CN113670258B - 一种水利工程断面制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水利工程测绘领域，公开了一种水利工程断面制作方法，以机载激光雷达系统、多波束测深系统等先进装备采集海量数据，通过以下步骤制作：绘制断面布置线；根据断面布置线得出三维点云和特征点提取范围，提取该范围内的三维点云和特征点；将提取的三维点云和特征点垂直偏移至断面布置线上；将垂直偏移后的三维点云和特征点的坐标系由工程坐标系转换成剖面坐标系；根据剖面坐标系下的三维点云和特征点绘制剖面坐标系下的断面线；根据绘制好的断面线反算出各断面点工程坐标；根据各断面点在正射影像的位置进行判译，得到各断面点的属性。本发明打破传统断面制作的作业模式，大大减轻劳动强度、提高生产效率、提升数据质量、提高数据利用率。

Description

一种水利工程断面制作方法
技术领域
本发明涉及水利工程测绘领域，尤其涉及一种基于三维点云、特征点、正射影像等数据的水利工程断面制作方法。
背景技术
断面是某一方向剖面的地形起伏情况的折线化表现形式，分为横断面和纵断面。在水利工程建设中，一般有河道断面、堤防断面、水工建筑物断面、跨河桥梁断面等等。传统的断面制作可采用水准仪、经纬仪、全站仪、GPS等方法进行测量，通过内业数据整理、制作断面信息表进而绘制断面图。此类方法需要投入大量的人力物力，具有劳动强度高、工作效率低、安全系数低等缺点。随着低空数字摄影系统、机载激光雷达系统、三维扫描仪、多波束测深系统等测绘仪器的广泛使用，测绘作业模式发生了翻天覆地的变化，外业数据采集的效率大大提高且减轻了劳动强度，同时，外业采集的海量三维点云、高分辨率正射影像可以满足断面制作的需求，但其数据量巨大导致使用困难，且从中提取有用的信息制作断面极其不易，导致无法很好地使用此类数据进行断面制作。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种基于三维点云、特征点、正射影像等数据制作水利工程断面的方法，其数据采集高效高质，数据利用率高，可有效利用海量数据快速制作水利工程断面，制作的断面精度高，有效降低了劳动强度，提高了生产效率。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种水利工程断面制作方法，以采用机载激光雷达系统、三维扫描仪、多波束测深系统采集的海量三维点云配合航空摄影测量、倾斜摄影测量、近景摄影测量方法采集制作的高分辨率正射影像以及采用GPS-RTK或全站仪采集的特征点作为数据来源，包括以下步骤：
S1、绘制断面布置线；
S2、点云提取：根据绘制的断面布置线得出断面三维点云和特征点提取范围，提取该范围内的三维点云和特征点；
S3、垂直偏移：将提取的断面三维点云和特征点垂直偏移至断面布置线上；
S4、坐标系转换：将垂直偏移后的断面三维点云和特征点的坐标系由工程坐标系转换成剖面坐标系；
S5、断面线还原：根据剖面坐标系下的断面三维点云和特征点，绘制剖面坐标系下的断面线；
S6、数据反算：根据绘制好的断面线反算出所有断面点的工程坐标；
S7、属性采集：根据步骤S6中得到的各断面点在高分辨率正射影像的位置进行判译，得到断面线上各断面点的属性。
优选的，所述步骤S1的绘制断面布置线是指根据项目任务需求实际要制作断面图的位置按规则绘制断面布置线，并给每条断面布置线命名，所述规则包括与项目任务要求相匹配的绘制位置、顺序、方向、间隔、长度。
优选的，所述步骤S2的点云提取是以断面布置线为中轴线，向两边各偏移距离L得到两条平行线段，所述L＝0.5-1.0米，将两条平行线段首尾相连形成封闭矩形，该封闭矩形所围区域即为断面三维点云和特征点提取范围，将该范围内的三维点云和特征点数据进行提取。
优选的，所述步骤S2中可通过以下公式求算封闭矩形的四个角点坐标值，从而可实现批量绘制封闭矩形：
Figure BDA0003225892050000021
Figure BDA0003225892050000022
Figure BDA0003225892050000023
Figure BDA0003225892050000031
其中，假设断面布置线起点坐标为P1(X1，Y1)，终点坐标为P2(X2，Y2)，起点与终点不重合，封闭矩形的四个角点为A(XA，YA)、B(XB，YB)、C(XC，YC)、D(XD，YD)。
优选的，所述步骤S3的垂直偏移可通过以下公式实现批量处理：
Figure BDA0003225892050000032
/>
Figure BDA0003225892050000033
其中，假设断面三维点云和特征点的任意一点P0的工程坐标为P0(X0，Y0)，偏移后的坐标为PM(XM，YM)。
优选的，所述步骤S4的坐标系转换具体包括以下步骤：
S41、将步骤S3中经过垂直偏移后的断面三维点云和特征点绕Z轴旋转至断面布置线呈正西-正东指向，且起点在西、终点在东；
S42、以断面布置线为轴，绕该轴逆时针旋转90°，定义高程递增的方向作为Y轴方向，断面布置线起点指向终点的方向作为X轴方向，断面布置线的起点为原点O，经过坐标系转换后的断面三维点云和特征点可直观展示断面布置线所经过的地形地貌起伏状态。
优选的，所述步骤S4的坐标系转换可通过以下公式实现批量处理：
Figure BDA0003225892050000034
其中，假设断面三维点云和特征点中某点的三维坐标为Pd(Xd，Yd,Hd)，转换后该点在剖面坐标系上的平面坐标为Pd′(Xd′，Yd′)。
优选的，所述步骤S5的断面线还原是根据步骤S4中经过坐标系转换后的断面三维点云和特征点的分布图及高分辨率正射影像绘制出描述断面布置线经过的地形地貌的起伏变化情况及地物、地类分布情况的多段线，所述多段线即断面布置线所在处的地形地貌断面线。
优选的，所述步骤S6的数据反算是根据步骤S5中绘制好的断面线上的每个节点的剖面坐标反算出所有断面点的工程坐标，可通过以下公式实现批量处理：
Figure BDA0003225892050000041
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)减轻劳动强度。外业数据采集打破传统的采用人工采点且点点到位的作业模式，利用机载激光系统、三维扫描仪、多波束测深系统、摄影测量系统等先进装备高效、高质、高速地采集海量三维点云和高分辨率正射影像，大大减轻了测绘人员的劳动强度。
(2)提高生产效率。借助先进装备可以在短时间内采集海量三维点云和高分辨率正射影像，大大缩减了外业时间，且使用该方法可以快速、高效地制作断面，加快了内业数据处理速度，使得断面制作从外业到内业大大缩短了工期，提高了生产效率。
(3)提升数据质量。高精度的海量三维点云和高分辨率正射影像可以更全面地反映地形地貌的真实情况和细节部位信息，在制作断面时可依据的信息更多，制作的断面精度更高，提升了数据质量。
(4)提高数据利用率。目前三维点云和高分辨率正射影像更多的是在制作三维模型和地形图等方面使用，在水利工程断面制作方面并未发挥其优势，本发明使得三维点云和高分辨率正射影像在制作水利工程断面中发挥优势，提升了三维点云和高分辨率正射影像的利用率，为数据的增值和再利用发挥巨大作用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为利用本发明的方法制作的河道断面示意图；
图2为断面布置线示意图；
图3为部分断面的三维点云和特征点提取范围示意图；
图4为部分断面的三维点云和特征点与提取范围叠加示意图；
图5为部分断面提取的三维点云和特征点示意图；
图6为某一断面的三维点云和特征点垂直偏移示意图；
图7为某一断面的三维点云和特征点坐标系转换示意图；
图8为部分断面的三维点云和特征点剖面坐标系下的示意图；
图9为某一断面的断面线还原示意图；
图10为某一断面的断面线还原及属性辅助判译示意图；
图11为某一断面数据表截图；
图中：断面布置线1、断面布置线名称2、三维点云和特征点提取范围3、三维点云和特征点4、按范围提取的三维点云和特征点5、某一断面垂直偏移后的三维点云和特征点6、三维点云和特征点绕Z轴旋转至断面布置线呈正西-正东指向状态下的三维点云和特征点分布情况7、剖面坐标系下的三维点云和特征点展点分布情况8、断面线9、剖面坐标系下的断面布置线10、三维点云和特征点与正射影像联动线11、点号栏12、工程坐标栏13、累积平距栏14、属性栏15、断面点高程16、断面点属性17、断面点累积平距18。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例的水利工程断面制作方法，以采用机载激光雷达系统、三维扫描仪、多波束测深系统采集的海量三维点云配合航空摄影测量、倾斜摄影测量、近景摄影测量方法采集制作的高分辨率正射影像以及采用GPS-RTK或全站仪采集的特征点作为数据来源，数据采集效率高，且采集的数据质量高，大大减轻了测绘人员的劳动强度，有助于提升断面制作的精度。结合图1-图11所示的河道断面制作过程来说明，本发明的水利工程断面制作方法具体包括以下步骤：
(1)根据项目任务需求在工程区中相应位置按一定规则绘制断面布置线，并给每条断面布置线命名。如图2所示，针对该河道水利工程，确定相匹配的断面布置线1的绘制位置、方向、间隔、长度等，运用“91卫图”软件或者“CAD”等软件按照一定的顺序绘制，同时给定断面布置线名称2(亦即对应断面名称)。断面布置线的起点和终点的位置必须准确且起点和终点不能倒置，绘制时，先点左边为起点、再点右边为终点，然后回车结束绘制(规定面向水流方向，左手为起点，右手为终点)。绘制好的断面布置线必须是在实际要制作断面图的位置，长度不能有偏差。
(2)以每条断面布置线为中轴线，向两边各偏移距离L(＝0.5-1.0米)得到两条平行线段，将两条平行线段首尾相连形成封闭矩形，该封闭矩形所围区域即为相应断面的三维点云和特征点提取范围3。可通过推导公式直接求算该封闭矩形的四个角点坐标值，实现批量自动绘制封闭矩形。假设断面布置线起点坐标为P1(X1，Y1)，终点坐标为P2(X2，Y2)，起点与终点不重合,则经过该两点的直线方程表达式为公式(1)和公式(2)：
Figure BDA0003225892050000061
X＝X1或X＝X2(X1＝X2)……………公式(2)
进而可推导出该封闭矩形四个角点A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)、D(XD,YD)的坐标分别为：
Figure BDA0003225892050000062
Figure BDA0003225892050000063
Figure BDA0003225892050000064
Figure BDA0003225892050000065
通过以上公式，批量绘制每一断面的三维点云和特征点提取范围3，如图3所示，图中展示了部分断面的三维点云和特征点提取范围示意图。如图4所示，将三维点云和特征点4与各封闭矩形(即三维点云和特征点提取范围3)叠加，提取各自范围内的三维点云和特征点，提取出来的数据以相应的断面名称进行命名，得到如图5中所示的按范围提取的三维点云和特征点5。
(3)模拟传统断面测量方式，上述提取到的三维点云和特征点，好比是野外采集到的数据，在内业整理时，需要将所采集的数据垂直偏移至断面布置线上。为了达到上述目的，可推导公式批量完成垂直偏移，假设断面三维点云和特征点的任意一点P0的工程坐标为P0(X0,Y0)，偏移后的坐标为PM(XM,YM)，则推导出公式(7)、公式(8)：
Figure BDA0003225892050000071
/>
Figure BDA0003225892050000072
通过以上公式可以实现批量将所提取的点云垂直偏移至断面布置线上。如图6中所示的某一断面垂直偏移后的三维点云和特征点6，全部移至断面布置线上。
(4)经过垂直偏移至断面布置线上的每一断面的三维点云和特征点均处在一个竖直面上，进一步地，将竖直面转为平面，即可非常直观地查看断面布置线上所有三维点云和特征点的横截面分布情况。为此，需要将该断面布置线上的三维点云和特征点从工程坐标转换为剖面坐标，具体地：
a.如图7上图所示，该图显示的为某一断面所提取的三维点云和特征点的平面图，将该断面所提取的三维点云和特征点绕Z轴旋转至断面布置线呈正西-正东指向为止，且起点在西、终点在东；
b.然后以断面布置线为轴，绕该轴逆时针旋转90°，定义高程递增的方向(原Z轴)作为Y轴方向，断面布置线起点指向终点的方向作为X轴方向，断面布置线的起点为原点O，得到如图7中图所示的三维点云和特征点绕Z轴旋转至断面布置线呈正西-正东指向状态下的三维点云和特征点分布情况7。
经过以上变换后，该断面布置线范围内的三维点云和特征点由工程坐标系转换为该断面的独立坐标系-剖面坐标系。为了批量对所有断面的三维点云和特征点进行转换，可通过推导公式实现批量处理。假设断面三维点云和特征点中某点Pd的三维坐标为(Xd,Yd,Hd)，推导转换后该点在剖面坐标系上的平面坐标为Pd′(Xd′,Yd′)，推导公式如公式(9)：
Figure BDA0003225892050000073
如图8所示，为经过坐标系转换后的部分断面的剖面坐标系下的三维点云和特征点展点分布情况8，从图中可以清晰地判断出每条断面布置线经过的地形地貌的起伏变化情况。公知的，展点即将某一坐标，根据其坐标值，在相应坐标系内用特定符号表示其具体位置所在的过程，一般通过软件(如CAD)中的显示界面来显示。
(5)断面线还原，主要根据剖面坐标系下的断面三维点云和特征点的分布图及高分辨率正射影像图绘制出描述断面布置线经过的地形地貌的起伏变化情况及地物、地类分布情况的多段线，该多段线即相应断面布置线所在处的地形地貌断面图。
通过上面推导的一系列公式，可以按照相同的转换方式，将正射影像转换成该断面的剖面坐标系，然后在Y轴方向上加上一定数值以实现与三维点云和特征点在Y轴上的分离，但在X轴方向上保持一致，如图10所示，借助CAD软件，将某一断面提取的剖面坐标系下的三维点云和特征点与剖面坐标系下的断面布置线10和高分辨率正射影像叠加，两种数据在横向上实地位置一致。如此，通过借助三维点云和特征点与正射影像联动线，找到断面点对应在正射影像上的位置，从而可判断出该断面点的属性。图中的三维点云和特征点与正射影像联动线11可以实时清晰地显示三维点云和特征点与正射影像的对应关系。在还原断面线时，通过三维点云和特征点来绘制断面线的起伏特征点，借助联动线在正射影像上的位置，绘制断面线的地类界特征点，通过两者结合，实现断面线所有特征点的绘制，从而完整地还原出断面线。如图9所示，显示了断面线的还原过程，最终得到一条完整的断面线9。
(6)根据还原的断面线反算出所有断面点的工程坐标。断面线是多段线，每个节点代表一个断面点，推导从剖面坐标转换为工程坐标的公式(10)如下所示：
Figure BDA0003225892050000081
通过公式(10)可以实现将断面点的剖面坐标反算回工程坐标。如图11所示为某一断面数据表截图，其中，断面数据表中断面点的点号栏12、工程坐标栏13、累积平距栏14，即为转换后所得信息。
(7)断面点属性的采集。借助辅助设计软件(如CAD)在断面线还原时即可根据其各个断面点在高分辨率正射影像的位置人工判译识别出各断面点的属性，然后填写至断面数据表中断面点的属性栏15，如图11所示。
通过以上步骤，完成断面制作，如图1所示为利用本发明的方法制作的河道断面示意图，图中标记有：断面线9、断面点高程16、断面点属性17、断面点累积平距18。
应该理解的是，本发明中的各种算法、数据坐标系之间的各种转换可以通过采用编程语言开发的程序实现自动、批量处理，比如采用C、C++、C#等高级编程语言。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水利工程断面制作方法，其特征在于，以采用机载激光雷达系统、和/或三维扫描仪、和/或多波束测深系统采集的海量三维点云配合采用航空摄影测量、和/或倾斜摄影测量、和/或近景摄影测量方法采集制作的高分辨率正射影像以及采用GPS-RTK或全站仪采集的特征点作为数据来源，包括以下步骤：
S1、绘制断面布置线；
S2、点云提取：根据绘制的断面布置线得出断面三维点云和特征点提取范围，提取该范围内的三维点云和特征点；
S3、垂直偏移：将提取的断面三维点云和特征点垂直偏移至断面布置线上；
S4、坐标系转换：将垂直偏移后的断面三维点云和特征点的坐标系由工程坐标系转换成剖面坐标系；
S5、断面线还原：根据剖面坐标系下的断面三维点云和特征点，绘制剖面坐标系下的断面线；
S6、数据反算：根据绘制好的断面线反算出所有断面点的工程坐标；
S7、属性采集：根据步骤S6中得到的各断面点在高分辨率正射影像的位置进行判译，得到断面线上各断面点的属性；
其中，所述步骤S2的点云提取是以断面布置线为中轴线，向两边各偏移距离L得到两条平行线段，所述L＝0.5-1.0米，将两条平行线段首尾相连形成封闭矩形，该封闭矩形所围区域即为断面三维点云和特征点提取范围，将该范围内的三维点云和特征点数据进行提取；其中，
通过以下公式求算封闭矩形的四个角点坐标值，从而可实现批量绘制封闭矩形：
Figure FDA0004201274700000011
Figure FDA0004201274700000021
Figure FDA0004201274700000022
/>
Figure FDA0004201274700000023
其中，假设断面布置线起点坐标为P1(X1,Y1)，终点坐标为P2(X2,Y2)，起点与终点不重合，封闭矩形的四个角点为A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)、D(XD,YD)。
2.根据权利要求1所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S1的绘制断面布置线是指根据项目任务需求实际要制作断面图的位置按规则绘制断面布置线，并给每条断面布置线命名，所述规则包括与项目任务要求相匹配的绘制位置、顺序、方向、间隔、长度。
3.根据权利要求1所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S3的垂直偏移可通过以下公式实现批量处理：
Figure FDA0004201274700000024
Figure FDA0004201274700000025
其中，假设断面三维点云和特征点的任意一点P0的工程坐标为P0(X0,Y0)，偏移后的坐标为PM(XM,YM)。
4.根据权利要求3所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S4的坐标系转换具体包括以下步骤：
S41、将步骤S3中经过垂直偏移后的断面三维点云和特征点绕Z轴旋转至断面布置线呈正西-正东指向，且起点在西、终点在东；
S42、以断面布置线为轴，绕该轴逆时针旋转90°，定义高程递增的方向作为Y轴方向，断面布置线起点指向终点的方向作为X轴方向，断面布置线的起点为原点O，经过坐标系转换后的断面三维点云和特征点可直观展示断面布置线所经过的地形地貌起伏状态。
5.根据权利要求4所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S4的坐标系转换可通过以下公式实现批量处理：
Figure FDA0004201274700000031
其中，假设断面三维点云和特征点中某点的三维坐标为Pd(Xd,Yd,Hd)，转换后该点在剖面坐标系上的平面坐标为Pd′(Xd′,Yd′)。
6.根据权利要求5所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S5的断面线还原是根据步骤S4中经过坐标系转换后的断面三维点云和特征点的分布图及高分辨率正射影像绘制出描述断面布置线经过的地形地貌的起伏变化情况及地物、地类分布情况的多段线，所述多段线即断面布置线所在处的地形地貌断面线。
7.根据权利要求6所述的水利工程断面制作方法，其特征在于，所述步骤S6的数据反算是根据步骤S5中绘制好的断面线上的每个节点的剖面坐标反算出所有断面点的工程坐标，可通过以下公式实现批量处理：
Figure FDA0004201274700000032
/>
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