CN109883406B - 基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法及系统，该方法包括：确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值；将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维测量坐标值进行空间变换，计算得到对应CPIII控制点到全站仪的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角。本发明提出的计算方法，提高了设站效率，满足了实际应用需求。

Description

基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，特别涉及一种基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法及系统。

背景技术

全站仪免置平设站，是指全站仪在非水平状态下通过对多个控制点的测量，结合控制点已知坐标，计算全站仪位置和姿态。所谓位置是指全站仪站点在大地坐标系下三维坐标(X_S,Y_S,Z_S)，而姿态通常指全站仪x、y轴与大地水平面之间的夹角(全站仪倾斜角α和β)及全站仪坐标系正北方向与大地坐标体系正北方向的夹角(全站仪方向角θ)。

全站仪的标准工作方式是在三角架上置平、设站(置平设站)和测量，为提高设站效率，也进行了设站自动化的设计。置平设站时，由于全站仪已处于基本水平状态(倾斜角α和β约等于零)，仅需要采用手动照准的方式对两个CPIII控制点进行人工观测，便能计算出全站仪的概略位置和姿态(坐标(X_S,Y_S,Z_S)和方向角θ)。因此，全站仪置平自动设站的最少观测点数是两个，设站自动化程序相对较高。根据CPIII控制网的精度要求(平面相对精度为±1mm，高程相对精度为±0.5mm)，综合考虑全站仪的测量精度指标(测角精度为0.5″，测距精度为0.6+1ppm)，仅通过观测4个基桩点进行自由设站，其测量不确定度无法满足轨道三维坐标测量对设站精度(通常应控制在±1.0mm范围内)的要求。因此，工程上常采用多余观测、多测回观测等措施，通过平差方法来提高设站精度，其代价是增加了设站观测的工作量，降低了设站的效率。若全站仪能以少量的观测数据计算其概略位置和姿态，并以此为基础推算出下一个CPIII待测点的大概位置(具有较大误差，但又具备一定的位置精度)，实现程序控制下的自动规划、自动换盘、自动旋转、自动照准及自动测量，即设站自动化，以此弥补由于多余观测和多测回观测带来的效率上的不足。

然而，免置平设站，全站仪处于非水平状态(位置和姿态的6参数全部未知)，则至少需要4个CPIII观测数据，才能计算出全站仪的概略位置和姿态从而实现自动设站，设站自动化程度相对较低。

发明内容

基于此，本发明的目的是为了解决现有技术中，免置平设站，全站仪处于非水平状态至少需要4个CPⅢ观测数据，才能计算出全站仪的概略位置和姿态从而实现自动设站，导致设站自动化程度相对较低的问题。

本发明提出一种基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，所述方法包括如下步骤：

确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值；

将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维测量坐标值进行空间变换，计算得到对应CPIII控制点到全站仪的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角。

本发明提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，首先确定设站需要的CPIII控制点，在对第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点进行照准以及测量得到对应的三维坐标值之后，进行空间变换计算得到全站仪的概略位姿以及方向角，然后根据已有的两个CPIII控制点的数据，计算得到下一待测CPIII控制点的近似水平角以及近似垂直角，并与真实水平角以及真实垂直角进行比较观测，直至完成所有点的测量。本发明提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，由于可在免置平状态下，只通过照准测量两个基准CPIII控制点的坐标位置，便可依次计算得到下一待测CPIII控制点的水平角以及垂直角，提高了设站效率，满足了实际应用需求。

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，在确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值的步骤之后，所述方法还包括：

将所述全站仪的坐标设置为(0，0，0)，将全站仪坐标系x轴和y轴方向设置到双轴所在的位置，并测量获取所述全站仪的当前倾角信息，所述当前倾角信息包括当前α倾角值以及当前β倾角值；

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，第一CPIII控制点或第二CPIII控制点的三维坐标值可记为(x,y,z)，将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维坐标值进行空间变换的方法包括如下步骤：

将全站仪坐标系围绕x轴旋转α角度，对应的坐标变换公式为：

将所述全站仪坐标系继续围绕y轴旋转β角度，对应的坐标变换公式为：

其中R_x以及R_y为转置矩阵，(x”,y”,z”)为经x轴旋转α角度后坐标变换后的三维坐标，(x',y',z')为依次经x轴旋转α角度以及绕y轴旋转β角度后坐标变换后的三维坐标。

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，经空间转换后的所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维坐标可分别记为(x′₁，y′₁，z′₁)以及(x'₂，y'₂，z'₂)，所述计算得到对应的平距以及垂距的方法包括如下步骤：

根据公式

计算得到所述平距；

根据公式h＝z′计算得到所述垂距；

其中x′为x′₁或x′₂，y为y′₁或y′₂，z′为z′₁或z′₂。

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，所述全站仪的三维坐标值包括全站仪站点的概略坐标以及全站仪站点的概略高程，所述根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角的方法包括如下步骤：

根据所述平距以及所述垂距计算得到第一方向角σ₁以及第二方向角ω₁；

根据所述第一方向角σ₁、所述第二方向角ω₁以及所述第一CPIII控制点的平距计算得到所述全站仪站点的概略坐标；

根据所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的平距以及垂距计算得到所述全站仪站点的概略高程；

根据所述第一方向角σ₁以及所述第二方向角ω₁计算得到所述全站仪站点的概略方向角。

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，所述第一方向角σ₁对应的计算公式为：

σ₁＝arctan2(y₂-y₁,x₂-x₁)

所述第二方向角ω₁对应的计算公式为：

其中所述第一方向角σ₁以及所述第二方向角ω₁为所述全站仪与所述第一CPIII控制点连线方向的方向角。

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，所述全站仪站点的概略坐标的计算公式为：

其中，

以及

为全站仪站点的概略坐标，x₁，y₁为第一CPIII控制点的坐标；

所述全站仪站点的概略高程

的计算公式为：

其中，k₁,k₂为权重值，z₁,z₂分别为第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点的z向坐标；

所述全站仪站点的概略方向角

的计算公式为：

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，所述全站仪的免置平设站参数包括

所述计算得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下对应的水平角以及垂直角的方法包括如下步骤：

通过坐标变换得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下的坐标

根据坐标

计算得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下对应的水平角以及垂直角；

其中，进行坐标变换的公式为：

其中，

所述基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其中，根据坐标

计算得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下对应的水平角

以及垂直角

的公式如下所示：

本发明还提出一种基于更少点的全站仪概略位姿的计算系统，其中，所述计算系统包括：

数据采集模块，用于确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点的位置，并分别进行照准与测量得到大地坐标系下对应的三维坐标值；

计算处理模块，用于将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维坐标值进行空间变换，计算得到对应的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法的流程图；

图2为本发明第一实施例中设站自动化程序流程图；

图3为本发明第一实施例中参数与数据的降维示意图；

图4为本发明第一实施例中虚平降维两点法位姿估计原理示意图；

图5为本发明第一实施例中空间坐标变换原理示意图；

图6为本发明第一实施例中二维平面站点坐标计算示意图；

图7为本发明第二实施例提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

免置平设站，全站仪处于非水平状态(位置和姿态的6参数全部未知)，则至少需要4个CPIII观测数据，才能计算出全站仪的概略位置和姿态从而实现自动设站，设站自动化程度相对较低。

为了解决这一技术问题，本发明提出一种基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，请参阅图1至图6，对于本发明第一实施例提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其具体实施方式具体如下所述：

S101，确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值。

在本步骤中，首先需要进行模型变换实现估计参数和数据的降维。全站仪在免置平状态下，采用手动照准的方式对2个CPIII控制点(第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点)进行人工观测，其余剩下的点在程序控制下实现自动旋转、自动照准和自动测量，称之为两点法免置平半自动设站，其核心是能通过两个CPIII的观测数据计算全站仪的概略位置和姿态。

基于两个CPIII控制点的人工照准测量进行全站仪免置平概略位置和姿态的计算，其主要思想是建立全站仪虚拟水平的测量坐标系，通过模型变换和数据分解，实现数据和估计参数的降维。通过全站仪TMC_SetOrientation(double HzOrientation)子程序，将全站仪坐标系x轴和y轴方向设置到双轴所在的位置，并通过TMC_GetAngle(TMC_ANGLE&Angle,TMC_INCLINE_PRG Mode)子程序测量全站仪双轴倾斜状态η和ε(α＝η；β＝ε)。

构建全站仪虚拟水平测量坐标系o-x'y'z'，其坐标系原点和坐标系方向角与当前全站仪独立坐标系相同，o-x'y'处于水平状态。此时，站点估计参数为平面坐标系中的(X_s,Y_s,θ)和高程方向的站点高程Zs，如图3a所示，从三维空间中的6估计参数降维到二维平面中的3参数和高程中的1参数。将已测的2个CPIII控制点观测数据(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)转换到全站仪虚平坐标系下，得到(x′₁,y′₁,z′₁)和(x'₂,y'₂,z'₂)。进一步将(x′₁,y′₁,z′₁)和(x'₂,y'₂,z'₂)表示为虚平坐标系的二维平面数据(x′₁,y′₁)、(x'₂,y'₂)和一维高程数据Z′₁、Z′₂，如图3b所示，实现测量数据的降维。

对设站估计参数和测量数据进行降维，实质是对设站参数计算模型进了变换，如图4所示，在三维坐标系统中，求解全站仪位置(X_s,Y_s,Z_s)和姿态(α,β,θ)共计6个参数，最少需要4组观测数据。而通过虚平操作，使用二维平面数据(x′₁,y′₁)、(x'₂,y'₂)求解站点二维平面坐标(X_s,Y_s)和方向角θ，使用一维高程数据Z′₁、Z'₂用于求角站点高程Zs，最少只需要2组观测数据，最终将最少人工观测点数从4降到2。

S102，将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维测量坐标值进行空间变换，计算得到对应CPIII控制点到全站仪的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角。

如图5所示，大地坐标系XYZ下8个CPIII控制点，其坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，其中i＝1,2...8。全站仪免置平工况下照准1号CPIII控制点，此时将全站仪站点坐标设为(0,0,0)，并重置H_z＝0，测量出全站仪当前倾角信息α和β。同时，控制全站仪测量1号CPIII控制点(第一CPIII控制点)和2号CPIII控制点(第二CPIII控制点)，坐标记为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)。

根据空间坐标变换原理，将全站仪坐标系围绕x轴旋转α角度，对应的坐标变换公式为：

进一步将全站仪坐标系继续围绕y轴旋转β角度，对应的坐标变换公式为：

其中R_x以及R_y为转置矩阵，(x”,y”,z”)为经x轴旋转α角度后坐标变换后的三维坐标，(x',y',z')为依次经x轴旋转α角度以及绕y轴旋转β角度后坐标变换后的三维坐标。

通过公式(2)，得到第一CPIII控制点的测量坐标(x′₁,y′₁,z′₁)、第二CPIII控制点的测量坐标(x'₂,y'₂,z'₂)，并进一步将转化为测量平距d与垂距h。

h＝z'

其中x′为x′₁或x′₂，y′为y′₁或y′₂，z′为z′₁或z′₂。

设全站仪站点在大地坐标系下的坐标为(X_s,Y_s,Z_s)，全站仪位于C点，其与CPIII点之间的几何关系如图6所示。

有关全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角的计算细节如下所所示：

根据平距以及垂距计算得到第一方向角σ₁以及第二方向角ω₁。具体为：

第一方向角σ₁对应的计算公式为：

σ₁＝arctan2(y₂-y₁,x₂-x₁) (4)

第二方向角ω₁对应的计算公式为：

其中第一方向角σ₁以及第二方向角ω₁为全站仪与所述第一CPIII控制点连线方向的方向角(如图6所示)。

全站仪站点的概略坐标的计算公式为：

(7)

其中，

以及

为全站仪站点的概略坐标，x₁，y₁为第一CPIII控制点的坐标；

全站仪站点的概略高程

的计算公式为：

其中，k₁,k₂为权重值，z₁,z₂分别为第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点的z向坐标；

全站仪站点的概略方向角

的计算公式为：

如上所述，根据全站仪坐标系倾斜角α、β及公式6至公式9的计算结果，得到了全站仪的6个免置平设站参数

通过坐标变换，可计算出下一个CPIII待测点(X_i,Y_i,Z_i)在全站仪坐标系下的坐标

其中，

根据全站仪测量原理，通过公式(11)、(12)可计算出待测棱镜在全站仪坐标系下的近似水平角

和近似垂直角

通过全站仪GeoCOM端口调用旋转控制子程序AUT_Make Positioning(doubA_h,doubleA_v,AUT_POSMODE POSMode,AUT_ATRMODE ATRMode,BOOLE bDummy)，使其视准轴定位到下一个CPIII待测点。当ATRMODE在AUT_TARGET模式下，全站仪在旋转到目标位置后，将自动在ATR窗口搜索范围内搜索和照准棱镜。

下面结合图2，对本发明的自动化设站流程的实施过程进行更加详细地叙述。

具体的，采用Leica TS60全站仪(测角精度为0.5″，测距精度为0.6+1PPM)进行线路试验，以验证全站仪概略位置和姿态计算精度是否能够满足全站仪免置平自动设站的需要。其试验的程序流程图如图4所示，设站过程中根据全站仪概略位置和姿态计算下一个CPIII待测点在全站仪坐标系下的近似水平角

和垂直角

同时，在全站仪照准待测点后，测量并记录该待测点实际的水平角A_h和垂直角A_V，最后以旋转照准误差为ΔA_h和ΔA_V

作为全站仪概略位置和姿态计算精度的评价指标。

综上可以得知，相比于置平设站，全站仪免置平设站可使全站仪直接在不置平的工况下完成设站测量和站点信息的计算。

本发明提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，首先确定设站需要的CPIII控制点，在对第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点进行照准以及测量得到对应的三维坐标值之后，进行空间变换计算得到全站仪的概略位姿以及方向角，然后根据已有的两个CPIII控制点的数据，计算得到下一待测CPIII控制点的近似水平角以及近似垂直角，并与真实水平角以及真实垂直角进行比较观测，直至完成所有点的测量。本发明提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，由于可在免置平状态下，只通过照准测量两个CPIII控制点的坐标位置，便可依次计算得到下一待测CPIII控制点的水平角以及垂直角，提高了设站效率，满足了实际应用需求。

请参阅图7，对于本发明第二实施例提出的基于更少点的全站仪概略位姿的计算系统，其中，所述计算系统包括依次连接的数据采集模块11以及计算处理模块12；

其中所述数据采集模块11具体用于：

确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值；

所述计算处理模块12具体用于：

将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维测量坐标值进行空间变换，计算得到对应CPIII控制点到全站仪的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

确定进行设站所需的第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点，分别进行照准与测量得到全站仪坐标系下对应的三维坐标值；

将所述全站仪的坐标设置为(0，0，0)，将全站仪坐标系x轴和y轴方向设置到双轴所在的位置，并测量获取所述全站仪的当前倾角信息，所述当前倾角信息包括当前α倾角值以及当前β倾角值；

将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维测量坐标值进行空间变换，计算得到对应CPIII控制点到全站仪的平距以及垂距，并根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角；

将所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维坐标值进行空间变换的方法包括如下步骤：

将全站仪坐标系围绕x轴旋转α角度，对应的坐标变换公式为：

将所述全站仪坐标系继续围绕y轴旋转β角度，对应的坐标变换公式为：

其中R_x以及R_y为转置矩阵，(x”,y”,z”)为经x轴旋转α角度后坐标变换后的三维坐标，(x',y',z')为依次经x轴旋转α角度以及绕y轴旋转β角度后坐标变换后的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，经空间转换后的所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的三维坐标可分别记为(x'₁，y'₁，z'₁)以及(x'₂，y'₂，z'₂)，所述计算得到对应的平距以及垂距的方法包括如下步骤：

根据公式

计算得到所述平距；

根据公式h＝z'计算得到所述垂距；

其中x′为x′₁或x′₂，y′为y′₁或y′₂，z′为z′₁或z′₂。

3.根据权利要求2所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述全站仪的三维坐标值包括全站仪站点的概略坐标以及全站仪站点的概略高程，所述根据所述平距以及垂距计算得到所述全站仪在大地坐标系下对应的三维坐标值以及概略方向角的方法包括如下步骤：

根据所述平距以及所述垂距计算得到第一方向角σ₁以及第二方向角ω₁；

根据所述第一方向角σ₁、所述第二方向角ω₁以及所述第一CPIII控制点的平距计算得到所述全站仪站点的概略坐标；

根据所述第一CPIII控制点以及所述第二CPIII控制点的平距以及垂距计算得到所述全站仪站点的概略高程；

根据所述第一方向角σ₁以及所述第二方向角ω₁计算得到所述全站仪站点的概略方向角。

4.根据权利要求3所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述第一方向角σ₁对应的计算公式为：

σ₁＝arctan2(y₂-y₁,x₂-x₁)

所述第二方向角ω₁对应的计算公式为：

其中所述第一方向角σ₁以及所述第二方向角ω₁为所述全站仪与所述第一CPIII控制点连线方向的方向角。

5.根据权利要求3所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述全站仪站点的概略坐标的计算公式为：

其中，

以及

为全站仪站点的概略坐标，x₁，y₁为第一CPIII控制点的坐标；

所述全站仪站点的概略高程

的计算公式为：

其中，k₁,k₂为权重值，z₁,z₂分别为第一CPIII控制点以及第二CPIII控制点的z向坐标；

所述全站仪站点的概略方向角

的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述全站仪的免置平设站参数包括

所述方法还包括如下步骤：

通过坐标变换得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下的坐标

根据坐标

计算得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下对应的水平角以及垂直角；

其中，进行坐标变换的公式为：

其中，

7.根据权利要求6所述的基于更少点的全站仪概略位姿的计算方法，其特征在于，所述根据坐标

计算得到下一待测CPIII控制点在全站仪坐标系下对应的水平角

以及垂直角

的公式如下所示：

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