CN112130151B - 一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法。包括以下步骤：获取雷达照射场景在以雷达为中心的极坐标系下的坐标值(r，θ)序列以及地形三维点云数据；计算地形点云在此坐标系下的投影极坐标(rd，θd)；选取一定数量的地形点云的投影极坐标值，对于每个地形点云的投影极坐标值，若||rd‑ri||<Δr，||θd‑θi||<Δθ，则认为该点云为照射场景在雷达极坐标系下的某一个坐标值为(ri，θi)的测量网格所覆盖的地形点云。本发明能够将照射场景在雷达极坐标系下坐标投影到地形上，能够在三维系统中直观的展示雷达监测范围及形变值。同时能够将每个监测网格中覆盖的地形点云筛选出来，在进行三维模型切片时能够在不同缩放级别中都展示雷达监测数据。

Description

一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法
技术领域
本发明专利涉及测绘及软件领域，特别地，涉及一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法。
背景技术
边坡地质灾害预警一直是矿山监测、地质勘测、应急救援等应用的关键任务之一，而相对于位移计、北斗差分监测设备、水准仪等常规监测技术手段，采用地基雷达进行远距离遥感监测的方式不受雨、雪、雾等气候影响和强光、夜晚等光照影响，测量精度达亚毫米级，可对大范围场景进行全面和快速测量，综合使用成本低，是一种极有前景的边坡形变监测技术手段。
圆弧合成孔径雷达在距离方向形成圆形合成孔径，可以对目标区域360°全方位监测。其成像结果为扇形区域网格，距离向和角度向网格个数依赖于雷达角度分辨率、距离分辨率以及监测范围大小。以极坐标形式表示，其中角度为目标到雷达合成孔径中心所形成的线在达二维坐标平面下偏离雷达起始位置的角度，距离为目标到雷达合成孔径中心的距离。这种极坐标表示的图像不直观，很难判别是哪个区域内发生形变，因此需要将极坐标投影到监测区域的地形上。
发明专利内容
本发明目的在于提供一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，能够实现雷达监测结果与地形叠加，大幅度降低计算量，提高计算速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，包括以下步骤：
S1、获取包含监测区域在内的整个项目范围内地形三维点云模型，其坐标集合为P(Xd，Yd，Hd)；
S2、获取雷达一次扫描数据，计算得到照射区域内所有监测网格在以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值集合R(rij，θij)(1≤i≤M，1≤j≤N)，极坐标系方位角起算位置为雷达启动时初始方位角；
S3、在UTM坐标系下，计算点云中每个点在所述雷达成像平面上的投影极坐标，计算方法如下：
Figure BDA0002728338560000021
Figure BDA0002728338560000022
其中，方位角θ方向定义为Y轴正方向为起始方位，顺时针为正；
将计算的每个点的Xd，Yd，Hd，rd，θd存入数据库表T1中；
S4、从集合R中取出一组方位角相同的极坐标值集合K(rij，θij)，集合K中下标j相等，其在UTM坐标系下方位角θ'＝θij+θ0；
S5、在表T1中，筛选出满足||θi-θ'||<Δθ的集合M(Xd，Yd，Hd，rd，θd)；
S6、对于集合K中的每一个坐标(rij，θ')，若||θd-θ'||<Δθ，||rd–rij||<Δr，Δθ，Δr为设置的阈值，将数组(i，j，Xd，Yd，Hd)作为一条数据存在数据库表T2中；
S7、重复S4-S7步骤，直到计算完集合R中所有数据；
S8、数据库表T2中，具有相同的i、j值的(Xd，Yd，Hd)集合即为第i行第j列监测单元格所投影覆盖的地形点云。
进一步地，采用圆弧合成孔径雷达，雷达照射场景所覆盖的地形区域为监测范围，呈扇形格网，每一个监测单元为扇形方格，其位置表示为以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值(r，θ)，其中θ为相对于雷达初始位置偏转的角度，r为距离；r，θ是以弧形方格内雷达回波信号的平均值计算；整个监测范围有M×N个监测单元，M为距离方向个数，N为角度方向个数。
进一步地，包括照射场景在内的整个项目区域，通过无人机航拍或者三维激光扫描仪获取地形三维模型，将模型导出为点云，其坐标为UTM投影下坐标。
进一步地，θ0为初始时雷达摆臂在UTM平面坐标系下方位角，采用全站仪或者RTK方式测量得到；X0、Y0、H0为雷达转轴中心在UTM平面坐标系下坐标。
进一步地，数据库表T1和表T2均采用sqlite数据库。
进一步地，Δθ，Δr为设置的阈值，阈值大小分别选择雷达角度分辨的一半和距离分辨的一半。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明能够将照射场景在雷达极坐标系下坐标投影到地形上，实现在三维系统中展示时，能够直观的展示雷达监测范围及形变值。
(2)采用本发明方法，能够快实现雷达监测区域到地形的投影，减少了计算量，计算速度大大提高，而且能够将每个监测网格中覆盖的地形点云筛选出来，在进行三维模型切片时能够在不同缩放级别中都展示雷达监测数据。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明专利的进一步理解，本发明专利的示意性实施例及其说明用于解释本发明专利，并不构成对本发明专利的不当限定。在附图中：
图1是本发明专利雷达照射区域示意图；
其中，1、照射场景，2、监测单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明专利的实施例进行详细说明，但是本发明专利可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
为了实现雷达监测结果与地形叠加，本发明提出了一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法。如图1所示，本计算方法，采用圆弧合成孔径雷达，雷达照射场景1所覆盖的地形区域为监测范围，呈扇形格网，每一个监测单元2为扇形方格，其位置表示为以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值(r，θ)，其中θ为相对于雷达初始位置偏转的角度，r为距离。r，θ是以弧形方格内雷达回波信号的平均值计算。整个监测范围有M×N个监测单元，M为距离方向个数，N为角度方向个数。
包括照射场景在内的整个项目区域，通过无人机航拍或者三维激光扫描仪获取地形三维模型，将模型导出为点云，其坐标为UTM投影下坐标，至少包括X、Y、H三个方向的坐标。
需要计算初始时雷达摆臂在UTM平面坐标系下方位角θ0，采用全站仪或者RTK(载波相位差分技术)方式测量；需要计算雷达转轴中心在UTM平面坐标系下坐标X0、Y0、H0。
本发明方法包括以下步骤：
S1、获取包含监测区域在内的整个项目范围内地形三维点云模型，其坐标集合为P(Xd，Yd，Hd)；
S2、获取雷达一次扫描数据，计算得到照射区域内所有监测网格在以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值集合R(rij，θij)(1≤i≤M，1≤j≤N)，极坐标系方位角起算位置为雷达启动时初始方位角。
S3、在UTM坐标系下，计算点云中每个点在所述雷达成像平面上的投影极坐标，计算方法如下：
Figure BDA0002728338560000041
Figure BDA0002728338560000042
其中，方位角θ方向定义为Y轴正方向为起始方位，顺时针为正。
将计算的每个点的Xd，Yd，Hd，rd，θd存入数据库表T1中。
S4、从集合R中取出一组方位角相同的极坐标值集合K(rij，θij)(其中j相等)，其在UTM坐标系下方位角θ'＝θij+θ0。
S5、在表T1中，筛选出满足||θi-θ'||<Δθ的集合M(Xd，Yd，Hd，rd，θd)。
S6、对于集合K中的每一个坐标(rij，θ')，若||θd-θ'||<Δθ，||rd–rij||<Δr，Δθ，Δr为设置的阈值，将数组(i，j，Xd，Yd，Hd)作为一条数据存在数据库表T2中。
S7、重复S4-S7步骤，直到计算完集合R中所有数据。
S8、数据库表T2中，具有相同的i、j值的(Xd，Yd，Hd)集合即为第i行第j列监测单元格所投影覆盖的地形点云。
所述数据库表T1和表T2均采用sqlite数据库。
所述Δθ，Δr为设置的阈值，一般选择雷达角度分辨和距离分辨的一半。
选取实例，雷达坐标为(498950.45，5573596.81，786.75)，初始方位角为206.9615°。雷达监测单元数，角度方向360个，距离方向1187个，雷达角度分辨率0.00418rad，距离分辨率0.5m，Δθ设置为0.00209rad，Δr设置为0.5m。整个项目范围内三维点云模型包含点云个数约为143万。
采用本发明所述方法，计算时间约为10分钟；而采用常规逐点计算，计算时间>12小时。采用本发明方法，能够快实现雷达监测区域到地形的投影，减少了计算量，计算速度大大提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取包含监测区域在内的整个项目范围内地形三维点云模型，其坐标集合为P(Xd，Yd，Hd)；
S2、获取雷达一次扫描数据，计算得到照射区域内所有监测网格在以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值集合R(rij，θij)(1≤i≤M，1≤j≤N)，极坐标系方位角起算位置为雷达启动时初始方位角；
S3、在UTM坐标系下，计算点云中每个点在所述雷达成像平面上的投影极坐标，计算方法如下：
Figure FDA0003608525610000011
Figure FDA0003608525610000012
其中，方位角θ方向定义为Y轴正方向为起始方位，顺时针为正；
将计算的每个点的Xd，Yd，Hd，rd，θd存入数据库表T1中；
S4、从集合R中取出一组方位角相同的极坐标值集合K(rij，θij)，集合K中下标j相等，其在UTM坐标系下方位角θ'＝θij+θ0；
S5、在表T1中，筛选出满足||θi-θ'||<Δθ的集合M(Xd，Yd，Hd，rd，θd)；
S6、对于集合K中的每一个坐标(rij，θ')，若||θd-θ'||<Δθ，||rd–rij||<Δr，Δθ，Δr为设置的阈值，将数组(i，j，Xd，Yd，Hd)作为一条数据存在数据库表T2中；
S7、重复S4-S7步骤，直到计算完集合R中所有数据；
S8、数据库表T2中，具有相同的i、j值的(Xd，Yd，Hd)集合即为第i行第j列监测单元格所投影覆盖的地形点云。
2.根据权利要求1所述的一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于：采用圆弧合成孔径雷达，雷达照射场景所覆盖的地形区域为监测范围，呈扇形格网，每一个监测单元为扇形方格，其位置表示为以雷达转轴中心为极坐标系中心的极坐标值(r，θ)，其中θ为相对于雷达初始位置偏转的角度，r为距离；r，θ是以弧形方格内雷达回波信号的平均值计算；整个监测范围有M×N个监测单元，M为距离方向个数，N为角度方向个数。
3.根据权利要求1所述的一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于：包括照射场景在内的整个项目区域，通过无人机航拍或者三维激光扫描仪获取地形三维模型，将模型导出为点云，其坐标为UTM投影下坐标。
4.根据权利要求1所述的一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于：θ0为初始时雷达摆臂在UTM平面坐标系下方位角，采用全站仪或者RTK方式测量得到；X0、Y0、H0为雷达转轴中心在UTM平面坐标系下坐标。
5.根据权利要求4述的一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于：数据库表T1和表T2均采用sqlite数据库。
6.根据权利要求5述的一种圆弧合成孔径地基雷达坐标投影快速计算方法，其特征在于：Δθ，Δr为设置的阈值，阈值大小一般分别选择雷达角度分辨的一半和距离分辨的一半。
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