[發(fā)明專利]掃描儀坐標(biāo)系與工程測量坐標(biāo)系的變換方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410290545.0
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104077476B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚吉利;張大富;劉科利;馬寧;賈象陽;徐廣鵬;李彩林;郭寶云
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種掃描儀坐標(biāo)系與工程測量坐標(biāo)系的變換方法，其特征在于采用以下步驟：

1)定向標(biāo)靶中心的工程測量坐標(biāo)為柔性坐標(biāo)，其性質(zhì)是坐標(biāo)反算的兩點之間的長度與對應(yīng)地表長度成非線性關(guān)系，具有柔性性質(zhì)，具體是：①坐標(biāo)反算的水平距離s，隨著到中央子午線的不同、地形起伏變化呈非線性變化，規(guī)律是

$\mathrm{\Δ}s={\mathrm{\Δs}}_1+{\mathrm{\Δs}}_2=\frac{H_m}{R_m}s+(-\frac{y_m^2}{2R_m^2}-\frac{{\mathrm{\Δy}}^2}{24R_m^2}-\frac{y_m^4}{24R_m^4})s$

其中Δs表示綜合變形，Δs₁是將地面觀測的長度歸算至參考橢球面產(chǎn)生的歸算變形，是高程對長度歸算的影響，H_m為定向標(biāo)靶的平均大地高；Δs₂是投影變形，y_m表示點到中央子午線的距離，Δy表示定向標(biāo)靶與掃描站坐標(biāo)差，R_m表示掃描站地球曲率半徑；

②Z坐標(biāo)受大地水準(zhǔn)曲率和大氣垂直折光影響，規(guī)律是

$\mathrm{\Δ}h=-{\mathrm{Cs}}^2=-\frac{1-K}{2R_m}{s}^2$

其中C為球氣差系數(shù)，R_m表示掃描站地球曲率半徑，s為坐標(biāo)反算的水平距離，K為掃描站處的大氣折光系數(shù)，K值為0.08-0.14之間；而地面激光掃描儀獲得的點云坐標(biāo)為剛性坐標(biāo)，其性質(zhì)是坐標(biāo)反算的兩點之間平面距離與對應(yīng)地表長度是相等，具有剛性特征；

2)柔性坐標(biāo)系的剛性化：將工程測量坐標(biāo)即柔性坐標(biāo)系坐標(biāo)通過消除距離歸算和投影的綜合變形，轉(zhuǎn)換成正交的三維直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，與三維激光掃描坐標(biāo)系坐標(biāo)達(dá)到一致性，減小測量數(shù)據(jù)所帶來的系統(tǒng)誤差，具體是：利用掃描站在工程測量坐標(biāo)系的概略坐標(biāo)，對定向標(biāo)靶中心相對于掃描站的工程測量坐標(biāo)進(jìn)行歸算和投影改正；利用三角高程測量原理，對正常高進(jìn)行改正，減小似大地水準(zhǔn)面曲率影響和大氣折光的影響，改正后剛性坐標(biāo)為

$X^{\′}=\mathrm{\λ}(X-X_S^0)+X_S^0$

$Y^{\′}=\mathrm{\λ}(Y-Y_S^0)+Y_S^0$

Z'＝Z-Cs²

$\mathrm{\λ}=\frac{H_m}{R_m}-\frac{y_m^2}{2R_m^2}-\frac{{\mathrm{\Δy}}^2}{24R_m^2}-\frac{y_m^4}{24R_m^4},C=\frac{1-K}{2R_m}$

式中和為掃描站的概略坐標(biāo)，X和Y為高斯坐標(biāo)，Δy為掃描站到定向標(biāo)靶的Y坐標(biāo)差，Z為正常高；λ掃描站處的長度歸算變形和投影變形和的系數(shù)即綜合變形因子，H_m為定向標(biāo)靶的平均大地高，如果沒有高程異常，平均大地高可用正常高代替，y_m是定向標(biāo)靶到中央子午線的平均值距離，R_m是掃描站處平均曲率半徑，C為大氣折光誤差和似大地水準(zhǔn)面彎曲誤差的球氣差系數(shù)，s為定向標(biāo)靶到掃描站的水平距離，大氣垂直折光系數(shù)K值在0.08-0.14之間；

3)建立剛性化點云定向模型，簡稱為柔性模型，進(jìn)行定向參數(shù)求解，柔性模型具體為：

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\λ}(X-X_S^0)+X_S^0\\ \mathrm{\λ}(Y-Y_S^0)+Y_S^0\\ Z-{\mathrm{Cs}}^2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$

用3個以上定向標(biāo)靶中心的掃描坐標(biāo)(x,y,z)和工程測量坐標(biāo)系坐標(biāo)(X,Y,Z)，平差計算出6個定向參數(shù)，公式中參數(shù)X'、Y'、Z'、λ、C和s均已在步驟2)中定義過，具體是：X'、Y'、Z'為改正后剛性坐標(biāo)，為掃描站的概略坐標(biāo)，λ掃描站處的長度歸算變形和投影變形和的系數(shù)即綜合變形因子，C為大氣折光誤差和似大地水準(zhǔn)面彎曲誤差的球氣差系數(shù)，s為定向標(biāo)靶到掃描站的水平距離，X_S、Y_S、Z_S是掃描儀掃描時的位置參數(shù)，R是掃描時掃描儀在工程測量坐標(biāo)系的姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣；

4)掃描站所有點云的工程測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算，首先按柔性模型計算本站所有掃描點云的剛性化坐標(biāo)然后按公式計算點云的工程測量坐標(biāo)，公式中參數(shù)λ、C和s均已在步驟2)中定義過，具體是：λ掃描站處的長度歸算變形和投影變形和的系數(shù)即綜合變形因子，為掃描站的概略坐標(biāo)，C為大氣折光誤差和似大地水準(zhǔn)面彎曲誤差的球氣差系數(shù)，s為定向標(biāo)靶到掃描站的水平距離。