CN105652303A - 一种基于Pad等移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Pad等移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法，包括通过集成移动电子设备GPS、电子罗盘和陀螺仪以及激光测距仪采用交会定点模式或距离方位定点模式，对难以实地接触的目标进行定位测量。该方法解决了山区野外采样过程中不能测量远距离不可接触的待采样目标地物的空间坐标的问题。

Description

一种基于Pad等移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法，具体涉及一种在山区野外采样过程中对受距离、地形和山地灾害限制而不能接触的目标地物定位的方法，属于地球表面远距离的地物的测量学定位领域。

背景技术

野外定点采样是地理国情调查、土地覆被野外调查和山地灾害定点调查等的必要前提。山区野外调查通常因地形起伏大，地势复杂多变而难以采样。常规的野外地表覆被样点数据的采集主要以GPS定点、纸质记录本为媒介，该采样方法因样点的空间位置信息、地表覆被属性信息和图像信息常分别记录，其效率低下，操作复杂，易出错。随着电子产品的发展和不断普及，以电子设备为媒介的移动式野外地表覆被采样方式迅速发展。移动野外调查方法以手机、平板、PDA等便携式移动设备为载体，通过野外采样系统采集调查路线的地表覆被状况，能一体化收集样点的空间信息、属性信息和图像信息。该方法能有效提高野外采样效率、丰富野外采样信息量，因此，国内外众多企业利用移动GPS、GIS和RS技术研发和推出了自己的移动采样产品，如ESRI公司的ArcPad、Trimble公司的TerraSync和超图公司的eSuperMap和跬步科技的UCMAP等移动产品。然而，以上这些采样方法和移动产品受距离的限制、河流和高山的阻挡的影响，导致采样人员无法与目标地物接触而不能准确地获取目标地物的空间坐标，往往需要结合相关专业知识运用GIS软件修改野外采样信息，增加了内业工作量。在山区野外调查过程中，若需要快速而准确的获取高定位精度的野外采样信息，需集成多种先进的测量技术，研究不接触定位的方法。

移动GPS技术、精密电子罗盘和陀螺仪、激光测距技术，为不接触目标地物获取它的空间坐标提供了技术支持。其中移动GPS提供获取当前位置的空间坐标，精密电子罗盘和陀螺仪能够获取当前位置与待采样目标地物位置所在直线方向相对于北方向的方位角，激光测距技术能够在不接触目标地物的情况下获取当前位置到待采样目标地物之间的距离。基于移动GPS技术、精密电子罗盘和陀螺仪和激光测距技术的应用，本发明在集成移动GPS与精密电子罗盘和陀螺仪的移动电子设备和激光测距仪中，引入了交会定点和距离方位定点两种方法，能够快速而准确地获取山区远距离不可接触目标的空间坐标信息。尤其是在山区，河流和高山阻挡严重，滑坡、崩塌等灾害发生频繁的地区，采样人员不可能与目标接触以至于难以甚至不可能获取目标的准确坐标信息，应用本发明提供的不接触定位方法既能快速而准确的获取远距离目标的空间坐标，又可以保证工作人员的人身安全。

发明内容

本发明的目的在于解决山区野外采样过程中不能测量远距离不可接触的待采样目标地物的空间坐标的问题而提供一种基于移动电子设备不接触定位方法。

本发明提供一种基于移动电子设备的不接触定位方法，包括

移动电子设备包括GPS、摄像、精密电子罗盘与陀螺仪功能，包括如下步骤：

步骤1，进行采样模式切换，选择采用交会定点模式或距离方位定点模式；

步骤2，如选择采用交会定点模式，则使用交会定点方法进行测量；

步骤3，如选择采用距离方位定点模式，则使用距离方位定点方法进行测量。

所述步骤2的流程如下：

步骤2.1，设定已知三角形的三个顶点A、B、C，其中A、B两点是工作人员可以到达的位置，C点为待定点的位置；

步骤2.2，应用GPS测定A、B两点的空间坐标；

步骤2.3，应用电子罗盘和陀螺仪测定AC方向相对于北方向的水水平角a和AC方向与水平面的夹角β1，BC方向相对于北方向的水平角r和BC方向与水平面的夹角β2；

步骤2.4，根据点A、B的坐标和AC与BC方向相对于北方的夹角计算C的坐标，C点坐标按下述公式计算：

$Y_C=\frac{X_B-X_A-tanr\×Y_B+\tan a\×Y_A}{tanr-\tan a}$

$X_C=\frac{X_A\×\tan a-X_B\×tanr-tanr\×\tan a\×(Y_A-Y_B)}{tanr-\tan a}$

$Z_C=Z_A+{\mathrm{tan\β}}_1\×\sqrt{(Y_A-Y_B)+(X_A-X_B)}$

式中A、B代表交会测量中交会点所在位置，C代表定点的目标；α、r、β1分别代表AC方向相对于北方向的方位角与BC方向相对于北方向的方位角和AC方向与水平面的夹角；X_B、Y_B、Z_B分别代表待定点C的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的空间坐标，X_C、Y_C分别代表待定点B的空间坐标

优选地，所述步骤3的流程如下：

步骤3.1，设定A、C两点，其中A点为工作人员可到达的位置，C点为待定点的位置；

步骤3.2，应用GPS获取A点的空间坐标；

步骤3.3，应用电子罗盘与陀螺仪测量AC方向相对于北方向的水平角a和AC方向相对于水平地面的竖直角r；

步骤3.4，应用激光测距仪测量A、C两点之间的水平距离S，计算C点空间坐标，C点空间坐标按下述公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_C=X_A+S\×\sin a\\ Y_C=X_A+S\×\cos a\\ Z_C=Z_A+S\×\tan r\end{array}\right.$

式中其中A、C分别代表采样人员、待定点目标所在位置；a代表AC方向相对于正北方向的方位角；r代表AC方向与水平面夹角；S代表点A到点C之间的水平距离；X_C、Y_C、Z_C分别代表待定点C的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的空间坐标。

优选的，所述定位面向的目标地物类型包括：山区地表地物或受自然条件影响难以实地接触的地表地物。

与现有的技术相比，本发明所提供的一种基于移动电子设备的不接触定位方法本发明通过集成移动GPS、电子罗盘和陀螺仪以及激光测距仪，结合计算机交互操作技术能够高效、准确而自动化地采集山区采样人员不能接触目标地物的空间坐标。本发明具有高效率、高精度、自动化野外定点采样的优点，尤其是对山区受地形条件、山地灾害限制的海量野外数据采样具有重要的意义，解决了一般的野外采样产品如：ArcPad、UCMAP等移动产品不能快速获取远距离不可接触目标地物的空间坐标的难题。

附图说明

图1是野外采样不可接触的远距离目标的示例图；

图2是交会定点方法的几何原理示意图；

图3是距离方位定点方法的几何原理示意图；

图4是基于山区不接触定位方法设计的一套野外采样系统界面展示图；

图5是交会定点方法定位在野外采样系统中的界面示意图

图6是距离方位定点方法在野外采样系统中的界面示意图

具体实施方式

本发明的不接触定位方法面向的目标地物类型：a、山区地表地物：地球硬表面的地物，如：树木、农田、道路以及建筑物等；b、有针对性的地物：受河流和高山等地形因素的阻挡、距离采样人员较远、崩塌与滑坡等灾害频发的条件限制，工作人员难以甚至不能与之接触的地表地物，如：高山上的林木、河流对岸的农田和崩塌、滑坡等灾害点。

本发明所采用的不接触定位方法包括：交会定点方法和距离方位定点方法，利用集成GPS技术、摄像技术、精密电子罗盘与陀螺仪技术一体化到达不接触目标地物以获取它的坐标信息。

如图2所示，其中交会定点方法，根据测量学中交会测量原理，应用GPS技术和电子罗盘定向技术测量目标地物的空间坐标：已知三角形的三个顶点A、B、C，其中A、B两点是工作人员可以到达的位置(道路)，C点为待定点的位置，应用GPS测定A、B两点的空间坐标，电子罗盘和陀螺仪测定AC方向相对于北方向的水平角a和AC方向与水平面的夹角β1，BC方向相对于北方向的水平角r和BC方向与水平面的夹角β2，根据点A、B的坐标和AC与BC方向相对于北方的夹角计算C的坐标。

交会定点方法测量C点坐标按下述公式计算：

$Y_C=\frac{X_B-X_A-tanr\×Y_B+\tan a\×Y_A}{tanr-\tan a}$

$X_C=\frac{X_A\×\tan a-X_B\×tanr-tanr\×\tan a\×(Y_A-Y_B)}{tanr-\tan a}---\left(I\right)$

$Z_C=Z_A+{\mathrm{tan\β}}_1\×\sqrt{(Y_A-Y_B)+(X_A-X_B)}$

式中A、B代表交会测量中交会点所在位置，C代表定点的目标；α、r、β1分别代表AC方向相对于北方向的方位角与BC方向相对于北方向的方位角和AC方向与水平面的夹角；X_C、Y_C、Z_C分别代表待定点C的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的X方向，Y方向和Z方向的空间坐标，X_B、Y_B分别代表待定点B的X和Y方向空间坐标。

如图3所示，其中距离方位定点方法，根据测量学中导线测量原理，应用GPS技术、电子罗盘定向技术和激光测距技术：设定A、C两点，其中A点为工作人员可到达的位置，C点为待定点的位置，应用GPS获取A点的空间坐标(X_A，Y_A，Z_A)，精密电子罗盘与陀螺仪测量AC方向相对于北方向的水平角a和AC方向相对于水平地面的竖直角r，激光测距仪测量A、C两点之间的水平距离S，计算C点空间坐标。

距离方位定点方法测量C点空间坐标按下述公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_C=X_A+S\×\sin a\\ Y_C=X_A+S\×\cos a\\ Z_C=Z_A+S\×\tan r\end{array}\right.---\left(II\right)$

式中其中A、C分别代表采样人员、待定点目标所在位置；a代表AC方向相对于正北方向的方位角；r代表AC方向与水平面夹角；S代表点A到点C之间的水平距离；X_C、Y_C、Z_C分别代表待定点C的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的空间坐标。

基于移动电子设备不接触定位方法的精度评价按下述公式计算：

$\mathrm{\Δ}S=\sqrt{{\mathrm{dx}}^2+{\mathrm{dy}}^2+{\mathrm{dz}}^2}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{S}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ΔS}}_1+{\mathrm{\ΔS}}_2+...+{\mathrm{\ΔS}}_N}{N}---\left(III\right)$

上式中dx、dy、dz分别代表山区不接触定位方法与高精度亚米级GPS测量同一目标在X、Y、Z三个方向坐标误差；ΔS代表不接触定位方法与高精度亚米级GPS测量同一目标的距离误差；代表不接触定位方法与高精度亚米级GPS测量同一目标的平均距离误差，ΔS_i为第i次本发明方法测量结果与高精度呀密集GPS测量结果的之间的距离误差，N为测量次数。

如图4-6所示，采用本发明的移动电子设备操作如下：

(1)采样模式切换：点击野外采样系统中地图界面右下角交会采样，自动切换到交会采样模式；点击主菜单中的采集按钮，切换到交会采样界面，如图5；

(2)交会定点：手持移动电子设备通过交会定点采样界面中的十字丝瞄准待采样目标地物C，点击瞄准自动记录当前位置A的空间坐标，AC方向相对于北方向的方位角和AC方向与水平面的夹角；移动位置，通过交会定点采样界面中的十字丝瞄准待采样目标地物C；点击瞄准自动记录当前位置B的空间坐标，BC方向相对于北方向的方位角和BC方向与水平面的夹角，软件按公式(I)自动解算目标地物C的空间坐标；

(3)采样模式切换：点击野外采样系统中地图界面右下角距离方位采样，自动切换到距离方位采样模式；点击主菜单中的采集按钮，切换到距离方位采样界面，如图6；

(4)距离方位定点：手持移动电子设备通过交会定点采样界面中的十字丝瞄准待采样目标地物C，点击瞄准自动记录当前位置A的空间坐标，AC方向相对于北方向的方位角和AC方向与水平面的夹角；手持激光测距仪瞄准目标地物C，测量当前位置A与目标地物C之间的水平距离，人工录入距离信息，软件按公式(II)自动解算目标地物C的空间坐标。

(5)精度评价：通过高精度亚米级GPS和本发明的不接触定位方法分别测量同一目标地物的空间坐标。比较两种测量仪器测量目标地物的空间坐标之间的距离差值和X、Y、Z三个方向上的坐标差值，按照公式(III)评价本发明的不接触定位方法测量目标地物的空间坐标的精度。

通过野外采样测试，不接触定位方法的采样精度如表1所示：

表1精度评价结果

注：天宝GPS定位精度：厘米级；平板电脑内置GPS定位精度：15m左右。

(6)不接触定位效率：本发明所采用的电子设备测试的硬件平台可以为基于Android系统的三星平板电脑，型号：GT-N8000，系统版本：Android4.1.2，基带版本：N8000ZCCMD2，内存：2GB，硬盘：16GB。测试结果：点击测量按钮，自动采集远距离不可接触目标的空间坐标，效率高。本发明能很大程度地提高野外采样目标地物的空间坐标的准确度和野外采样的效率，降低内业工作量与成本，为山区不接触目标地物的野外定点采样提供了高效而准确采样的技术和理论支撑。

综上所述，本发明提出了一种基于移动电子设备的不接触定位方法，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种基于Pad等移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法，其特征在于：移动电子设备包括GPS、摄像、精密电子罗盘与陀螺仪功能，包括如下步骤：

步骤1，进行采样模式切换，选择采用交会定点模式或距离方位定点模式；

步骤2，如选择采用交会定点模式，则使用交会定点方法进行测量；

步骤3，如选择采用距离方位定点模式，则使用距离方位定点方法进行测量。

2.根据权利要求1所述的基于Pad等移动电子设备的山区不接触定位方法，其特征在于：所述步骤2进一步包括，

步骤2.1，设定已知三角形的三个顶点A、B、C，其中A、B两点是工作人员可以到达的位置，C点为待定点的位置；

步骤2.2，应用GPS测定A、B两点的空间坐标；

步骤2.3，应用电子罗盘和陀螺仪测定AC方向相对于北方向的水水平角a和AC方向与水平面的夹角β1，BC方向相对于北方向的水平角r和BC方向与水平面的夹角β2；

步骤2.4，根据点A、B的坐标和AC与BC方向相对于北方的夹角计算C的坐标，C点坐标按下述公式计算：

$Y_C=\frac{X_B-X_A-tanr\×Y_B+\tan a\×Y_A}{tanr-\tan a}$

$X_C=\frac{X_A\×\tan a-X_B\×tanr-tanr\×\tan a\×(Y_A-Y_B)}{tanr-\tan a}$

$Z_C=Z_A+{\mathrm{tan\β}}_1\×\sqrt{(Y_k-Y_B)+(X_A-X_B)}$

式中A、B代表交会测量中交会点所在位置，C代表定点的目标；α、r、β1分别代表AC方向相对于北方向的方位角与BC方向相对于北方向的方位角和AC方向与水平面的夹角；X_B、Y_B、Z_B分别代表待定点B的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的空间坐标，X_C、Y_C、Z_C分别代表待定点C的空间坐标。

3.根据权利要求1所述的基于移动电子设备的不接触定位方法，其特征在于：所述步骤3进一步包括，

步骤3.1，设定A、C两点，其中A点为工作人员可到达的位置，C点为待定点的位置；

步骤3.2，应用GPS获取A点的空间坐标；

步骤3.3，应用电子罗盘与陀螺仪测量AC方向相对于北方向的水平角a和AC方向相对于水平地面的竖直角r；

步骤3.4，应用激光测距仪测量A、C两点之间的水平距离S，计算C点空间坐标，C点空间坐标按下述公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_C=X_A+S\×\sin a\\ Y_C=Y_A+S\×cosa\\ Z_C=Z_H+S\×\tan r\end{array}\right.$

式中其中A、C分别代表采样人员、待定点目标所在位置；a代表AC方向相对于正北方向的方位角；r代表AC方向与水平面夹角；S代表点A到点C之间的水平距离；X_C、Y_C、Z_C分别代表待定点C的空间坐标；X_A、Y_A、Z_A分别代表待定点A的空间坐标。

4.根据权利要求1所述的基于Pad等移动电子设备的山区野外采样快速不接触定位方法，其特征在于：定位面向的目标地物类型包括：山区地表地物或受自然条件影响难以实地接触的地表地物。