專利名稱：坐標變換數(shù)據(jù)處理方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測量領(lǐng)域中所有目標點的測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法和一種坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置。
背景技術(shù)：
隨著科技的進步，在一定范圍內(nèi)直接精確測量目標點的三維坐標成為可能，其中最具代表性的儀器就是激光跟蹤儀。
以激光跟蹤儀為例，在做大范圍測量時無法在一個站位測全所有點，這樣就需要搬動儀器，在多個不同的站位完成所有點的測量。儀器在每一個站位測量時使用的是本地坐標系，最終需要得到的是所有點在同一個坐標系中的坐標，這就需要采用一定的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法對各個坐標系中的測量數(shù)據(jù)進行處理。在儀器的每一站只能完成部分目標點的位置測量，建立起這一站內(nèi)所測目標點在儀器坐標系下的相互位置關(guān)系，而各個站所測目標點之間的位置是沒有統(tǒng)一位置關(guān)系的。對測量原始數(shù)據(jù)進行分析和處理時需要知道所有目標點在一個統(tǒng)一的坐標系下的相互位置關(guān)系。各個測站之間相重疊的區(qū)域，也即有重復(fù)測量的目標點，即為兩個坐標系之間的公共點。因此，對測量數(shù)據(jù)進行處理時就需要將不同坐標系中的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標系中，即面臨測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一問題。同樣的需要也發(fā)生在多種儀器聯(lián)合測量中。在實際工程中為了達到高精度的測量，往往需要多種儀器聯(lián)合測量，充分發(fā)揮各種儀器的測量優(yōu)勢。例如GPS適合做大范圍的測量，全站儀適合作中距離的測量，而激光跟蹤儀適合做近距離的測量。它們在各自的測量范圍內(nèi)都具有其他儀器無法取代的測量優(yōu)勢。但是，不同種儀器都有各自的坐標系，所測數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一，即面臨測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一的問題。另外，工程或?qū)嶒炛杏糜诖_定目標點的位置時，也同樣面臨測量數(shù)據(jù)的坐標統(tǒng)一的問題。在工程或?qū)嶒炛薪?jīng)常需要把某一設(shè)備調(diào)整到預(yù)先設(shè)計好的位置，設(shè)備是否正確就位的依據(jù)就是該設(shè)備上我們所關(guān)心的目標點是否到達了預(yù)定位置。實際情況往往是該設(shè)備上的目標點在設(shè)備組裝好后是根本無法監(jiān)測到的，對于這種情況就需要預(yù)先在設(shè)備外部能監(jiān)測到的位置布設(shè)一些參考點，首先建立起這些參考點和目標點在設(shè)備坐標系中的位置關(guān)系，然后在調(diào)整設(shè)備時測量這些參考點。此時這些參考點就是設(shè)備坐標系和儀器坐標系之間的公共點。還有一種很常見的情況是需要調(diào)整設(shè)備使設(shè)備上的參考點到達指定坐標系中預(yù)先設(shè)計好的位置。設(shè)備參考點位置的監(jiān)測是靠儀器實現(xiàn)的，而儀器監(jiān)測設(shè)備上的參考點是在儀器坐標系下進行的，此時就需要把儀器坐標系轉(zhuǎn)化到這個指定的坐標系。我們可以預(yù)先在這個指定坐標系中布設(shè)一些控制點，儀器測量這些控制點后應(yīng)用本算法就可轉(zhuǎn)化到這個指定的坐標系，然后就可實現(xiàn)在指定坐標系中監(jiān)測設(shè)備參考點的目的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的為提供一種數(shù)據(jù)精確且效率高的用于測量領(lǐng)域的目標點測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一的坐標數(shù)據(jù)處理方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的坐標數(shù)據(jù)處理方法不能準確快速的進行目標點測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一的技術(shù)問題。本發(fā)明的另一目的為提供一種數(shù)據(jù)精確且效率高的坐標數(shù)據(jù)處理裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，用于將原直角坐標系中的坐標數(shù)據(jù)變換處理為目標直角坐標系中的數(shù)據(jù)，所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系具有至少三個以上的不在同一條直線上的公共點，所述坐標變換數(shù)據(jù)處理方法包括步驟SI :接收所述公共點的在所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系這兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)用最小二乘法構(gòu)造回歸函數(shù)，并得出通過迭代使所述回歸函數(shù)取得最小值解的迭代矩陣；步驟S2 :用不在同一條直線上的三個公共點來計算所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值；步驟S3 :以所述步驟SI計算出的所述坐標變換參數(shù)初值作為所述迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際 坐標變換參數(shù)；步驟S4 :用步驟S3所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到所述原直角坐標系的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標。一種坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，用于將原直角坐標系中的坐標數(shù)據(jù)變換處理為目標直角坐標系中的數(shù)據(jù)，所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系具有至少三個以上的不在同一條直線上的公共點，所述坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置包括構(gòu)造模塊，用以接收公共點的在原直角坐標系與目標直角坐標系這兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)用最小二乘法構(gòu)造回歸函數(shù)，并得出通過迭代使回歸函數(shù)取得最小值解的迭代矩陣；初值模塊用于以不在同一條直線上的三個公共點來計算原直角坐標系與目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值；迭代模塊以所述初值模塊計算出的所述坐標變換參數(shù)初值作為所述構(gòu)造模塊得到的所述迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際坐標變換參數(shù)；變換模塊用所述迭代模塊所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到原直角坐標系的所有點在目標直角坐標系中的坐標。本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法與裝置，通過選取目標點中的不在同一條直線上的三個公共點來計算迭代矩陣的初值，也即坐標變換矩陣的六個參數(shù)的初值，使迭代函數(shù)在全局范圍取得最小值，以達到數(shù)據(jù)擬合的目的，本發(fā)明在坐標變換數(shù)據(jù)處理中具有高精度和高效率的特點。利用大量實測數(shù)據(jù)與萊佧、FARO跟蹤儀測量軟件相對比均驗證了本發(fā)明坐標變換數(shù)據(jù)處理方法的精確性和高效性。


圖I為本發(fā)明實施例的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法中初值獲取步驟的流程圖。圖2為本發(fā)明實施例的坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及附圖在本質(zhì)上是當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。下面以處理測量儀器的多個不同站位的測量數(shù)據(jù)為例，具體介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法與裝置，測量儀器例如為激光跟蹤儀。本發(fā)明實施例的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，其主要包括以下三個步驟步驟SI :接收所述公共點的在所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系這兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)用最小二乘法構(gòu)造回歸函數(shù)，并得出通過迭代使所述回歸函數(shù)取得最小值解的迭代矩陣；步驟S2 :用不在同一條直線上的三個公共點來計算所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值；步驟S3 以所述步驟SI計算出的所述坐標變換參數(shù)初值作為所述迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際坐標變換參數(shù)；步驟S4 :用步驟S3所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到所述原直角坐標系的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標。 在要處理的坐標數(shù)據(jù)為測量儀器自多個站位采集的測量數(shù)據(jù)時，各所述站位的所述測量數(shù)據(jù)基于各自站位的一直角坐標系，選擇其中的一個站位的直角坐標系為目標直角坐標系，將其余站位的所述測量數(shù)據(jù)依次經(jīng)上述步驟SI、步驟S2、步驟S3和步驟S4，即可得出每一站位的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標，然后匯總即得各站位所有點在目標直角坐標系中的坐標。也就是說，所要處理的測量儀器的多個不同站位的測量數(shù)據(jù)，選擇其中的一個站位的直角坐標系為目標坐標系，將其他站位的測量數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為在被選定的目標坐標系中的坐標，以完成坐標轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理。對于每一站位的測量數(shù)據(jù)的坐標變換，以該站位與被選定為目標直角坐標系的站位的部分或全部公共點來構(gòu)造用于求出由每一原坐標系向同一目標坐標系坐標變換參數(shù)的回歸函數(shù)，構(gòu)造方法如下按照最小二乘法的原理，按照公知的直角坐標系坐標變換公式，即坐標系旋轉(zhuǎn)、平移公式，上述的擬合需要獲得坐標變換的六個參數(shù)即繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度jx、jy、jz和沿X、Y、Z軸的平移距離kx、ky、kz。下面舉例來說明如何獲得求解函數(shù)。設(shè)有一組空間點，它們在兩個空間直角坐標系中的坐標分別為在第一(目標)直角坐標系al (alx, aly, alz), a2 (a2x, a2y, a2z), ···, an (anx, any, anz) ;al、a2、an 為空間點的標識，aix、aiy、aiz分別為點ai的x、y、z坐標(i=l......n)。在第二 (原)直角坐標系bl (blx, bly, biz), b2 (b2x, b2y, b2z), ...，bn (bnx, bny, bnz);同樣，bl、b2、bn 為空間點的標識，bix、biy、biz分別為點bl的x、y、z坐標(i=l......η)?，F(xiàn)將bi 向 ai (i=l......η)擬合。坐標系旋轉(zhuǎn)平移公式如下
^ cos(jy) cosy/) ^ sinyy)-sin(jz) * co^Cjx) cosyz) * sinyy)本 cos(jx) siny/) ^sin(jx) kx- ( j )
M - i sin(j/) * cos( jy) simj/) * sinijy) #hini jx) -f a>Mj/) *co.s<jx)#^in(Jy) * cos(jx)Ic^
I -sin(jy)cos(jy) * sin(jx)cos(j> ) *cos(jx)kz
其中jx、jy、jz分別是繞X、Y、Z坐標軸的轉(zhuǎn)角，kx、ky、kz是坐標系原點沿X、Y、Z坐標軸的平移量。對于點bi，其經(jīng)過坐標變換后的坐標值滿足如下公式
權(quán)利要求
1.一種坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，用于目標點測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一，原直角坐標系與目標直角坐標系具有至少三個以上的不在同一條直線上的公共點，其特征在于，所述坐標變換數(shù)據(jù)處理方法包括 步驟Si:接收所述公共點的在所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系這兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)得到回歸函數(shù)，并得出通過迭代使所述回歸函數(shù)取得最小值的迭代矩陣； 步驟S2 :用不在同一條直線上的三個公共點來獲取所述原直角坐標系與所述目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值； 步驟S3 :以所述步驟SI計算出的所述坐標變換參數(shù)初值作為所述迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際坐標變換參數(shù)； 步驟S4 :用步驟S3所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到所述原直角坐標系的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標。
2.如權(quán)利要求I所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，在步驟S3中，包括用部分所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)驗證所述實際坐標變換參數(shù)精確性的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述用不在同一條直線上的三個公共點來計算原直角坐標系與目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值的步驟包括 通過坐標軸的平移和旋轉(zhuǎn)操作，使得由所述三個公共點所確定的所述原直角坐標系和所述目標直角坐標系的姿態(tài)一致的步驟；以及 獲得從所述原直角坐標系變換到所述目標直角坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，并進一步獲得所述坐標變換參數(shù)初值的步驟。
4.如權(quán)利要求2所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述步驟S2可細化為 步驟S21 :選取不在同一條直線上的三個公共點，分別將所述兩個坐標系的原點平移到各自坐標系的同一個公共點處； 步驟S22 :利用所述三個公共點在所述兩個坐標系分別建立一個平面； 步驟S23 :繞各自坐標系的X軸把各自坐標系的Y軸旋轉(zhuǎn)到所述平面內(nèi)，重新計算旋轉(zhuǎn)后的另外兩個公共點的坐標值； 步驟S24 :用與步驟S23相同的方法繞各自坐標系的Y軸將X軸旋轉(zhuǎn)到所述平面內(nèi)，重新獲得旋轉(zhuǎn)后的所述另外兩個公共點的坐標值； 步驟S25 :繞各自坐標系的Z軸把X軸旋轉(zhuǎn)到各自的所述另外兩個公共點之一，重新獲得旋轉(zhuǎn)后的所述另外兩個公共點的坐標值； 步驟S26 :依據(jù)所述另外兩個公共點的坐標值判斷所述兩個坐標系當前的姿態(tài)是否一致，如不一致則通過旋轉(zhuǎn)其中一個坐標系的Z軸使所述兩個坐標系的姿態(tài)一致； 步驟S27 :獲得所述從原直角坐標系變換到所述目標直角坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣；步驟S28 :獲得從所述原直角坐標系變換到所述目標直角坐標系的的旋轉(zhuǎn)變換矩陣中各旋轉(zhuǎn)參數(shù)； 步驟S29 :獲得從所述原直角坐標系變換到所述目標直角坐標系的平移參數(shù)。
5.如權(quán)利要求I所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述坐標數(shù)據(jù)為測量儀器自多個站位采集的測量數(shù)據(jù)，各所述站位的所述測量數(shù)據(jù)基于各自站位的一直角坐標系，選擇其中的一個站位的直角坐標系為目標直角坐標系，將其余站位的所述測量數(shù)據(jù)依次經(jīng)所述步驟SI、步驟S2、步驟S3和步驟S4，得出各站位的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標。
6.一種坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，用于測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一，原直角坐標系與目標直角坐標系具有至少三個以上的不在同一條直線上的公共點，其特征在于，所述坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置包括 構(gòu)造模塊，用以接收公共點的在原直角坐標系與目標直角坐標系這兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)用最小二乘法構(gòu)造回歸函數(shù)，并得出通過迭代使回歸函數(shù)取得最小值解的迭代矩陣； 初值模塊用于以不在同一條直線上的三個公共點來獲得原直角坐標系與目標直角坐標系間的坐標變換參數(shù)初值； 迭代模塊以所述初值模塊獲得的所述坐標變換參數(shù)初值作為所述構(gòu)造模塊得到的所述迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際坐標變換參數(shù)； 變換模塊:用所述迭代模塊所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到原直角坐標系的所有點在目標直角坐標系中的坐標。
7.如權(quán)利要求6所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，在所述迭代模塊中，包括用部分所述公共點的所述坐標數(shù)據(jù)驗證所述實際坐標變換參數(shù)精確性的驗證單元。
8.如權(quán)利要求7所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，所述初值模塊包括 姿態(tài)調(diào)整子模塊，用于通過坐標軸的平移和旋轉(zhuǎn)操作，使得由所述三個公共點所確定的原直角坐標系和目標直角坐標系兩坐標系的姿態(tài)一致；以及 計算子模塊，用于獲得從原坐標系變換到目標坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，并進一步計算所述坐標變換參數(shù)初值。
9.如權(quán)利要求7所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，所述初值模塊包括 平移單元，用于選取不在同一條直線上的三個公共點，分別將所述兩個坐標系的原點平移到各自坐標系的同一個公共點處； 平面建立單元，用以利用所述三個公共點在所述兩個坐標系分別建立一個平面； 第一計算單元，用以重新計算在繞各自坐標系的X軸把各自坐標系的Y軸旋轉(zhuǎn)到所述平面建立單元所建立的平面內(nèi)后的另外兩個公共點的坐標值； 第二計算單元，用以在第一計算單元計算所述另外兩個公共點的坐標值后重新計算以與所述第一計算單元相同的方法繞各自坐標系的Y軸將X軸旋轉(zhuǎn)到所述平面建立單元所建立的平面內(nèi)后的所述另外兩個公共點的坐標值； 第三計算單元，用以在第二計算單元計算所述另外兩個公共點的坐標值后重新計算繞各自坐標系的Z軸把X軸旋轉(zhuǎn)到各自的所述另外兩個公共點之一后的所述另外兩個公共點的坐標值； 姿態(tài)調(diào)整單元，用以在第三計算單元計算所述另外兩個公共點的坐標值后依據(jù)所述另外兩個公共點的坐標值判斷所述兩個坐標系當前的姿態(tài)是否一致，如不一致則通過旋轉(zhuǎn)其中一個坐標系的Z軸使所述兩個坐標系的姿態(tài)一致； 第四計算單元，用以計算從原直角坐標系變換到目標直角坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣； 第五計算單元，用以計算從原直角坐標系變換到目標直角坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣中各旋轉(zhuǎn)參數(shù)； 第六計算單元，用以計算從原直角坐標系變換到目標直角坐標系的平移參數(shù)。
10.如權(quán)利要求6所述的坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置，其特征在于，所述坐標變換數(shù)據(jù)處理裝置還包括選擇模塊和匯總模塊，所述坐標數(shù)據(jù)為測量儀器自多個站位采集的測量數(shù)據(jù)，各所述站位的所述測量數(shù)據(jù)基于各自站位的一直角坐標系，所述選擇模塊選擇其中的一個站位的直角坐標系為 目標直角坐標系，將其余站位的所述測量數(shù)據(jù)經(jīng)所述構(gòu)造模塊、所述初值模塊、所述迭代模塊和所述變換模塊，由所述變換模塊輸出端所連接的所述匯總模塊得出各站位的所有點在所述目標直角坐標系中的坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種坐標變換數(shù)據(jù)處理方法及裝置，用于目標點測量數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一，原直角坐標系和目標直角坐標系具有至少三個以上的不在同一條直線上的公共點，所述方法包括接收公共點的在兩個坐標系中的坐標數(shù)據(jù)，以部分或全部公共點的坐標數(shù)據(jù)用最小二乘法構(gòu)造回歸函數(shù)，并得出通過迭代使回歸函數(shù)取得最小值解的迭代矩陣；用不在同一條直線上的三個公共點來計算兩個坐標系間的坐標變換參數(shù)初值；以計算出的坐標變換參數(shù)初值作為迭代矩陣的初值進行迭代，迭代至滿足所要求的精度時得到實際坐標變換參數(shù)；用所獲得的實際坐標變換參數(shù)得到原直角坐標系的所有點在目標直角坐標系中的坐標。本發(fā)明處理數(shù)據(jù)精確且效率高。
文檔編號G01B21/00GK102853793SQ20121037079
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者王小龍, 董嵐 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所