CN105424013A - 一种地面坐标的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面坐标的测量方法，该方法包括：倾斜对中杆使RTK主机到达第一倾斜点，并获取第一倾斜点的坐标和水平夹角β1；保持杆底的位置不变，倾斜对中杆使RTK主机由第一倾斜点转移到第二倾斜点，并获取第二倾斜点的坐标和水平夹角β2；其中，第一倾斜点、待测点和第二倾斜点所组成的夹角大于10°；根据第一倾斜点的坐标、第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和对中杆的长度，计算获得待测点的地面坐标。采用本发明实施例，实现非竖直情况下不依赖于磁传感器的RTK测量，节省了复杂的磁校准工作，不受磁环境影响，测量数据准确且提高了实际工作效率。

Description

一种地面坐标的测量方法

技术领域

本发明涉及地面测量技术领域，尤其涉及一种地面坐标的测量方法。

背景技术

RTK(RealTimeKinematic)实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术，它主要依赖RTK主机进行地面坐标的实时采集。RTK主机上装载了GPS定位器、重力传感器和磁传感器，通过以上装置获得的数据来获得待测点的地面坐标。现有的测量方法是：在RTK主机的底面设置一根直杆，称为对中杆，杆底放置在待测点上，通过对中杆上的水泡调节，使对中杆竖直后，通过RTK主机测量的数据和对中杆的长度计算获得待测点的实际地面坐标。而在测量一些对中杆无法竖直的情况时，如建筑物的墙角，则需要将对中杆倾斜放置，这样的话，需要通过磁传感器获取的数据修正RTK主机测量获得的地面坐标。

现有技术的测量方法存在以下缺点，在非竖直情况下的RTK测量依赖于磁传感器的数据修正，但是磁传感器受环境影响大，在复杂磁环境(建筑物密集区或铁塔等)中能用运用，而且使用前需要进行较为复杂的磁校准，测量效率低下。

发明内容

本发明实施例提出一种地面坐标的测量方法，实现非竖直情况下不依赖于磁传感器的RTK测量，节省了复杂的磁校准工作，不受磁环境影响，测量数据准确且提高了实际工作效率。

本发明实施例提供一种地面坐标的测量方法，包括：

倾斜对中杆使RTK主机到达第一倾斜点，并获取所述RTK主机测量的所述第一倾斜点的坐标和水平夹角β1；其中，所述RTK主机安装在所述对中杆的杆顶；所述对中杆的杆底放置在待测点上；所述水平夹角β1为所述RTK主机在所述第一倾斜点时，所述对中杆与水平面的夹角；

保持所述杆底的位置不变，倾斜所述对中杆使所述RTK主机由第一倾斜点转移到第二倾斜点，并获取所述RTK主机测量的所述第二倾斜点的坐标和水平夹角β2；其中，所述水平夹角β2为所述RTK主机在所述第二倾斜点时，所述对中杆与水平面的夹角；所述第一倾斜点、所述待测点和所述第二倾斜点所组成的夹角大于10°；

根据所述第一倾斜点的坐标、所述第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和所述对中杆的长度，计算获得所述待测点的地面坐标。

进一步的，所述获取所述RTK主机测量的所述第一倾斜点的坐标和水平夹角β1，具体为：

获取所述RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将所述俯仰角和横滚角代入以下公式，计算所述水平夹角β1；

$\mathrm{\β}1=\arccos \left(\sqrt{({\sin }^2\mathrm{\θ}1+{\sin }^2\mathrm{\γ}1)}\right);$

其中，θ1为所述RTK主机在第一倾斜点所测量的俯仰角，γ1为所述RTK主机在所述第一倾斜点所测量的横滚角；

将所述GPS坐标作为所述第一倾斜点的第一坐标。

进一步的，所述获取所述RTK主机测量的所述第二倾斜点的坐标和水平夹角β2，具体为：

获取所述RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将所述俯仰角和横滚角代入以下公式，计算所述水平夹角β2；

$\mathrm{\β}2=\arccos \left(\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}2+{\sin }^2\mathrm{\γ}2}\right);$

其中，θ2为所述RTK主机在第二倾斜点所测量的俯仰角，γ2为所述RTK主机在所述第二倾斜点所测量的横滚角；

将所述GPS坐标作为所述第二倾斜点的第二坐标。

进一步的，所述根据所述第一倾斜点的坐标、所述第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和所述对中杆的长度，计算获得所述待测点的地面坐标，具体为：

所述待测点A的坐标为(x,y,h)，所述第一倾斜点P1的坐标为(x1,y1,h1)，所述第二倾斜点P2的坐标为(x2,y2,h2)；

根据P1和P2的坐标，确定第一投影点C的坐标(x1,y1,h)和第二投影点D的坐标(x2,y2,h)；其中，ACD为三个等高点；

结合所述水平夹角β1和水平夹角β2，计算获得投影线段AC的长度R1、投影线段AD的长度R2、投影线段R3和向量的方位角Ψ；

其中，R1＝L*cosβ1,R2＝L*cosβ2， $R3=\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2},\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{y2-y1}{x2-x1}\right);$

根据R1、R2、R3、Ψ和对中杆的长度L，按照以下计算公式计算获得待测点的坐标；

由余弦定理 $\cos \∠ACD=\frac{({R_1}^2+{R_3}^2-{R_2}^2)}{(2*R_1*R_3)},$ 可求出∠ACD；

则向量的方位角ψ_CA＝ψ-∠ACD，或ψ_CA＝ψ+∠ACD；

x＝x1+L*cosβ1*cosψ_CA；

y＝y1+L*cosβ1*sinψ_CA；

h＝h1-L*sinβ1；

获得所述待测点的坐标(x,y,h)。

进一步的，若所述P2在向量的左半平面，则所述向量的方位角ψ_已＝ψ-∠ACD；

若所述P2在向量的右半平面，则所述向量的方位角ψ_CA＝ψ+∠ACD。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种地面坐标的测量方法，只需对中杆底部在待测点上依次倾斜两个角度，其中，第一倾斜点、待测点和第二倾斜点所组成的夹角大于10°。再分别获取两个倾斜点的坐标和水平夹角，结合对中杆的长度即可计算获得待测点的地面坐标。相比于现有技术在非竖直情况下，RTK测量需依赖内置的磁传感器进行数据修正，本发明的测量方法在不依赖磁传感器的前提下，即可获得精确的坐标，解决人为对中问题，提高实际工作效率。另外，由于不需要磁传感器进行数据修正，本测量方法的使用范围更广，可用于建筑物密集区或铁塔下，不受磁环境的影响。

附图说明

图1是本发明提供的地面坐标的测量方法的一种实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的待测点与倾斜点的一种实施例的空间几何示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的地面坐标的测量方法的一种实施例的流程示意图，该方法包括步骤101至103。各步骤详细如下：

步骤101，倾斜对中杆使RTK主机到达第一倾斜点，并获取RTK主机测量的第一倾斜点的坐标和水平夹角β1；其中，RTK主机安装在对中杆的杆顶；对中杆的杆底放置在待测点上；水平夹角β1为RTK主机在第一倾斜点时，对中杆与水平面的夹角。

作为本实施例的一种举例，获取RTK主机测量的第一倾斜点的坐标和水平夹角β1，具体为：获取RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将俯仰角和横滚角代入以下公式，计算水平夹角β1；

$\mathrm{\β}1=\arccos \left(\sqrt{({\sin }^2\mathrm{\θ}1+{\sin }^2\mathrm{\γ}1)}\right);$

其中，θ1为RTK主机在第一倾斜点所测量的俯仰角，γ1为RTK主机在第一倾斜点所测量的横滚角；

将GPS坐标作为第一倾斜点的第一坐标。

步骤102，保持杆底的位置不变，倾斜对中杆使RTK主机由第一倾斜点转移到第二倾斜点，并获取RTK主机测量的第二倾斜点的坐标和水平夹角β2；其中，水平夹角β2为RTK主机在第二倾斜点时，对中杆与水平面的夹角；第一倾斜点、待测点和第二倾斜点所组成的夹角大于10°。

作为本实施例的一种举例，获取RTK主机测量的第二倾斜点的坐标和水平夹角β2，具体为：获取RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将俯仰角和横滚角代入以下公式，计算所述水平夹角β2；

$\mathrm{\β}2=\arccos \left(\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}2+{\sin }^2\mathrm{\γ}2}\right);$

其中，θ2为RTK主机在第二倾斜点所测量的俯仰角，γ2为RTK主机在所述第二倾斜点所测量的横滚角；

将GPS坐标作为第二倾斜点的第二坐标。

步骤103，根据第一倾斜点的坐标、第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和对中杆的长度，计算获得待测点的地面坐标。

为了更好的说明本发明的工作原理，详细可参见图2，图2是本发明提供的待测点与倾斜点的一种实施例的空间几何示意图。如图2所示，待测点A的坐标为(x,y,h)，第一倾斜点P1的坐标为(x1,y1,h1)，第二倾斜点P2的坐标为(x2,y2,h2)。C和D分别是P1和P2的投影点，因此第一投影点C的坐标(x1,y1,h)和第二投影点D的坐标(x2,y2,h)。其中，ACD为三个等高点。L为对中杆的长度。

首先，将对中杆的杆底放置在A点，并倾斜对中杆使RTK主机到达第一倾斜点C，这时，RTK主机通过卫星定位以及内置的重力传感器测量得到第一倾斜点的坐标、俯仰角θ1和横滚角γ1。然后保持杆底的位置不变，将对中杆杆顶的RTK主角倾斜至第二倾斜点D，同样测量得到第二倾斜点的坐标、俯仰角θ2和横滚角γ2。

将俯仰角θ1、横滚角γ1、俯仰角θ2和横滚角γ2代入以下公式，求出水平夹角β1和β2。

在第一倾斜点P1时，对中杆与水平面夹角

在第一倾斜点P2时，对中杆与水平面夹角

这时，向量的投影线段AC的长为R1＝L*cosβ1；向量的投影线段AD的长为R2＝L*cosβ2；向量的投影线段为的长度 $R3=\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2},$ 方位角 $\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{y2-y1}{x2-x1}\right).$

结合余弦定理，在△ACD中，可求出∠ACD。

如果P2在左半平面，则向量的方位角为ψ_CA＝ψ-∠ACD；

如果P2在右半平面，则向量的方位角为ψ_CA＝ψ+∠ACD。

由于C是P1的投影点，故C点的坐标为(x1，y1，h-L*sinβ1)从而A点对于C点的平面坐标增量Δx＝R1*cosψ_CA，Δy＝R1*sinψ_CA。结合以上计算公式可知，待测点的坐标为：

x＝x1+L*cosβ1*cosψ_CA；

y＝y1+L*cosβ1*sinψC_A；

h＝h1-L*sinβ1。

在本举例中通过计算CA的方位角获得A点的坐标，但同时也可以通过计算DA的方位角来获得A点的坐标。

为了更好的说明本发明的测量准确度，详细下表。下表第2至第4列为待测点的实际坐标，而最后三列是采用本发明测量方法而获得的坐标。由于数据结果可见，两者误差小于毫米级，因此本发明方法能准确的测量地面坐标。

点名	坐标x	坐标y	坐标h	俯仰角	横滚角	x	y	h
									P11	5051646.6251	518718.1312	226.557	3.7	-24.925	5051646.003	518718.7901	228.332
P12	5051646.6036	518718.1245	226.5492	8.85	-23.725	5051645.989	518718.7971	228.334
									P21	5051664.887	518733.5665	226.7756	-14.65	15.025	5051664.442	518733.006	228.607
P22	5051664.8736	518733.5841	226.759	-18.175	13.55	5051665.6	518733.3275	228.598
									P31	5051664.875	518733.5505	226.7574	-13.3	-2.5	5051664.464	518733.7614	228.678
P32	5051664.87	518733.5299	226.7585	-20.1	-4.225	5051664.259	518733.8601	228.671
									P41	5051668.8299	518733.822	227.3692	-3.425	9.325	5051668.846	518733.8175	229.34
P42	5051668.815	518733.8494	227.3614	-20.575	-3.425	5051668.629	518734.0976	229.335

由上可见，本发明实施例提供的一种地面坐标的测量方法，只需对中杆底部在待测点上依次倾斜两个角度，其中，第一倾斜点、待测点和第二倾斜点所组成的夹角大于10°。再分别获取两个倾斜点的坐标和水平夹角，结合对中杆的长度即可计算获得待测点的地面坐标。相比于现有技术在非竖直情况下，RTK测量需依赖内置的磁传感器进行数据修正，本发明的测量方法在不依赖磁传感器的前提下，即可获得精确的坐标，解决人为对中问题，提高实际工作效率。另外，由于不需要磁传感器进行数据修正，本测量方法的使用范围更广，可用于建筑物密集区或铁塔下，不受磁环境的影响。

以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种地面坐标的测量方法，其特征在于，包括：

倾斜对中杆使RTK主机到达第一倾斜点，并获取所述RTK主机测量的所述第一倾斜点的坐标和水平夹角β1；其中，所述RTK主机安装在所述对中杆的杆顶；所述对中杆的杆底放置在待测点上；所述水平夹角β1为所述RTK主机在所述第一倾斜点时，所述对中杆与水平面的夹角；

保持所述杆底的位置不变，倾斜所述对中杆使所述RTK主机由第一倾斜点转移到第二倾斜点，并获取所述RTK主机测量的所述第二倾斜点的坐标和水平夹角β2；其中，所述水平夹角β2为所述RTK主机在所述第二倾斜点时，所述对中杆与水平面的夹角；所述第一倾斜点、所述待测点和所述第二倾斜点所组成的夹角大于10°；

根据所述第一倾斜点的坐标、所述第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和所述对中杆的长度，计算获得所述待测点的地面坐标。

2.根据权利要求1所述的地面坐标的测量方法，其特征在于，所述获取所述RTK主机测量的所述第一倾斜点的坐标和水平夹角β1，具体为：

获取所述RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将所述俯仰角和横滚角代入以下公式，计算所述水平夹角β1；

$\mathrm{\β}1=\arccos \left(\sqrt{({\sin }^2\mathrm{\θ}1+{\sin }^2\mathrm{\γ}1)}\right);$

其中，θ1为所述RTK主机在第一倾斜点所测量的俯仰角，γ1为所述RTK主机在所述第一倾斜点所测量的横滚角；

将所述GPS坐标作为所述第一倾斜点的第一坐标。

3.根据权利要求1所述地面坐标的测量方法，其特征在于，所述获取所述RTK主机测量的所述第二倾斜点的坐标和水平夹角β2，具体为：

获取所述RTK主机当前测量的GPS坐标、俯仰角和横滚角；

将所述俯仰角和横滚角代入以下公式，计算所述水平夹角β2；

$\mathrm{\β}2=\arccos \left(\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}2+{\sin }^2\mathrm{\γ}2}\right);$

其中，θ2为所述RTK主机在第二倾斜点所测量的俯仰角，γ2为所述RTK主机在所述第二倾斜点所测量的横滚角；

将所述GPS坐标作为所述第二倾斜点的第二坐标。

4.根据权利要求1所述的地面坐标的测量方法，其特征在于，所述根据所述第一倾斜点的坐标、所述第二倾斜点的坐标、水平夹角β1、水平夹角β2和所述对中杆的长度，计算获得所述待测点的地面坐标，具体为：

所述待测点A的坐标为(x,y,h)，所述第一倾斜点P1的坐标为(x1,y1,h1)，所述第二倾斜点P2的坐标为(x2,y2,h2)；

根据P1和P2的坐标，确定第一投影点C的坐标(x1,y1,h)和第二投影点D的坐标(x2,y2,h)；其中，ACD为三个等高点；

结合所述水平夹角β1和水平夹角β2，计算获得投影线段AC的长度R1、投影线段AD的长度R2、投影线段R3和向量的方位角Ψ；

其中，R1＝L*cosβ1，R2＝L*cosβ2， $R3=\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2},$ $\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{y2-y1}{x2-x1}\right);$

根据R1、R2、R3、Ψ和对中杆的长度L，按照以下计算公式计算获得待测点的坐标；

由余弦定理可求出∠ACD；

则向量的方位角ψ_CA＝ψ-∠ACD，或ψ_CA＝ψ+∠_ACD；

x＝x1+L*cosβ1*cosψ_CA；

y＝y1+L*cosβ1*sinψ_CA；

h＝h1-L*sinβ1；

获得所述待测点的坐标(x,y,h)。

5.根据权利要求4所述的地面坐标的测量方法，其特征在于，

若所述P2在向量的左半平面，则所述向量的方位角ψ_CA＝ψ-∠ACD；

若所述P2在向量的右半平面，则所述向量的方位角ψ_CA＝ψ+∠ACD。