CN106875485B - 面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据水电工程地质测绘现场的勘测数据进行野外现场快速编录和坐标处理的方法，其公开了一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，实现快速计算并存储大地坐标、局部坐标与绘制像素坐标。包括：A、获取欲编录地质对象的三个控制点；B、以控制点确定的平面为局部编录平面，确定局部坐标系的坐标轴方向；C、计算控制点的外包络矩形，建立局部编录坐标系，确定其与大地坐标系的转换关系T1；D、获取外包络矩形的四个顶点在绘图区域的位置；E、以外包络矩形的四个顶点为控制点，确立局部编录坐标系和像素坐标系的转换关系T2；F、绘制并记录地质对象的几何标记，所获取的像素坐标通过T2转换为局部编录坐标，再通过T1转换为大地坐标。

Description

面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法
技术领域
本发明涉及一种根据水电工程地质测绘现场的勘测数据进行野外现场快速编录和坐标处理的方法，特别涉及一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法。
背景技术
水电工程地质野外测绘过程中，施工编录阶段所面对的地质对象多是需要绘图记录的，例如边坡、洞室和地基的编录。传统的施工编录多是利用坐标纸进行现场描绘，或是利用数字影像记录信息以便后期整理，这些方法都不可避免地需要求解工程大地坐标、编录现场的局部编录坐标和描绘(影像)坐标之间的关系，其中涉及到大量的矩阵运算和几何分析，不便于施工编录的开展。
因此，基于上述问题，本发明提供了一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系快速建立方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，用于水电工程地质野外测绘现场的地质信息记录与绘制，快速计算并存储大地坐标、局部坐标与绘制像素坐标。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，包括以下步骤：
步骤A、在野外现场获取欲编录地质对象的三个控制点，记录其在大地坐标系下的坐标值；
步骤B、以三个控制点所确定的平面为局部编录平面，根据局部编录面和大地平面的位置关系，确定局部坐标系的坐标轴方向；
步骤C、计算三个控制点的外包络矩形，以该矩形的左下顶点为局部编录坐标系的原点，建立局部编录坐标系，并确立大地坐标系与局部编录坐标系的转换关系T1；
步骤D、获取电脑终端的绘图区域的宽和高，计算宽高比，并与外包络矩形的宽高比进行比较，依此获取外包络矩形的四个顶点在绘图区域的位置，即四个顶点的像素坐标；
步骤E、以外包络矩形的四个顶点为控制点，确立局部编录坐标系和像素坐标系的转换关系T2；
步骤F、在电脑终端上绘制并记录地质对象的几何标记，所获取的像素坐标通过T2转换为局部编录坐标，再通过T1转换为大地坐标。
作为进一步优化，步骤A中，通过搭载着水利水电工程地质三维实景野外编录填图装置系统的平板电脑和GPS装置，在野外现场获取欲编录地质对象的三个控制点。
作为进一步优化，步骤A中的水利水电工程地质三维实景野外编录填图装置系统是根据野外地质勘测获得的地质编录信息在数字三维场景中进行标记、绘制、处理和分析的工程地质野外辅助系统，该系统可配合GPS、电子罗盘等设备，为工程地质野外测绘工作提供三维实景工作平台、数字化编录操作和快速分析预测功能；
作为进一步优化，步骤A中的欲编录地质对象的三个控制点，是指工程地质施工编录对象的编录作业控制点，这些控制点互不共线，通过编录前的现场标识和GPS位置标定，获得其在大地坐标系下的坐标值。
作为进一步优化，步骤B中的局部编录平面，是指工程地质施工编录对象的编录工作平面，所有的编录作业都以此作为基本工作面；局部编录平面由欲编录地质对象的三个控制点唯一确定。
作为进一步优化，步骤C中的外包络矩形，是指在局部编录平面上的矩形，矩形的四条边分别平行于局部编录平面的两个坐标轴，且三个控制点都位于四条边上；外包络矩形是地质编录区域的参考指示，其将局部编录平面划分为两部分：矩形内部为重点编录区域，矩形外部为辅助编录区域；大部分编录信息都位于重点编录区域中。
作为进一步优化，步骤C中的局部编录坐标系，是建立在局部编录平面上的右手笛卡尔系，由步骤A中所获取的三个控制点唯一确定的；坐标原点在外包络矩形的左下顶点，坐标X轴方向平行于大地平面。
作为进一步优化，步骤D中的电脑终端的绘图区域，是指电脑终端的屏幕中设置的一块专门用于绘制地质编录信息的矩形区域，该区域的宽和高由电脑终端的屏幕尺寸、野外编录填图装置系统的设置共同确定。
作为进一步优化，步骤D中的像素坐标，是指在屏幕像素坐标系中的像素点坐标；屏幕像素坐标系由电脑终端的绘图区域唯一确定。
本发明的有益效果是：
本发明充分利用水电工程地质野外测绘过程中所获取的控制点信息，快速建立编录平面坐标与大地坐标之间的转换关系，并利用平板电脑绘图区域，快速确定像素坐标与编录坐标的转换关系，实现了地质数据从平板电脑绘制到以大地坐标存储分析的无纸化数据通路，避免了编录数据和存储坐标不统一的弊端。
附图说明
图1为面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法流程图；
图2为大地坐标系与局部编录坐标系的转换关系图；
图3为平板电脑绘图区域的外包络矩形图。
具体实施方式
本发明旨在提出一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系快速建立方法，用于水电工程地质野外测绘现场的地质信息记录与绘制，快速计算并存储大地坐标、局部坐标与绘制像素坐标。
如图1所示，本发明中的面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系快速建立方法包括以下步骤：
步骤A：在野外现场，通过搭载着水利水电工程地质三维实景野外编录填图装置系统的平板电脑和GPS装置，获取欲编录地质对象的三个控制点，记录其在大地坐标系下的坐标值。
步骤B：以三个控制点所确定的平面为局部编录平面，根据局部编录面和大地平面的位置关系，确定局部坐标系的坐标轴方向。
局部编录平面的X坐标轴方向按照如下方式确定：若局部编录平面与大地平面平行，则X坐标轴方向同大地坐标系，用向量表示即(1,0,0)；若局部编录平面与大地平面不平行，则X坐标轴方向由局部编录平面的法向量和大地平面法向量进行叉乘运算获得，即vx＝n局部编录平面×n大地平面。
局部编录平面的Y坐标轴方向按照如下方式确定：若局部编录平面与大地平面平行，则Y坐标轴方向同大地坐标系，用向量表示即(0,1,0)；若局部编录平面与大地平面不平行，则Y坐标轴方向由局部编录平面的法向量和局部编录平面的X坐标轴方向向量进行叉乘运算获得，即vy＝n局部编录平面×vx。
步骤C：计算三个控制点的外包络矩形，以该矩形的左下顶点为局部编录坐标系的原点，建立局部编录坐标系，并确立大地坐标系与局部编录坐标系的转换关系T1，如图2所示。
步骤D：获取平板电脑的绘图区域的宽和高，计算宽高比，并与外包络矩形的宽高比进行比较，依此获取外包络矩形的四个顶点在绘图区域的位置，即四个顶点的像素坐标，如图3所示。
步骤E：以外包络矩形的四个顶点为控制点，确立局部编录坐标系和像素坐标系的转换关系T2。
任取四个顶点中的三个作为控制点，根据其屏幕像素坐标值和局部编录坐标值，构造两个三阶方阵，则转换关系T2可通过下式求得：
Figure BDA0001223618620000031
式中：
Figure BDA0001223618620000041
Figure BDA0001223618620000042
步骤F：地质工作者在平板电脑上绘制并记录地质对象的几何标记，所获取的像素坐标通过T2转换为局部编录坐标，再通过T1转换为大地坐标。

Claims (3)

1.一种面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、在野外现场获取欲编录地质对象的三个控制点，记录其在大地坐标系下的坐标值；所述欲编录地质对象的三个控制点，是指工程地质施工编录对象的编录作业控制点，这些控制点不共线，通过编录前的现场标识和GPS位置标定，获得其在大地坐标系下的坐标值；
步骤B、以三个控制点所确定的平面为局部编录平面，根据局部编录面和大地平面的位置关系，确定局部编录坐标系的坐标轴方向；所述局部编录平面，是指工程地质施工编录对象的编录工作平面，所有的编录作业都以此作为基本工作面；局部编录平面由欲编录地质对象的三个控制点唯一确定；
所述局部编录坐标系是建立在局部编录平面上的右手笛卡尔系，由步骤A中所获取的三个控制点唯一确定的；坐标原点在外包络矩形的左下顶点，坐标X轴方向平行于大地平面；
步骤C、计算三个控制点的外包络矩形，以该矩形的左下顶点为局部编录坐标系的原点，建立局部编录坐标系，并确立大地坐标系与局部编录坐标系的转换关系T1；所述外包络矩形，是指在局部编录平面上的矩形，矩形的四条边分别平行于局部编录平面的两个坐标轴，且三个控制点位于四条边上；外包络矩形是地质编录区域的参考指示，其将局部编录平面划分为两部分：矩形内部为重点编录区域，矩形外部为辅助编录区域；大部分编录信息都位于重点编录区域中；
步骤D、获取电脑终端的绘图区域的宽和高，计算宽高比，并与外包络矩形的宽高比进行比较，依此获取外包络矩形的四个顶点在绘图区域的位置，即四个顶点的像素坐标；所述电脑终端的绘图区域，是指电脑终端的屏幕中设置的一块用于绘制地质编录信息的矩形区域，该区域的宽和高由电脑终端的屏幕尺寸、野外编录填图装置系统的设置共同确定；
步骤E、以外包络矩形的四个顶点为控制点，确立局部编录坐标系和像素坐标系的转换关系T2；
步骤F、在电脑终端上绘制并记录地质对象的几何标记，所获取的像素坐标通过T2转换为局部编录坐标，再通过T1转换为大地坐标。
2.如权利要求1所述的面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，其特征在于，步骤A中，通过搭载着水利水电工程地质三维实景野外编录填图装置系统的平板电脑和GPS装置，在野外现场获取欲编录地质对象的三个控制点，所述水利水电工程地质三维实景野外编录填图装置系统是根据野外地质勘测获得的地质编录信息在数字三维场景中进行标记、绘制、处理和分析的工程地质野外辅助系统，该系统配合GPS、电子罗盘设备，为工程地质野外测绘工作提供三维实景工作平台、数字化编录操作和快速分析预测功能。
3.如权利要求1所述的面向水电工程地质施工编录的现场三维坐标体系建立方法，其特征在于，步骤D中的像素坐标，是指在屏幕像素坐标系中的像素点坐标；屏幕像素坐标系由电脑终端的绘图区域唯一确定。
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