CN111322997B - Gps辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法及其应用，将全站仪架设在田块旁，建立全站仪坐标系；在待采样的田块周围布置若干控制点P，用GPS接收器测量控制点P的大地坐标，再用全站仪记录控制点P在全站仪坐标系下的坐标利用控制点P，求出ECEF坐标系与全站仪坐标系之间的坐标转换模型；在水田中选取采样点Q，用全站仪记录采样点Q的全站仪坐标系下的坐标，代入坐标转换模型中，求出采样点Q的ECEF坐标；由ECEF坐标系与大地坐标系的关系，求出采样点Q的大地坐标。本发明针对南方水田土壤潮湿松软，不易携带测量仪器下田的情况，为水田信息采集提供了很好的测量方法，属于农田信息采集领域。

Description

GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法及其 应用
技术领域
本发明涉及农田信息采集领域，具体涉及水田中采样点的空间坐标测量的方法及其应用。
背景技术
在精细农业的研究、试验与实施过程中，涉及到大量关于农田环境与作物生长情况的数据，需要在田中进行采样。
一般获取采样点方法为：在大地坐标系下的坐标需要将GPS接收器放置在采样点旁进行采集，这种方法费时费力，且会对田间作物分布造成破坏。市场上的手持GPS接收器虽然方便携带，但精度有限；而一些高精度GPS接收器一般是为高精度的农机导航所使用，为安装在农机上设计，大多较为笨重，不易随身携带在土壤表面松软的水田中测量。而且南方农区是我国粮食主产区，该区80％的耕地是水田。全站仪是传统的测绘仪器，灵活方便，能测角测距，且无需人员携带测量仪器下田，但测得的数据是相对全站仪的坐标，并非绝对坐标。若下一次测量，全站仪所在位置出现变动，前后测量的数据对比困难。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种当不易携带仪器下田时，用全站仪结合GPS定位，求得水田中采样点大地坐标系的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法。该方法实现了水田中采样点的三维坐标测量并能转换得到大地坐标，为精准农业的数字农田信息采集提供了帮助。
本发明的另一目的是：提供一种GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法的应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，包括如下步骤：
S101将全站仪架设在田块旁，保证田块在全站仪的测距范围内且形成通视，并对全站仪进行调平对中，建立全站仪坐标系；
S102在待采样的田块周围布置若干控制点P，要求控制点数≥4，且控制点不完全共面，用GPS接收器测量控制点P的大地坐标系下的坐标，再用全站仪记录控制点P在全站仪坐标系下的坐标；
S103利用控制点P，求出ECEF坐标系与全站仪坐标系之间的坐标转换模型；
S104在水田中选取采样点Q，用全站仪记录采样点Q的全站仪坐标系下的坐标，将采样点Q的全站仪坐标系下的坐标代入坐标转换模型中，求出采样点Q的ECEF坐标系下的坐标；
S105由ECEF坐标系与大地坐标系的关系，求出采样点Q的大地坐标系下的坐标。
步骤S101中，建立全站仪坐标系时，先将全站仪水平角置零，此时在测量光心处垂直全站仪外框正面的方向为N轴；再旋转外框，使水平角为90度时，在测量光心处垂直外框正面的方向为E轴；Z轴穿过全站仪光心竖直向上，坐标系原点在光心处；操作结束后完成全站仪坐标系S的建立，全站仪坐标系S下的坐标为(N，E，Z)。
大地坐标系下的坐标包括纬度、经度和海拔，坐标为
Figure BDA0002419328220000021
ECEF坐标系的坐标为(XE，YE，ZE)；大地坐标与ECEF坐标之间有已知的转换关系式。采样点的大地坐标与ECEF坐标的转换关系由公式(1)给出，
Figure BDA0002419328220000022
其中有，
Figure BDA0002419328220000023
a＝6378137m，b＝6356752.3142m，
Figure BDA0002419328220000024
设有空间点P，ECEF坐标系下的坐标为PE，全站仪坐标系下的坐标为PS，设ECEF坐标系与全站仪坐标系之间的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，基于坐标转换原理则有模型：
PE＝RPS+T (2)
其中，R为3x3的矩阵，T为3x1的矩阵；设r11-r33为R中的元素，Tx，Ty和Tz为T中的元素，则R和T一共包含12个未知参数，上述等式展开列出下列方程：
Figure BDA0002419328220000031
可知，每个控制点可以列出如上的3个等式，则求解12个未知数至少需要4个控制点来求出；
令K＝[r11，r12，r13，...，r33，Tx，Ty，Tz]T，则对于任意一个控制点有：
Figure BDA0002419328220000032
控制点数i≥4时，令上述等式左边等于B，则有AK＝B，其中有：
Figure BDA0002419328220000033
此时用最小二乘法，得出K的最优估计解
Figure BDA0002419328220000034
Figure BDA0002419328220000035
即解出R和T，得到坐标转换模型。
将采样点的坐标QS代入坐标转换公式(6)中，求出采样点的ECEF坐标QE，
QE＝RQS+T (6)。
由ECEF坐标系与大地坐标系的关系，求出采样点的大地坐标，由公式(7)列出，
Figure BDA0002419328220000041
GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法的应用，应用于水田中难以携带仪器下田的情况。
本发明具有如下优点：
1.本发明针对水田这种比较恶劣的土壤环境下，携带笨重和体积大的GPS接收器不方便的问题，提出GPS与全站仪结合进行田块中采样点位置信息采集的测量方法。全站仪是测量及测绘常用工具，操作简单易上手，通过全站仪测量获取采样点的大地坐标是对常用仪器进行功能拓展，且无需将高精度GPS接收器及信息采集设备带入田中，方便操作且节省人力。
2.本发明利用全站仪坐标系与ECEF坐标系之间的坐标转换，能够得到采样点的大地坐标。无论全站仪坐标系如何变动，只要求出全站仪坐标系与大地坐标系之间的转换关系，就能得到采样点的绝对坐标。将这些信息导入地理信息管理软件中，可以进行数字化管理，更好的保存作物的位置信息。
3.本发明能保持较高的测量精度。
附图说明
图1为全站仪坐标系下控制点和采样点的空间分布图。
其中，实心圆点为选取的控制点，共9点，五角星点为需要测量的采样点，共12点。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
本发明GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，实验仪器有Trimble(天宝)的高精度GPS接收器及其电源设备等，米尺，采集数据的笔记本以及科力达KTS460RM系列彩屏激光全站仪一台。GPS接收器定位误差为0.02m，该全站仪输出数据精确到0.01m。
本次实施例选在开阔的运动场进行，选择了9个控制点和12个采样点，图1为全站仪坐标系下控制点和采样点的空间分布图，实心圆点为选取的控制点，五角星点为需要测量的采样点。
为了验证该方法的可行性，同时用全站仪和GPS接收器记录采样点位置信息，利用采样点的全站仪坐标计算出大地坐标，与GPS接收器记录值对比求出本方法的精度。
实验的测量过程为：
1)将全站仪架设在运动场上，保证控制点和采样点在全站仪的测距范围内且形成通视，控制点不全共面，并对全站仪进行调平对中，建立全站仪坐标系；
2)分别用全站仪和GPS接收器测量控制点的全站仪坐标PS和大地坐标PG，并把所有控制点的坐标带入公式(1)到公式(5)中进行坐标转换，计算R和T；
3)分别用全站仪和GPS接收器测量采样点的全站仪坐标QS和大地坐标QG，将QS代入R和T组成的坐标转换模型即公式(6)中，得到QE；
4)将QE带入公式(7)中，计算出采样点的大地坐标，记为QCG；
5)为了验证本方法的可行性，将本发明计算出的采样点大地坐标QCG与GPS接收器测量的采样点大地坐标QG对比。
实验结果为：控制点在ECEF坐标系下的坐标PE和全站仪坐标系下的坐标PS在表1中列出。采样点的大地坐标QG和全站仪坐标QS在表2中列出。其中，
Figure BDA0002419328220000051
和λ单位为度，h单位为米。
表1控制点在ECEF坐标系下的坐标和全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002419328220000061
表2采样点的大地坐标和全站仪坐标
Figure BDA0002419328220000062
根据控制点的坐标，列出方程，再利用最小二乘法求出R和T：
Figure BDA0002419328220000063
Figure BDA0002419328220000064
则此次的坐标转换模型为：
Figure BDA0002419328220000071
将QS代入上式，计算采样点的ECEF坐标QE，利用公式，计算出对应的大地坐标QCG在表三中列出。其中，
Figure BDA0002419328220000072
和λ单位为度，h单位为米。
表三
Figure BDA0002419328220000073
从表中看出，QCG与QG两者结果一致，证明本方法可行。
综上所述，本发明利用GPS接收器与全站仪方便快速地实现了田块中采样点大地坐标的测量，且精度可靠，有利于对农田进行信息数字化管理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：包括如下步骤：
S101将全站仪架设在田块旁，保证田块在全站仪的测距范围内且形成通视，并对全站仪进行调平对中，建立全站仪坐标系；
S102在待采样的田块周围布置若干控制点P，要求控制点数≥4，且控制点不完全共面，用GPS接收器测量控制点P的大地坐标系下的坐标，再用全站仪记录控制点P在全站仪坐标系下的坐标；
S103利用控制点P，求出ECEF坐标系与全站仪坐标系之间的坐标转换模型；S104在水田中选取采样点Q，用全站仪记录采样点Q的全站仪坐标系下的坐标，将采样点Q的全站仪坐标系下的坐标代入坐标转换模型中，求出采样点Q的ECEF坐标系下的坐标；
S105由ECEF坐标系与大地坐标系的关系，求出采样点Q的大地坐标系下的坐标。
2.按照权利要求1所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：步骤S101中，建立全站仪坐标系时，先将全站仪水平角置零，此时在测量光心处垂直全站仪外框正面的方向为N轴；再旋转外框，使水平角为90度时，在测量光心处垂直外框正面的方向为E轴；Z轴穿过全站仪光心竖直向上，坐标系原点在光心处；操作结束后完成全站仪坐标系S的建立，全站仪坐标系S下的坐标为(N，E，Z)。
3.按照权利要求2所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：大地坐标系下的坐标包括纬度、经度和海拔，坐标为
Figure FDA0002979471990000011
ECEF坐标系的坐标为(XE，YE，ZE)；大地坐标与ECEF坐标之间有已知的转换关系式。
4.按照权利要求3所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：采样点的大地坐标与ECEF坐标的转换关系由公式(1)给出，
Figure FDA0002979471990000012
其中有，
Figure FDA0002979471990000021
a＝6378137m，b＝6356752.3142m，
Figure FDA0002979471990000022
5.按照权利要求4所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：设有空间点P，ECEF坐标系下的坐标为PE，全站仪坐标系下的坐标为PS，设ECEF坐标系与全站仪坐标系之间的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，基于坐标转换原理则有模型：
PE＝RPS+T (2)
其中，R为3x3的矩阵，T为3x1的矩阵；设r11-r33为R中的元素，Tx，Ty和Tz为T中的元素，则R和T一共包含12个未知参数，上述等式(1)和(2)展开列出下列方程：
Figure FDA0002979471990000023
可知，每个控制点可以列出如上的3个等式，则求解12个未知数至少需要4个控制点来求出；
令K＝[r11，r12，r13，...，r33，Tx，Ty，Tz]T，则对于任意一个控制点有：
Figure FDA0002979471990000024
控制点数i≥4时，令上述等式(4)的左边等于B，则有AK＝B，其中有：
Figure FDA0002979471990000031
此时用最小二乘法，得出K的最优估计解
Figure FDA0002979471990000032
Figure FDA0002979471990000033
即解出R和T，得到坐标转换模型。
6.按照权利要求5所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：将采样点的坐标QS代入坐标转换公式(6)中，求出采样点的ECEF坐标QE，
QE＝RQS+T (6)。
7.按照权利要求6所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法，其特征在于：由ECEF坐标系与大地坐标系的关系，求出采样点的大地坐标，由公式(7)列出，
Figure FDA0002979471990000034
8.按照权利要求1-7中任一项所述的GPS辅助的全站仪实现的水田作物位置信息采集方法的应用，其特征在于：应用于水田中难以携带仪器下田的情况。
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