基于数码照相的线路横断面测绘装置及方法与流程

本发明属于横断面测绘技术领域，具体涉及一种基于数码照相的线路横断面测绘装置及方法。

背景技术：

在线路设计初期需要对线路所通过的地方进行横断面测绘，其目的是对线路的前期设计及工程量的计算。传统的横断面测绘方法主要包括使用全站仪或GPS-RTK对线路走向横断面的测绘，全站仪测量横断面时速度很慢，在某些地形复杂的地区作业，操作难度大；使用GPS-RTK虽然可以提高测量速度，但是在某些接受卫星信号相对较差的地区，GPS-RTK根本接收不到卫星信号，其精度和速度都会受到很大影响，且投入成本高。因此，现如今缺少一种成本低、操作简单、携带方便，减少卫星通信使用次数的基于数码照相的线路横断面测绘装置及方法，通过多个标杆找到线路横断面位置，采用普通的数码相机拍摄共面布设的多个标杆，通过图像中距离参数的形变以及缩小倍数转换实际数据，计算机处理速度快，能解决其他现有仪器无法测量的地区对线路横断面的测绘工作。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于数码照相的线路横断面测绘装置，其设计新颖合理，操作携带简单方便，测量绘制线路横断面速度快，计算机处理精度高，适用范围广，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：包括M个安插在地面上且用于确定线路横断面位置的标杆，以及设置在所述线路横断面一侧用于采集处理标杆参数的测绘终端，其中M＝2n+1，n为整数且n≥1；标杆包括主杆和设置在主杆底部的定位块，主杆与定位块的连接位置处设置有第一转轴，第一转轴上转动安装有两个从杆，两个从杆分别位于主杆的两侧，主杆的上部设置有供第一激光发射器转动的第二转轴，主杆、从杆和第一激光发射器位于同一平面上；所述测绘终端包括三脚架、安装在三脚架上的安装座和安装在安装座上的数码相机，数码相机中镜头的正上方或正下方安装有垂直于线路横断面的第二激光发射器，数码相机的信号输出端与计算机连接。

上述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：所述线路横断面位于共面布设的M个标杆所在的平面上。

上述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：所述M个标杆中位于中间位置的标杆为中桩标杆，所述中桩标杆安装在路的中心线上。

上述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：所述第二激光发射器发出的激光束垂直于线路横断面且位于所述中桩标杆中主杆所在的直线上。

上述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：所述主杆和从杆均为伸缩杆，所述伸缩杆的长度为l满足：1m≤l≤1.5m。

上述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，其特征在于：所述从杆绕第一转轴与主杆之间的转动夹角为0°～90°。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可通过照片图像形变量计算实地距离的线路横断面测绘方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、确定所测绘的线路横断面所处平面位置：首先，在路的中心线上安装所述中桩标杆，完全展开所述中桩标杆的两个从杆，调整所述中桩标杆的方位角，确定线路横断面的基准位置；然后，在所述中桩标杆的两侧分别安装N个标杆，打开2N个标杆中各自的第一激光发射器扫面所述中桩标杆所在的平面，确定所测绘的线路横断面，其中，N＝2n-1，所述中桩标杆安装在卫星探测获取的中桩点上，中桩点坐标已知；

步骤二、确定数码相机位置并采集图像信息上传至计算机：首先，调节所述第二激光发射器发出的激光束垂直射向线路横断面且所述第二激光发射器发出的激光束与所述中桩标杆中主杆所在的直线相交；然后，调整数码相机的焦距，将M个标杆中两侧的标杆靠近数码相机中视野的边界内侧，按下快门获取M个标杆的图像信息并将该图像信息上传至计算机；

步骤三、图像信息处理并计算各标杆的坐标：标定各标杆在图像上的位置，查找所述中桩标杆位置，以所述中桩标杆的第一转轴为坐标原点建立直角坐标系o-xz，以所述中桩标杆的主杆所在的直线为直角坐标系o-xz的z轴，以所述中桩标杆的从杆所在的直线为直角坐标系o-xz的x轴，由所述中桩标杆向其两侧分别计算各标杆的坐标，相邻两个标杆的坐标计算方法均相同；

对需计算的相邻两个标杆进行坐标计算时，过程如下：

步骤301、设置辅助点：通过计算机在图像上相邻两个标杆之间的坡面上随机生成辅助点A；

步骤302、根据公式计算步骤301中位于辅助点A的一侧标杆沿x轴方向的变形系数k₁和位于辅助点A的另一侧标杆沿x轴方向的变形系数k₂，其中，i为标杆中从杆展开的数量，i＝1或2，l_ai为图像上变形系数为k₁的标杆对应第i个从杆的长度，l_bi为图像上变形系数为k₂的标杆对应第i个从杆的长度；

步骤303、根据公式计算辅助点A处沿x轴方向的变形系数k_A，其中，s_a为辅助点A沿x轴方向距离图像上位于辅助点A的一侧标杆的距离，s_b为辅助点A沿x轴方向距离图像上位于辅助点A的另一侧标杆的距离；

步骤304、根据公式计算相邻两个标杆在x轴方向上的相距距离L_x，其中，L_a为图像上距离参数s_a在实际现场中对应的实际距离，L_b为图像上距离参数s_b在实际现场中对应的实际距离；

步骤305、根据公式计算步骤301中位于辅助点A的一侧标杆沿z轴方向的变形系数k₁'和位于辅助点A的另一侧标杆沿z轴方向的变形系数k'₂，其中，l'_a为图像上变形系数为k₁'的标杆对应主杆的长度，l_b'为图像上变形系数为k'₂的标杆对应主杆的长度；

步骤306、根据公式计算辅助点A处沿z轴方向的变形系数k'_A，其中，s'_a为辅助点A沿z轴方向距离图像上位于辅助点A的一侧标杆的距离，s'_b为辅助点A沿z轴方向距离图像上位于辅助点A的另一侧标杆的距离；

步骤307、根据公式计算相邻两个标杆在z轴方向上的相距距离L_z，其中，L'_a为图像上距离参数s'_a在实际现场中对应的实际距离，L_b为图像上距离参数s'_b在实际现场中对应的实际距离；

步骤308、多次重复步骤302至步骤307，直至完成各标杆在直角坐标系o-xz中坐标的计算过程；

步骤四、空间坐标系转换：通过计算机采用坐标转换法对分布在直角坐标系o-xz中的M个标杆的坐标进行坐标转换，将直角坐标系o-xz中的M个标杆的坐标转换至参心坐标系或地心坐标系上，获得M个标杆在参心坐标系或地心坐标系中的实际空间坐标；

步骤五、线路横断面的绘制：计算机将步骤四中获得的M个标杆的实际空间坐标沿x坐标递增的方向依次平滑连接，绘制线路横断面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的基于数码照相的线路横断面测绘装置中的标杆通过插入地下的定位块将标杆固定在地上，在第一转轴上转动安装两个从杆，实际可根据现场地形选择展开两个从杆或两个从杆中的一个作为水平方向上的测量基准，且从杆和主杆均可伸缩，结构简单，携带方便。

2、本发明采用的基于数码照相的线路横断面测绘装置中通过数码相机拍摄多个标杆来获取线路横断面参数，通过图像上距离参数的形变以及缩放倍数转换实际数据，采用计算机处理数据，速度快，可靠稳定。

3、本发明采用的基于数码照相的线路横断面测绘方法，步骤简单，通过建立直角坐标系o-xz，分别对x轴水平方向上以及z轴竖直方向上的距离形变以及缩放进行计算，通过空间坐标系转换将线路横断面上各个标杆的坐标转换至参心坐标系或地心坐标系上，绘制线路横断面方便快捷，效率高。

4、本发明设计新颖合理，投入成本低、操作简单、携带方便，减少对卫星通信的依赖，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，操作携带简单方便，测量绘制线路横断面速度快，计算机处理精度高，适用范围广，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的基于数码照相的线路横断面测绘装置的使用状态图。

图2为本发明线路横断面测绘装置中标杆的结构示意图。

图3为本发明基于数码照相的线路横断面测绘方法中相邻两个标杆在直角坐标系o-xz中的位置关系示意图。

图4为本发明基于数码照相的线路横断面测绘方法的方法流程框图。附图标记说明:

1—标杆； 1-1—第一转轴； 1-2—从杆；

1-3—定位块； 1-4—主杆； 1-5—第二转轴；

1-6—第一激光发射器； 2—线路横断面； 3—数码相机；

4—安装座； 5—三脚架； 7—计算机。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的基于数码照相的线路横断面测绘装置，包括M个安插在地面上且用于确定线路横断面2位置的标杆1，以及设置在所述线路横断面2一侧用于采集处理标杆1参数的测绘终端，其中M＝2n+1，n为整数且n≥1；标杆1包括主杆1-4和设置在主杆1-4底部的定位块1-3，主杆1-4与定位块1-3的连接位置处设置有第一转轴1-1，第一转轴1-1上转动安装有两个从杆1-2，两个从杆1-2分别位于主杆1-4的两侧，主杆1-4的上部设置有供第一激光发射器1-6转动的第二转轴1-5，主杆1-4、从杆1-2和第一激光发射器1-6位于同一平面上；所述测绘终端包括三脚架5、安装在三脚架5上的安装座4和安装在安装座4上的数码相机3，数码相机3中镜头的正上方或正下方安装有垂直于线路横断面2的第二激光发射器，数码相机3的信号输出端与计算机7连接。

本实施例中，所述M个标杆1中位于中间位置的标杆1为中桩标杆，所述中桩标杆安装在路的中心线上。

实际使用中，线路横断面包括公路横断面、道路横断面、河床横断面、等带状地物横断面或绿化带横断面等，实际安插所述中桩标杆时，将所述中桩标杆安装在中桩点上，中桩点为提前探测所得位置且中桩点位于路的中心线上，调整所述中桩标杆的方位，将定位块1-3安装在中桩点上。

本实施例中，所述线路横断面2位于共面布设的M个标杆1所在的平面上。

本实施例中，所述从杆1-2绕第一转轴1-1与主杆1-4之间的转动夹角为0°～90°。

定位块1-3安装在中桩点上后，向主杆1-4两侧完全展开从杆1-2，使从杆1-2展开90°与主杆1-4垂直，打开第一激光发射器1-6且使第一激光发射器1-6绕第二转轴1-5转动发射激光束，与所述中桩标杆相邻的标杆1中的展开从杆1-2沿激光束扫面的平面布设，打开该标杆1中的第一激光发射器1-6同样转动扫面，使下一个标杆1中的展开从杆1-2沿激光束扫面的平面布设，依次类推，不再赘述。

实际将标杆1安插在地面上时，标杆1所处的位置地势不一定平坦，导致该标杆1的两个从杆1-2无法均转动90°，此时，根据地形确保两个从杆1-2中的一个从杆1-2完全展开与主杆1-4保持垂直，保证数码相机3拍摄图像获取图像数据的可靠性。

本实施例中，所述第二激光发射器发出的激光束垂直于线路横断面2且位于所述中桩标杆中主杆1-4所在的直线上。

本实施例中，M个标杆1以所述中桩标杆为基准向其两边延伸布设，采用述第二激光发射器发出激光束垂直于线路横断面2且位于所述中桩标杆中主杆1-4所在的直线上，确保数码相机3正对M个标杆1构成的测量中心，此时数码相机3获取的图像数据形变量最小，计算误差小，减少获取数据时带来的不必要的数据噪声。

本实施例中，所述主杆1-4和从杆1-2均为伸缩杆，所述伸缩杆的长度为l满足：1m≤l≤1.5m。

实际操作中，不使用标杆1时，将主杆1-4和从杆1-2收缩至最短距离，携带方便，使用标杆1时，将主杆1-4和从杆1-2拉长至最长距离，减少图像数据与实际距离的比例，从而提高计算精度。

如图3和图4所示的一种利用如权利要求1所述装置进行线路横断面测绘的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定所测绘的线路横断面所处平面位置：首先，在路的中心线上安装所述中桩标杆，完全展开所述中桩标杆的两个从杆1-2，调整所述中桩标杆的方位角，确定线路横断面2的基准位置；然后，在所述中桩标杆的两侧分别安装N个标杆1，打开2N个标杆1中各自的第一激光发射器1-6扫面所述中桩标杆所在的平面，确定所测绘的线路横断面2，其中，N＝2n-1，所述中桩标杆安装在卫星探测获取的中桩点上，中桩点坐标已知；

本实施例中，M个安插在地面上的标杆1中，相邻的两个标杆1之间避免越过山脊或山谷，保证线路横断面2测绘的正确性；在山脊或山谷的位置处均安插一个标杆1获取线路横断面2的转折走向，在连续上升或下降的坡面上根据激光束扫描有效距离安插标杆1，保证有效的测量距离间隔。

步骤二、确定数码相机位置并采集图像信息上传至计算机：首先，调节所述第二激光发射器发出的激光束垂直射向线路横断面2且所述第二激光发射器发出的激光束与所述中桩标杆中主杆1-4所在的直线相交；然后，调整数码相机3的焦距，将M个标杆1中两侧的标杆1靠近数码相机3中视野的边界内侧，按下快门获取M个标杆1的图像信息并将该图像信息上传至计算机7；

实际拍照时，尽量的保证M个标杆1中最外侧的两个标杆1靠近数码相机3中视野的边界，在保证将M个标杆1全部拍到的同时利用数码相机3视野尺寸，避免M个标杆1聚集在照片中间，扩大实际标杆1与图像上标杆的比例，降低计算机7处理精度。

步骤三、图像信息处理并计算各标杆的坐标：标定各标杆1在图像上的位置，查找所述中桩标杆位置，以所述中桩标杆的第一转轴1-1为坐标原点建立直角坐标系o-xz，以所述中桩标杆的主杆1-4所在的直线为直角坐标系o-xz的z轴，以所述中桩标杆的从杆1-2所在的直线为直角坐标系o-xz的x轴，由所述中桩标杆向其两侧分别计算各标杆1的坐标，相邻两个标杆1的坐标计算方法均相同；

对需计算的相邻两个标杆1进行坐标计算时，过程如下：

步骤301、设置辅助点：通过计算机7在图像上相邻两个标杆之间的坡面上随机生成辅助点A；

步骤302、根据公式计算步骤301中位于辅助点A的一侧标杆沿x轴方向的变形系数k₁和位于辅助点A的另一侧标杆沿x轴方向的变形系数k₂，其中，i为标杆1中从杆1-2展开的数量，i＝1或2，l_ai为图像上变形系数为k₁的标杆对应第i个从杆的长度，l_bi为图像上变形系数为k₂的标杆对应第i个从杆的长度；

需要说明的是，实际地势起伏情况不定，当安插标杆1的位置地势平坦，可展开标杆1的两个从杆1-2，通过取平均减少变形系数误差；当安插标杆1的位置地势恶劣，无法完全展开两个从杆1-2时，确保两个从杆1-2中的一个展开至水平位置，实际选取标杆1的安插位置时，尽量选取地势平坦的位置使标杆1全部展开。

步骤303、根据公式计算辅助点A处沿x轴方向的变形系数k_A，其中，s_a为辅助点A沿x轴方向距离图像上位于辅助点A的一侧标杆的距离，s_b为辅助点A沿x轴方向距离图像上位于辅助点A的另一侧标杆的距离；

步骤304、根据公式计算相邻两个标杆1在x轴方向上的相距距离L_x，其中，L_a为图像上距离参数s_a在实际现场中对应的实际距离，L_b为图像上距离参数s_b在实际现场中对应的实际距离；

本实施例中，从所述中桩标杆开始向其两侧计算相应标杆1与所述中桩标杆的相距距离，其中，所述中桩标杆坐标已知，可通过位移变化快速确定新标杆的坐标。

步骤305、根据公式计算步骤301中位于辅助点A的一侧标杆沿z轴方向的变形系数k₁'和位于辅助点A的另一侧标杆沿z轴方向的变形系数k'₂，其中，l'_a为图像上变形系数为k₁'的标杆对应主杆的长度，l_b'为图像上变形系数为k'₂的标杆对应主杆的长度；

需要说明的是，实际采用倒T形的标杆1，标杆1的主杆1-4只有一个，不会出现被遮挡的情况，直接测量计算z轴方向上位移变化。

步骤306、根据公式计算辅助点A处沿z轴方向的变形系数k'_A，其中，s'_a为辅助点A沿z轴方向距离图像上位于辅助点A的一侧标杆的距离，s'_b为辅助点A沿z轴方向距离图像上位于辅助点A的另一侧标杆的距离；

步骤307、根据公式计算相邻两个标杆1在z轴方向上的相距距离L_z，其中，L'_a为图像上距离参数s'_a在实际现场中对应的实际距离，L_b为图像上距离参数s'_b在实际现场中对应的实际距离；

步骤308、多次重复步骤302至步骤307，直至完成各标杆1在直角坐标系o-xz中坐标的计算过程；

步骤四、空间坐标系转换：通过计算机7采用坐标转换法对分布在直角坐标系o-xz中的M个标杆1的坐标进行坐标转换，将直角坐标系o-xz中的M个标杆1的坐标转换至参心坐标系或地心坐标系上，获得M个标杆1在参心坐标系或地心坐标系中的实际空间坐标；

实际使用中，我国参心坐标系主要包括1954北京坐标系和1980西安坐标系，地心坐标系主要包括2000中国大地坐标系(CGCS2000)和1984世界大地坐标系(WGS84)。

步骤五、线路横断面的绘制：计算机7将步骤四中获得的M个标杆1的实际空间坐标沿x坐标递增的方向依次平滑连接，绘制线路横断面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。