CN113819894B - 利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，属于水利水电工程地质勘察和测绘领域，其特征在于，包括以下步骤：1.建立工程区内高精度倾斜摄影模型；2.在内业工作中，将模型加载到外业数据采集系统中，并叠加多源底图；3.根据多源底图在模型上标注待放样的点和线；4.结合模型分析数据、路径规化算法设计外业线路；5.外业勘探时将系统外接RTK与电子罗盘；6.根据电子罗盘和RTK数据，在模型上实时标绘当前位置和方位角，计算与放样对象的距离和方向；7.到达目的地后，记录位置信息。本发明综合GIS技术、多底图融合技术、三维高精度实景模型、动态规划算法、信号处理等技术，提升了放样内外业工作的质量和效率。

Description

利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法
技术领域
本发明涉及水利工程地质勘查、GIS、测量领域，具体涉及一种利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法。
背景技术
在水利水电工程中，地质测绘是查明拟建场地工程地质条件的基础性工作，是勘察中最先进行的项目，其目的是编制工程地质图，并系统地获取原始资料。放样是地质测绘工作的重要内容之一，是指根据施工设计图纸上的坐标在现场进行标绘。传统的放样方法是利用全站仪，采用极坐标法或前交会法确定坐标点。传统放样方法要求测量点之间必须通视，但是这种方法工作效率低，精度也常常受到限制，严重制约了工程建设的进度和质量。随着测量方法的发展，GPS-RTK技术给工程地质放样工作提供了新的技术手段，通过无线电波建立移动站与基准站之间的联系，可以快速获取定位坐标，且具有十分高的定位精度。
RTK技术在很大程度上改善了传统的放样工作，但是放样本身是一项内外业结合的过程，需要先进行内业布置、路线设计，然后再进行外业工作。因此，当前的放样手段仍在很大程度上有待提升，具体表现为：(1)放样的对象包括地质点和地质界线，内业布置工作需要综合考量地质条件及工程建设需求，设计合理的点放样对象和线放样对象；目前内业布置所参考的数据主要来源于二维的地质底图(包括CAD图、卫星影像图、地质图等)，底图数据之间相互分离，不利于耦合分析，且二维层面的底图不够直观，给工程师的空间分析带来了难度。(2)外业工作中的放样对象的数量通常比较多，放样路线难以规划。目前，存在许多最优路线规划算法(如Dijkstra、A*算法)，市面上的地图软件基于这些算法给用户提供路线规划服务，取得了不错的效果。然而，野外地质环境与居民区的环境差别较大，除了需要考虑路径的水平向长度之外，还需要考虑高程变化、路径的危险程度等多种要素。在传统的内业工作中，工程师仅通过二维地图分析放样对象的分布情况，然后通过主观的判断制定路径。由于不能掌握工程现场的实景信息，且分析方法简单主观，路径规划结果往往不够准确，进而影响放样的效率。(3)放样的工作量较大，且存在着很多重复劳动。比如在对两条平行的线路放样时，往往要重复经过同一条线路，而这一过程其实仅需要对其中一条线路放样，然后通过设置“行偏距”即可完成两条路线的快速放样。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前工程地质放样过程的内外业一体化工作，综合考虑倾斜摄影模型的优势，结合寻优算法与传感器设备，提出了一种利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，提升水利水电工程地质放样工作的质量与效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，包括以下步骤：
A.利用无人机航拍，建立工程区域内地质条件的高精度倾斜摄影模型；
B.在内业工作中，将倾斜摄影模型加载到外业数据采集系统中，并叠加上多源地质底图；
C.根据多源地质底图在倾斜摄影模型上标注需要放样的点对象或线对象；
D.在高精度倾斜摄影模型中，结合路径规划算法规划好最优的外业勘察线路；
E.外业勘探时，将系统外接电子罗盘和手持RTK设备；
F.根据电子罗盘和RTK传入的数据，在倾斜摄影模型上标绘出当前位置和方位角，计算当前位置距离放样对象的距离和方向信息，并实时更新，以实现三维高清实景下的导航；
G.到达放样地点时，设置行偏距，记录当前的定位数据，并在倾斜摄影模型上标绘。
步骤B中涉及的多源地质底图包括地质扫描图、CAD、谷歌KML矢量图以及ArcGIS矢量图，所有的底图需要贴合倾斜摄影模型显示。
步骤C中的线对象以多段线形式在倾斜摄影模型上点选绘制，多段线以贴合模型的方式呈现。
步骤D中规划路径包括：
D1.由地质工程师通过高精度倾斜摄影模型量算出相邻两个放样地点之间的水平贴地表距离、高程差、坡度以及地面条件，并据此估算两点之间往返分别的难度系数；
D2.建立各个放样地点之间的难度系数网络以及大概用时的时间网络；
D3.利用最短路径算法进行最优路径的规划，寻找出总难度系数最低的方案；
D4.估计每个放样对象放样所需的时间，进而推求出全部放样工作的用时。
所述最短路径算法包括动态规划算法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法。
步骤F中所显示的信息包括两方面：
F1.对于点放样，显示当前位置距离放样点之间的东向距离、北向距离、垂直距离、空间直线距离、地表距离以及方位角，当前位置与放样点之间有实时更新的连接线；
F2.对于线放样，显示当前位置距离放样线的最短直线距离以及该距离的方位，当前位置与放样线上最近点之间有实时更新的连接线。
步骤G中的行偏距的设置用于应对有重复路径的线放样工作以及难以到达的地质环境处的线放样工作，行偏距的参数包括东偏、北偏以及高程差。
本发明的有益效果是：将GIS技术、多底图融合技术、三维高精度实景模型、动态规划算法、信号处理等技术进行融合，全方位地提升了水利水电工程地质放样对象内业布置与外业放样过程的质量和效率。
附图说明
图1是采用本发明方法的多源底图融合和放样点、放样线布置图；
图2是采用本发明方法的放样对象间通行难度系数网络图；
图3是采用本发明方法的基于蚁群算法规划出的最优放样路线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，包括以下步骤：
A.利用无人机航拍，建立工程区域内地质条件的高精度倾斜摄影模型；
B.在内业工作中，将倾斜摄影模型加载到外业数据采集系统中，并叠加上多源地质底图；
C.根据多源地质底图在倾斜摄影模型上标注需要放样的点对象或线对象；
D.在高精度倾斜摄影模型中，结合路径规划算法规划好最优的外业勘察线路；
E.外业勘探时，将系统外接电子罗盘和手持RTK设备；
F.根据电子罗盘和RTK传入的数据，在倾斜摄影模型上标绘出当前位置和方位角，计算当前位置距离放样对象的距离和方向信息，并实时更新，以实现三维高清实景下的导航；
G.到达放样地点时，设置行偏距，记录当前的定位数据，并在倾斜摄影模型上标绘。
步骤B中涉及的多源地质底图包括地质扫描图、CAD、谷歌KML矢量图以及ArcGIS矢量图，所有的底图需要贴合倾斜摄影模型显示。
步骤C中的线对象以多段线形式在倾斜摄影模型上点选绘制，多段线以贴合模型的方式呈现。
步骤D中规划路径包括：
D1.由地质工程师通过高精度倾斜摄影模型量算出相邻两个放样地点之间的水平贴地表距离、高程差、坡度以及地面条件，并据此估算两点之间往返分别的难度系数；
D2.建立各个放样地点之间的难度系数网络以及大概用时的时间网络；
D3.利用最短路径算法进行最优路径的规划，寻找出总难度系数最低的方案；
D4.估计每个放样对象放样所需的时间，进而推求出全部放样工作的用时。
所述最短路径算法包括动态规划算法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法。
步骤F中所显示的信息包括两方面：
F1.对于点放样，显示当前位置距离放样点之间的东向距离、北向距离、垂直距离、空间直线距离、地表距离以及方位角，当前位置与放样点之间有实时更新的连接线；
F2.对于线放样，显示当前位置距离放样线的最短直线距离以及该距离的方位，当前位置与放样线上最近点之间有实时更新的连接线。
步骤G中的行偏距的设置用于应对有重复路径的线放样工作以及难以到达的地质环境处的线放样工作，行偏距的参数包括东偏、北偏以及高程差。
下面结合一实例进行详细的说明：
本实施例中的外业数据采集系统基于SurperMapiObject 10i研发的HydroGeo3D系统。具体包括以下步骤：
步骤A.利用无人机航拍，建立工程区域内地质条件的高精度倾斜摄影模型。
步骤B.在内业工作中，将倾斜摄影加载到外业数据采集系统HydroGeo3D中，并叠加上多源地质底图，本实施例中涉及到的底图包括CAD和ArcGIS矢量数据，所有的底图均贴合倾斜摄影模型显示，如图1所示。
步骤C.根据多源底图在倾斜摄影模型上标注需要放样的点或线对象；其中线对象以多段线形式在倾斜摄影模型上点选绘制，多段线以贴合模型的方式呈现，如图1所示。
步骤D.在高精度倾斜摄影模型中，结合路径规划算法规划好最优的外业勘察线路，具体步骤包括：
D1.由地质工程师通过高精度倾斜摄影模型量算出相邻两个放样地点之间的水平贴地表距离、高程差、坡度以及地表条件，并据此估算两点之间往返分别的难度系数。
D2.建立各个放样地点之间的难度系数网络以及大概用时的时间网络，本实施案例以难度系数为主，从不同放样地点之间通行的难度系数经过专家评价，结果见表1。
表1是放样对象间通行难度系数表
放样对象序号 0 1 2 3 4 5
0 - 20 30 31 28 4
1 30 - 10 4 20 44
2 40 20 - 10 22 50
3 41 4 20 - 14 42
4 38 30 32 4 - 28
5 50 4 60 52 38 -
D3.利用最短路径算法(如旅行商问题动态规划算法、遗传算法、蚁群算法等)进行最优路径的规划，在本实施例中采用的是解决旅行商问题动态规划算法。根据该算法，实施案例中的问题可简化为图2。利用蚁群算法对网络图进行寻优，确定为总难度系数最低的路线为0—>5—>1—>2—>3—>4—>0，如图3所示。
D4.估计每个放样对象放样所需的时间，进而结合最优路径推求出全部放样工作的用时，经计算，大概需要6.8小时。
步骤E.在外业勘探工作中，将系统外接电子罗盘和手持RTK设备，用以获取方位信息和坐标信息。
步骤F.根据电子罗盘和RTK传入的数据，在倾斜摄影模型上标绘出当前位置和方位角，计算当前位置距离放样对象的距离和方向信息，并实时更新，实现基于三维实景的地质导航。所显示的信息包括两方面：
F1.对于点放样，显示当前位置距离放样点之间的东向距离、北向距离、垂直距离、空间直线距离、地表距离以及方位角，当前位置与放样点之间有实时更新的连接线；
F2.对于线放样，显示当前位置距离放样线的最短直线距离以及该距离的方位，当前位置与放样线上最近点之间有实时更新的连接线。
步骤G.到达放样地点时，记录当前的定位数据，并在倾斜摄影模型上标绘。在该过程中可设置“行偏距”，用于应对有重复路径的线放样工作以及难以到达的地质环境(如断崖)处的线放样工作，行偏距的参数包括东偏、北偏以及高程差。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.一种利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.利用无人机航拍，建立工程区域内地质条件的高精度倾斜摄影模型；
B.在内业工作中，将倾斜摄影模型加载到外业数据采集系统中，并叠加上多源地质底图；
C.根据多源地质底图在倾斜摄影模型上标注需要放样的点对象或线对象；
D.在高精度倾斜摄影模型中，结合路径规划算法规划好最优的外业勘察线路，包括：
D1.由地质工程师通过高精度倾斜摄影模型量算出相邻两个放样地点之间的水平贴地表距离、高程差、坡度以及地面条件，并据此估算两点之间往返分别的难度系数；
D2.建立各个放样地点之间的难度系数网络以及大概用时的时间网络；
D3.利用最短路径算法进行最优路径的规划，寻找出总难度系数最低的方案；
D4.估计每个放样对象放样所需的时间，进而推求出全部放样工作的用时；
E.外业勘探时，将系统外接电子罗盘和手持RTK设备；
F.根据电子罗盘和RTK传入的数据，在倾斜摄影模型上标绘出当前位置和方位角，计算当前位置距离放样对象的距离和方向信息，并实时更新，以实现三维高清实景下的导航；
G.到达放样地点时，设置行偏距，记录当前的定位数据，并在倾斜摄影模型上标绘。
2.根据权利要求1所述利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，步骤B中涉及的多源地质底图包括地质扫描图、CAD、谷歌KML矢量图以及ArcGIS矢量图，所有的底图需要贴合倾斜摄影模型显示。
3.根据权利要求1所述利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，步骤C中的线对象以多段线形式在倾斜摄影模型上点选绘制，多段线以贴合模型的方式呈现。
4.根据权利要求1所述利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，所述最短路径算法包括动态规划算法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法。
5.根据权利要求1所述利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，步骤F中所显示的信息包括两方面：
F1.对于点放样，显示当前位置距离放样点之间的东向距离、北向距离、垂直距离、空间直线距离、地表距离以及方位角，当前位置与放样点之间有实时更新的连接线；
F2.对于线放样，显示当前位置距离放样线的最短直线距离以及该距离的方位，当前位置与放样线上最近点之间有实时更新的连接线。
6.根据权利要求1所述利用高精度倾斜摄影模型的野外地质勘察点线放样方法，其特征在于，步骤G中的行偏距的设置用于应对有重复路径的线放样工作以及难以到达的地质环境处的线放样工作，行偏距的参数包括东偏、北偏以及高程差。
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