括对中装置的根据本发明的测量系统的另一实施方式；
[0058] 图5示出利用根据本发明的测量系统来校准的测量过程；
[0059] 图6a至6b分别示出包括枢转装置和扫描模块的根据本发明的测量系统的另一实施方式；
[0060] 图7示出包括枢转装置、扫描模块和附接的GNSS模块的根据本发明的测量系统的另一实施方式。
具体实施方式
[0061] 图1a至1d分别示出根据本发明的扫描模块10或附接扫描仪的实施方式，所述附接扫描仪利用固定装置18安装在枢转装置(例如经纬仪或全站仪)上，并且所述附接扫描仪因而可将该装置扩展为具备扫描功能。
[0062] 在第一实施方式(图1a)中，附接扫描仪10具有作为偏转元件的镜11，该镜可绕水平轴线12转动，在这里，该转动通过马达14实现并且可以用角度测量传感器13来采集转动角。另外，模块10配备有
激光器模块15，尤其是配备有用于发射激光束的光束源(如激光
二极管)和用于检测所反射的激光辐射的接收单元。发出的激光束可以通过光束引导元件17来对准在镜11上，并从那里对准到一个测量点上。另外，附接扫描仪10配备有照相机16，该照相机的像场也通过该光束引导元件17被引到镜11上并从那里引到测量点的方向上。
[0063] 在根据本发明的扫描模块10的第二实施方式中(图1b)，附接扫描仪10具有光束引导元件17a，借助该光束引导元件17a将(在此从下方)对准到扫描模块10上的激光束偏转到镜11上，并从那里偏转到测量点上。利用该实施方式，来自未设于扫描模块10内的外部源的激光束可利用模块10的组成部件被偏转并且可被用于扫描。而且，用镜11接收和反射的辐射可被引导到也设于外部的检测器上。因此，扫描模块10可以被实施为没有其自身的激光器模块15。镜11的转动又可以通过马达14来实现，而各转动角的测量借助角度仪13来实现。另外，在此实施方式中，设有
锁定装置19，可借助该锁定装置在适当定位中将扫描模块10例如与测量仪连接起来，或者借助该锁定装置可以准确进行激光束的耦合输入。
[0064] 在第三实施方式(图1c)中，附接扫描仪10配备有光束引导元件17b，可借助该光束引导元件17b将从下方对准到模块10上的激光束偏转到镜11上并从那里偏转到测量点上。在此，可转动的镜11相对于枢转装置的竖向枢转轴线22偏心地布置。另外，扫描模块10又具有用于驱动所述转动的马达14和用于确定镜11的转动角的角度仪13。另外，示出了一个光束通道单元9，可借助该光束通道单元将激光束耦合输入和耦合输出扫描模块10。为此，光束通道单元9例如可形成有透光窗，光束因为特定的传输性能而可传输通过该透光窗。
[0065] 图1d示出了扫描模块10的第四实施方式，其中从下方对准到模块10上的激光束直接入射到可利用马达14绕转动轴线12转动的多棱镜11a上，多棱镜使光偏转。光束此时又通过光束通道单元9被耦合输入该扫描模块中。激光束可通过外部光束源产生，反射辐射可利用多棱镜11a被引到同样设置在外部的检测器上，该检测器例如可设置在测量仪内，由此一来，扫描模块10可以构成为无需激光器模块15。在此实施方式中，也设有角度测量功能13来确定转动角。
[0066] 图2a示出根据本发明的测量系统50的第一实施方式，其中，扫描模块10与测量仪20(例如经纬仪或全站仪)组合。扫描模块10此时对应于根据本发明的如图1a所示的模块
10，该模块10具有反光镜11、角度仪13、马达14、转动轴线12、激光器模块15和照相机16。此时在扫描过程中，附接扫描仪10的镜11可以绕水平轴线12以高速转动。
[0067] 测量仪20的整个上部，即被设计用于接纳扫描模块10的上部构造20a，此时可以同时以较低速度绕竖向枢转轴线22相对于测量仪20的基座20b枢转或转动。这可通过设于测量仪20内的马达26来实现。在扫描过程中，可以由激光器模块15发出激光束60，该激光束通过光束引导元件17被引导到镜11上并从那里例如被引导到测量点上。借助该激光束60、其在表面的反射和借助检测器的采集，因而可以实现至该表面上的测量点的距离的测量。测量点的坐标可以根据测量距离以及根据由角度传感器13采集到的竖向角或者说转动角以及通过设于枢转装置20中的角度传感器24确定的水平角或者说转动角来计算。测量仪20还具有瞄准单元30，尤其是望远镜，所述瞄准单元可绕第二竖向轴线21枢转或转动。瞄准单元30的枢转此时可以利用另一个马达25来实现，在这里，可以用角度传感器23来测量其它枢转角。
[0068] 图2b示出包括附接扫描仪10和测量仪20的根据本发明的测量系统50的第二实施方式。此时，测量仪20的望远镜30可以向上基本平行于其竖向轴线22对准并且利用锁定装置19被保持或固定在该位置。为了进行扫描，激光束60可以从望远镜30内的激光发射器27通过望远镜30内的光学偏转元件29被引到附接扫描仪10内的光束引导元件17a上并从那里被引到其镜11上并且必要时还进一步被引到测量点上。此时，附接扫描仪10的镜11绕转动轴线12以高速转动。测量仪20的上部构造20a同时能以较低速度绕竖向轴线22枢转或转动。在这里，测量点的坐标也可以根据测量距离以及根据由角度传感器13采集的转动角和由角度传感器24确定的枢转角来计算。对此，针对相应的测量点例如借助设于测量系统50上的处理单元将转动角、枢转角和距离进行关联。在扫描过程中，测量仪20的照相机28的像场可以通过元件17或29和17a以及镜11被对准到该测量点上，并且采集图像数据。
[0069] 图2c和2d示出对应于根据图1c和1d的实施方式的分别包括测量仪20和扫描模块10的根据本发明的测量系统50的第三和第四实施方式。测量系统50的这两个实施方式利用了激光束60，该激光束由瞄准单元30的光束源27(尤其是
激光二极管)发出并被引导到扫描模块10中。为此，分别设置一光束通道单元9。根据实施方式的不同，光束通道单元9例如能以镜保护机构或者用于扩大照相机28的
视野的机构的形式构成。光束60可以借助光束偏转元件17b被引到镜11上或多棱镜11a上并可被引到待测表面上。在图2c中，激光束60此时相对于枢转轴线22从反光镜11偏心地发出，在这里，可以产生平行于轴线22定位的激光平面。
[0070] 为了实现点测量，可以将在同一时间或者按规定的可被彼此分配的时间间隔所采集的各个角度和距离相关联。例如在根据图2a的实施方式中，该采集可由测量仪来如此控制，即，在利用角度传感器26进行水平角测量时，通过数据接口将触发信号发送给附接扫描仪10，触发信号在那里触发利用角度传感器13进行的竖向角的测量以及距离的测量。另外，在测量竖向角和距离时，附接扫描仪10可以向测量仪20发出触发信号，并且在那里启动水平角测量的同时触发或在规定时间间隔内的水平角测量触发。而且，例如可以在每次点测量中连续地发送触发信号或者在规定的角度位置上尤其是在其最低位置上例如镜11每转一圈就发出一次触发信号。尤其是测量数据可以内插在触发信号之间。
[0071] 由扫描模块10所确定的测量数据(竖向角和/或距离)可以通过数据接口传输给测量仪20，在那里，它们连同由测量仪20确定的水平角一起被存储起来。尤其是，在测量仪20的控制和处理单元内，可以根据角度和距离算出点坐标并可以存储所述点坐标。
[0072] 另外，也可以想到将水平角从测量仪20传送给附接扫描仪10，在那里，所述水平角可连同竖向角和距离一起被存储在
存储器模块上或者利用附接扫描仪10的对应的控制和处理单元从中算出点坐标。如果例如以较低的测量
频率采集和传输水平角，则可以在处理单元中内插测量角度，从而使得只有较少量的角度值必须从测量仪20传输给附接扫描仪10，例如镜11或多棱镜11a竖向每转一圈只传输一个值。而且，可以在数据传输或存储之前进行测量数据或点坐标的压缩，例如通过过滤。利用角度触发可以实现很有效的
数据压缩，在这里，快轴12的角度传感器是触发源。在此情况下，只存储包含慢速轴22的较少测量角度的距离测量值序列就够了。可以通过这样的显著减少的测量值序列来产生点位和与之相关的点云。
[0073] 另外，水平角可以从测量仪20以及竖向角和距离可以从附接扫描仪10被传送到外部处理单元(例如移动遥控装置)，该外部处理单元既不在测量仪20内，也不在附接扫描仪10内。
[0074] 在测量仪20、附接扫描仪10以及例如
控制器之间的通讯可以通过线连接、通过无线电(如蓝牙或WLAN)和/或通过光学接口、电感接口或电容接口来实现。为此，可以在根据本发明的测量系统50的单独部件处设置合适的发送和接收单元。另外，附接扫描仪10的
能量供应可以通过一体的
电池或由测量仪20借助导电接通来实现。
[0075] 为了确保用于借助扫描模块10进行的坐标测量的高精度，可以确定扫描模块10的外部取向。为此，扫描模块10可以在规定的位置(借此已知三个平移参数)以及按规定的对准(借此已知三个转动参数)被安装在测量仪20上。测量仪20还可以被校准为测量环境，尤其是通过具有已知坐标的瞄准点的瞄准，由此已知测量仪20的位置和对准。另外，可以通过传感器获知与规定位置和/或对准的偏差，并且例如在计算测量点的坐标时加以考虑。按规定的位置和/或对准的安装此时例如可以通过机械式固定机构或对中装置来实现，借此可实现高位置精度。
[0076] 除了利用扫描模块10的扫描过程之外，同时还可以利用测量仪20进行“扫描”。此时，望远镜30能以比较低的速度绕水平轴线21转动。水平角此时可利用角度传感器24来测量，而竖向角可利用角度传感器23来测量，距离借助激光模块27来确定。从这些测量数据可以计算出可共同构成点云的测量点的坐标。
[0077] 因此在扫描之后，可以存在两个点云。第一点云具有高分辨率但精度低并且是利用扫描模块10获得的，第二点云具有低分辨率但精度高并且是由测量仪20产生的。因而可以通过比较这两个点云来检测或修正例如扫描模块10的系统误差。
[0078] 如果附接扫描仪10不具有自身的照相机，则可以通过设置在测量仪20上的照相机28进行图像捕获。为此，在利用附接扫描仪10进行扫描过程的期间，可以使测量仪20的望远镜30以低速绕其水平轴线21枢转或转动。利用结合在望远镜30中的照相机28(在轴照相机，即，照相机28对应于激光60的对准尤其是同轴地采集图像)可以捕获图像，同时，可以采集望远镜30的水平角和竖向角。通过这些角度，可以在附接扫描仪10的位置和对准已知的情况下将图像数据与扫描数据关联。另外，测量系统50可以配备有总览照相机，其中总览照相机具有比照相机28更大的视野，并且因而可以采集更大区域的测量环境。借此获得的图像的输出尤其可以给使用者提供关于区域上目标的取向和瞄准的附加优点。
[0079] 图3示出了具有根据图2a的实施方式的扫描模块10的测量仪20，其中附接扫描仪10配备有附加的光学元件31(例如透镜或滤光器)，以确保适用于确定照相机16上的激光点的位置的光学成像。另外，设有测距传感器32来确定位置和对准参数。如果在至少三个不同位置(不在一条直线上)处利用这样的传感器32来采集附接扫描仪10和测量仪20之间的距离，则可以从这些测量结果推导出竖向距离以及扫描模块10的纵向倾斜度和横向倾斜度。
[0080] 可如此确定附加参数，即，将激光束60从测量仪20经过镜11和光束引导元件17引到扫描模块10的照相机16上，该照相机可以具有位置敏感型传感器。对此，测量仪的望远镜30平行于竖向轴线22向上对准，而附接扫描仪10的反光镜11向下对准。这些参数可以从在位置敏感型传感器的捕获图像中所获得的激光点的位置来导出。相反，激光束60也可以从附接扫描仪10的激光器模块15被成像到测量仪20的照相机传感器28上并且可由激光点的位置导出偏移参数和角度参数。为此，也可以将照相机传感器28以位置敏感形式来构成并进行评估。
[0081] 尤其是，例如在望远镜30平行于竖向轴线22粗略对准的情况下，可以在大致对准的情况下用角度传感器23获知角度偏差，并且例如在坐标计算中加以考虑。另外，测量仪20的(例如瞄准线误差和/或倾转轴线误差的修正)和附接扫描仪10的校准参数可以伴随地影响所述计算。
[0082] 另外，附接扫描仪10可以配备有倾斜度传感器，该倾斜度传感器采集关于重
力场的纵向方向和横向方向的倾斜度。所述传感器可以被用于就枢转轴线(竖向轴线)与铅垂方向的偏差而言修正附接扫描仪的测量结果。另外，可以根据附接扫描仪10的测量倾斜度和由测量仪20的倾斜度传感器确定的倾斜度之差计算出附接扫描仪10相对于测量仪20的相对倾斜度。
[0083] 另外，附接扫描仪10相对于测量仪20的水平枢转可以一方面通过附接扫描仪10另一方面通过测量仪20扫描显著结构(如竖向标识边缘)来实现，其中该角度差可基于此时可获得的两个点云的水平偏移来确定。
[0084] 附接扫描仪10还可以配备有存储器模块，从而使得所获得的测量数据可直接存在附接扫描仪内。与之并行地，测量仪20的测量数据可以存在设于那里的存储器上。附接扫描仪10和测量仪20的同步化可借助触发信号来实现，所述触发信号从测量仪20传送给附接扫描仪20(或反之亦然)。此时，该同步化可以基于分别由测量仪20和附接扫描仪10所接收的时间信号来进行，在这里，分别给这两个部件分配时间接收器。尤其是该同步化也可以通过两个GPS接收器来实现，这两个GPS接收器分别接收GPS时间，在这里，各有一个GPS接收器设置在测量仪20和附接扫描仪10上。所获得的时间信号可以分别与测量值关联(例如，测量数据可以对应于一个时间戳)并利用所述关联来实现测量值的后续配属。
[0085] 图4a示出了具有测量仪20的扫描模块10，在这里，尤其还结合图4b和4c示出了这两个部件的机械锁定或对中。望远镜30的光束出射端33尤其是物镜此时在其所示的对准上如此由锁定装置19来接纳，即，由此造成的通过适当设计固定装置18就可实现的侧向位移实现附接扫描仪10相对于测量仪20的对中。尤其是图4c示出了锁定装置19，其中，附接扫描仪10以相对于光束出射端33的粗略定位被锁定并且借助距离传感器34能够获得相对于理论位置的剩余偏移，并可在测量点的坐标确定的计算中考虑该剩余偏移。
[0086] 图5示出了利用根据本发明的测量系统50的测量过程，尤其是用于校准该系统50。在校准中可确定以下参数，这些参数例如表示与理论的几何形状的机械偏差并被用于测量值的补偿或修正的计算。内部校准参数(例如镜11相对于其转动轴线12的角度或激光束60在镜11上的入射角)一般可以在扫描模块10制造后来确定。这些参数可以在仪器使用了较长时期之后用相应的方法来检查，并且必要时可以进行修正，以便能确保系统50的高精度。
另外，下述的测量也可以用于尤其结合借助附加传感器进行的测量来确定附接模块10相对于测量仪20的外部取向。
[0087] 为了校准而执行以下测量，这些测量可以通常借助补偿计算用于确定校准参数。为此，例如能以已知的距离使测量仪20对准目标70上的瞄准点41。根据已知的距离以及根据由角度传感器23和24采集的角度，可以确定在测量仪20的
坐标系中的基准瞄准方向42。
同时，镜11可如此对准由激光束40标注的点41，即，所述点作为激光点成像在扫描模块10的照相机16的图像中。通过利用角度传感器13和24进行测量以及确定捕获的照相机图像中的激光点41位置，可确定方向43。校准参数的确定可通过基准方向42和具有多个点的方向43的比较来确定，其中，待确定的点的位置的数量和空间分布取决于待确定的参数。
[0088] 特别有利的是在两个圆周位置上针对同一点41的测量，也就是说在该点已在第一圆周位置上测量完后，使测量仪20与附接扫描仪10一起水平转动180度，随后使测量仪20的望远镜30和附接扫描仪10的镜11如此竖向地转动，即可在第二圆周位置上测量同一点41。
[0089] 该方法也可相反地如此进行，即，附接扫描仪10的激光束60标记出点41并且用测量仪20内的照相机28来采集该点41。
[0090] 如果至该点的距离是未知的，则可以利用激光器模块27执行距离测量。可根据该距离和由角度传感器23和24所确定的角度来确定所述点41在测量仪20的坐标系中的坐标。可以根据这些坐标推导出用于附接扫描仪10的基准瞄准方向43。
[0091] 如果测量仪20和附接扫描仪10都不具有照相机，则校准所需要的测量可以以改变的方式来人工进行。为此，附接扫描仪10的激光束60可被对准到明显的点41(例如瞄准标记)上。此时所述角度利用角度传感器13、24来测量并因此确定方向43。通过测量仪20绕竖向轴线22的转动和通过望远镜30绕水平轴线21的转动，测量仪20的激光束40准确地对准到同一点上，并且所述角度利用角度传感器23和24来测量并由此推导出基准方向42。望远镜30的对准可通过使激光束40与该明显点41(如瞄准标记)重合或通过利用十字线的常规瞄准来实现。涉及附接扫描仪10的距离测量的校准参数(例如距离偏移和/或距离刻度)可以根据利用测量仪20和附接扫描仪10以不同的距离至共同点的距离的测量来确定。
[0092] 尤其是，扫描模块10还可以借助机动化的枢转装置80进行枢转或转动。图6a和6b为此分别示出了具有枢转装置80和扫描模块10的根据本发明的测量系统50的另一个实施方式。图6a示出了具有枢转装置80的第一实施方式的附接扫描仪10。装置80具有下方基座80b和可绕竖向轴线81枢转的上部构造80a，其中枢转通过马达83进行，枢转角可利用角度传感器82来采集。
[0093] 用于机动化枢转装置80的第二实施方式如图6b所示。枢转装置80还配备有激光器模块84、照相机85和光学偏转元件86。利用所述两个实施方式的扫描过程可以类似于根据图2a和2b的实施方式来进行。这两个实施方式还可以配备有尤其是两维的倾斜度传感器87、磁罗盘、显示器(尤其是触敏式显示器)和/或可取下的操作元件。
[0094] 图7示出根据本发明的测量系统50的另一个实施方式，该测量系统具有枢转装置80、扫描模块10和附接的GNSS单元或GNSS天线90。附接扫描仪10可以为此配备有固定装置
18a以用于安装该GNSS天线90。另外，枢转装置80具有用于显示信息的显示器88和尤其用于输入控制指令的操作面板89。
[0095] 显然，所示的这些附图只示意性地表示出可能的示例性实施方式。这些不同的做法也可以根据本发明相互组合，并且也可以与用于测量表面或目标的系统和方法以及现有技术的测量仪进行结合。
