本發(fā)明涉及一種根據(jù)水電工程地質(zhì)測繪現(xiàn)場的勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行野外現(xiàn)場快速編錄和坐標(biāo)處理的方法，特別涉及一種面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系建立方法。

背景技術(shù)：

水電工程地質(zhì)野外測繪過程中，施工編錄階段所面對(duì)的地質(zhì)對(duì)象多是需要繪圖記錄的，例如邊坡、洞室和地基的編錄。傳統(tǒng)的施工編錄多是利用坐標(biāo)紙進(jìn)行現(xiàn)場描繪，或是利用數(shù)字影像記錄信息以便后期整理，這些方法都不可避免地需要求解工程大地坐標(biāo)、編錄現(xiàn)場的局部編錄坐標(biāo)和描繪(影像)坐標(biāo)之間的關(guān)系，其中涉及到大量的矩陣運(yùn)算和幾何分析，不便于施工編錄的開展。

因此，基于上述問題，本發(fā)明提供了一種面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系快速建立方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提出一種面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系建立方法，用于水電工程地質(zhì)野外測繪現(xiàn)場的地質(zhì)信息記錄與繪制，快速計(jì)算并存儲(chǔ)大地坐標(biāo)、局部坐標(biāo)與繪制像素坐標(biāo)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的方案是：

面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系建立方法，包括以下步驟：

步驟A、在野外現(xiàn)場獲取欲編錄地質(zhì)對(duì)象的三個(gè)控制點(diǎn)，記錄其在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；

步驟B、以三個(gè)控制點(diǎn)所確定的平面為局部編錄平面，根據(jù)局部編錄面和大地平面的位置關(guān)系，確定局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向；

步驟C、計(jì)算三個(gè)控制點(diǎn)的外包絡(luò)矩形，以該矩形的左下頂點(diǎn)為局部編錄坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立局部編錄坐標(biāo)系，并確立大地坐標(biāo)系與局部編錄坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T₁；

步驟D、獲取電腦終端的繪圖區(qū)域的寬和高，計(jì)算寬高比，并與外包絡(luò)矩形的寬高比進(jìn)行比較，依此獲取外包絡(luò)矩形的四個(gè)頂點(diǎn)在繪圖區(qū)域的位置，即四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)；

步驟E、以外包絡(luò)矩形的四個(gè)頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，確立局部編錄坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T₂；

步驟F、在電腦終端上繪制并記錄地質(zhì)對(duì)象的幾何標(biāo)記，所獲取的像素坐標(biāo)通過T₂轉(zhuǎn)換為局部編錄坐標(biāo)，再通過T₁轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中，通過搭載著水利水電工程地質(zhì)三維實(shí)景野外編錄填圖裝置系統(tǒng)的平板電腦和GPS裝置，在野外現(xiàn)場獲取欲編錄地質(zhì)對(duì)象的三個(gè)控制點(diǎn)。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中的水利水電工程地質(zhì)三維實(shí)景野外編錄填圖裝置系統(tǒng)是根據(jù)野外地質(zhì)勘測獲得的地質(zhì)編錄信息在數(shù)字三維場景中進(jìn)行標(biāo)記、繪制、處理和分析的工程地質(zhì)野外輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)可配合GPS、電子羅盤等設(shè)備，為工程地質(zhì)野外測繪工作提供三維實(shí)景工作平臺(tái)、數(shù)字化編錄操作和快速分析預(yù)測功能；

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中的欲編錄地質(zhì)對(duì)象的三個(gè)控制點(diǎn)，是指工程地質(zhì)施工編錄對(duì)象的編錄作業(yè)控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)互不共線，通過編錄前的現(xiàn)場標(biāo)識(shí)和GPS位置標(biāo)定，獲得其在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟B中的局部編錄平面，是指工程地質(zhì)施工編錄對(duì)象的編錄工作平面，所有的編錄作業(yè)都以此作為基本工作面；局部編錄平面由欲編錄地質(zhì)對(duì)象的三個(gè)控制點(diǎn)唯一確定。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟C中的外包絡(luò)矩形，是指在局部編錄平面上的矩形，矩形的四條邊分別平行于局部編錄平面的兩個(gè)坐標(biāo)軸，且三個(gè)控制點(diǎn)都位于四條邊上；外包絡(luò)矩形是地質(zhì)編錄區(qū)域的參考指示，其將局部編錄平面劃分為兩部分：矩形內(nèi)部為重點(diǎn)編錄區(qū)域，矩形外部為輔助編錄區(qū)域；大部分編錄信息都位于重點(diǎn)編錄區(qū)域中。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟C中的局部編錄坐標(biāo)系，是建立在局部編錄平面上的右手笛卡爾系，由步驟A中所獲取的三個(gè)控制點(diǎn)唯一確定的；坐標(biāo)原點(diǎn)在外包絡(luò)矩形的左下頂點(diǎn)，坐標(biāo)X軸方向平行于大地平面。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟D中的電腦終端的繪圖區(qū)域，是指電腦終端的屏幕中設(shè)置的一塊專門用于繪制地質(zhì)編錄信息的矩形區(qū)域，該區(qū)域的寬和高由電腦終端的屏幕尺寸、野外編錄填圖裝置系統(tǒng)的設(shè)置共同確定。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟D中的像素坐標(biāo)，是指在屏幕像素坐標(biāo)系中的像素點(diǎn)坐標(biāo)；屏幕像素坐標(biāo)系由電腦終端的繪圖區(qū)域唯一確定。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明充分利用水電工程地質(zhì)野外測繪過程中所獲取的控制點(diǎn)信息，快速建立編錄平面坐標(biāo)與大地坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并利用平板電腦繪圖區(qū)域，快速確定像素坐標(biāo)與編錄坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)數(shù)據(jù)從平板電腦繪制到以大地坐標(biāo)存儲(chǔ)分析的無紙化數(shù)據(jù)通路，避免了編錄數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)坐標(biāo)不統(tǒng)一的弊端。

附圖說明

圖1為面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系建立方法流程圖；

圖2為大地坐標(biāo)系與局部編錄坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖；

圖3為平板電腦繪圖區(qū)域的外包絡(luò)矩形圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明旨在提出一種面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系快速建立方法，用于水電工程地質(zhì)野外測繪現(xiàn)場的地質(zhì)信息記錄與繪制，快速計(jì)算并存儲(chǔ)大地坐標(biāo)、局部坐標(biāo)與繪制像素坐標(biāo)。

如圖1所示，本發(fā)明中的面向水電工程地質(zhì)施工編錄的現(xiàn)場三維坐標(biāo)體系快速建立方法包括以下步驟：

步驟A：在野外現(xiàn)場，通過搭載著水利水電工程地質(zhì)三維實(shí)景野外編錄填圖裝置系統(tǒng)的平板電腦和GPS裝置，獲取欲編錄地質(zhì)對(duì)象的三個(gè)控制點(diǎn)，記錄其在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

步驟B：以三個(gè)控制點(diǎn)所確定的平面為局部編錄平面，根據(jù)局部編錄面和大地平面的位置關(guān)系，確定局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向。

局部編錄平面的X坐標(biāo)軸方向按照如下方式確定：若局部編錄平面與大地平面平行，則X坐標(biāo)軸方向同大地坐標(biāo)系，用向量表示即(1,0,0)；若局部編錄平面與大地平面不平行，則X坐標(biāo)軸方向由局部編錄平面的法向量和大地平面法向量進(jìn)行叉乘運(yùn)算獲得，即v_x＝n_{局部編錄平面}×n_大地平面。

局部編錄平面的Y坐標(biāo)軸方向按照如下方式確定：若局部編錄平面與大地平面平行，則Y坐標(biāo)軸方向同大地坐標(biāo)系，用向量表示即(0,1,0)；若局部編錄平面與大地平面不平行，則Y坐標(biāo)軸方向由局部編錄平面的法向量和局部編錄平面的X坐標(biāo)軸方向向量進(jìn)行叉乘運(yùn)算獲得，即v_y＝n_{局部編錄平面}×v_x。

步驟C：計(jì)算三個(gè)控制點(diǎn)的外包絡(luò)矩形，以該矩形的左下頂點(diǎn)為局部編錄坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立局部編錄坐標(biāo)系，并確立大地坐標(biāo)系與局部編錄坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T₁，如圖2所示。

步驟D：獲取平板電腦的繪圖區(qū)域的寬和高，計(jì)算寬高比，并與外包絡(luò)矩形的寬高比進(jìn)行比較，依此獲取外包絡(luò)矩形的四個(gè)頂點(diǎn)在繪圖區(qū)域的位置，即四個(gè)頂點(diǎn)的像素坐標(biāo)，如圖3所示。

步驟E：以外包絡(luò)矩形的四個(gè)頂點(diǎn)為控制點(diǎn)，確立局部編錄坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系T₂。

任取四個(gè)頂點(diǎn)中的三個(gè)作為控制點(diǎn)，根據(jù)其屏幕像素坐標(biāo)值和局部編錄坐標(biāo)值，構(gòu)造兩個(gè)三階方陣，則轉(zhuǎn)換關(guān)系T₂可通過下式求得：

式中：

步驟F：地質(zhì)工作者在平板電腦上繪制并記錄地質(zhì)對(duì)象的幾何標(biāo)記，所獲取的像素坐標(biāo)通過T₂轉(zhuǎn)換為局部編錄坐標(biāo)，再通過T₁轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。