[发明专利]一种基于坐标投影的三维坐标转换方法及装置

权利要求书

1.一种基于坐标投影的三维坐标转换方法，其特征在于，包括：

步骤S1：建立轨检小车坐标系和大地坐标系；

步骤S2：通过测量获得所述轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；

其中相对位置关系包括所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；

步骤S3：选取参考点，并直接测量出参考点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值和在所述大地坐标系中的最终坐标值；

步骤S4：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得对应的最终坐标值的对应关系式；

步骤S5：测量轨道检测目标点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入步骤S4得出的所述对应关系式中，获得轨道检测目标点在所述大地坐标系中的最终坐标值，即所述轨道检测目标点在大地坐标系中的平面坐标和高程；

所述步骤S1具体为：以轨检小车的双轮梁和单轮梁的交点为坐标原点O，以双轮梁所在直线为X轴，以单轮梁所在直线为Y轴，以Z轴垂直于XOY平面建立轨检小车坐标系OXYZ，其中，以轨道里程增加方向为X轴正轴方向，以所述单轮梁相对于坐标原点O所在方向为Y轴正轴方向，以垂直于XOY平面向上的方向为Z轴正轴方向；以地心大地坐标系OENH为所述大地坐标系；

所述步骤S2具体为：通过直接测量获得所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；

其中，水平倾角是指Y轴与EON平面的夹角，高低倾角是指X轴与EON平面的夹角，方位角是指X轴投影到EON平面后的X’轴与N轴的夹角；

所述步骤S4包括：

步骤S4.1：将所述轨检小车坐标系OXYZ中的XOY平面投影到大地坐标系OENH的EON平面上获得X₁O₁Y₁平面，并通过所述参考点的初始坐标值求取所述参考点在X₁O₁Y₁平面内的第一投影点在二维坐标系X₁O₁Y₁中的第一坐标值；

步骤S4.2：以原点O₁为圆心，旋转二维坐标系X₁O₁Y₁得到新的二维坐标系X₂O₂Y₂，并通过所述第一坐标值求取所述参考点在X₂O₂Y₂平面内的第一投影点在二维坐标系X₂O₂Y₂中的第二坐标值；

其中，X₂轴与大地坐标系OENH中的N轴平行，Y₂轴与大地坐标系OENH中的E轴平行，旋转角度为步骤S2中获得的方位角；

步骤S4.3：将X₂O₂Y₂平面进行坐标平移得到X₃O₃Y₃平面，使所述X₃O₃Y₃平面与大地坐标系中的EON平面重合，根据所述参考点在大地坐标系OENH中的坐标值和在平移得到的所述第一投影点在二维坐标系X₃O₃Y₃中的第三坐标值，求取X₂O₂Y₂平面的平移量；

步骤S4.4：根据步骤S4.1至步骤S4.3中所述参考点在各个坐标系中的坐标值以及所述平移量，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式；

步骤S4.5：根据步骤S2获得的所述相对位置关系以及步骤S3获得的所述参考点在大地坐标系的最终坐标值，求取所述参考点在所述轨检小车坐标系XOY平面上的第二投影点在所述大地坐标系中H轴上的第四坐标值，即第二投影点的高程；

步骤S4.6：根据所述轨检小车坐标系中任一点与所述第二投影点的相对关系，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式；

步骤S4.7：根据步骤S4.4获得的所述初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式和步骤S4.6获得的所述初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式，合并得到所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值与对应的最终坐标值的对应关系式。

2.一种基于坐标投影的三维坐标转换装置，其特征在于，包括：

坐标系建立模块，用于建立轨检小车坐标系和大地坐标系；

相对位置获取模块，用于通过测量获得所述轨检小车坐标系与大地坐标系的相对位置关系；其中相对位置关系包括所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；

参考点获取模块，用于选取参考点，并直接测量出参考点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值和在所述大地坐标系中的最终坐标值；

对应关系推导模块，用于根据所述相对位置获取模块获得的所述相对位置关系以及参考点获取模块获得的所述参考点的初始坐标值和最终坐标值，求取所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值通过坐标投影、坐标旋转和坐标平移后获得对应的最终坐标值的对应关系式；

应用模块，用于测量轨道检测目标点在所述轨检小车坐标系中的初始坐标值，并代入对应关系推导模块得出的所述对应关系式中，获得轨道检测目标点在所述大地坐标系中的最终坐标值，即所述轨道检测目标点在大地坐标系中的平面坐标和高程；

所述坐标系建立模块具体用于：以轨检小车的双轮梁和单轮梁的交点为坐标原点O，以双轮梁所在直线为X轴，以单轮梁所在直线为Y轴，以Z轴垂直于XOY平面建立轨检小车坐标系OXYZ，其中，以轨道里程增加方向为X轴正轴方向，以所述单轮梁相对于坐标原点O所在方向为Y轴正轴方向，以垂直于XOY平面向上的方向为Z轴正轴方向；以地心大地坐标系OENH为所述大地坐标系；

所述相对位置获取模块具体用于：通过直接测量获得所述轨检小车坐标系相对于所述大地坐标系的水平倾角、高低倾角和方位角；

其中，水平倾角是指Y轴与EON平面的夹角，高低倾角是指X轴与EON平面的夹角，方位角是指X轴投影到EON平面后的X’轴与N轴的夹角；

所述对应关系推导模块具体包括平面坐标关系子模块、高程坐标关系子模块和合并子模块；

所述平面坐标关系子模块具体用于：将所述轨检小车坐标系OXYZ中的XOY平面投影到大地坐标系OENH的EON平面上获得X₁O₁Y₁平面，并通过所述参考点的初始坐标值求取所述参考点在X₁O₁Y₁平面内的第一投影点在二维坐标系X₁O₁Y₁中的第一坐标值；以原点O₁为圆心，旋转二维坐标系X₁O₁Y₁得到新的二维坐标系X₂O₂Y₂，并通过所述第一坐标值求取所述参考点在X₂O₂Y₂平面内的第一投影点在二维坐标系X₂O₂Y₂中的第二坐标值；其中，X₂轴与大地坐标系OENH中的N轴平行，Y₂轴与大地坐标系OENH中的E轴平行，旋转角度为步骤S2中获得的方位角；将X₂O₂Y₂平面进行坐标平移得到X₃O₃Y₃平面，使所述X₃O₃Y₃平面与大地坐标系中的EON平面重合，根据所述参考点在大地坐标系OENH中的坐标值和在平移得到的所述第一投影点在二维坐标系X₃O₃Y₃中的第三坐标值，求取X₂O₂Y₂平面的平移量；根据所述参考点在各个坐标系中的坐标值以及所述平移量，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式；

所述高程坐标关系子模块具体用于：根据相对位置获取模块获得的所述相对位置关系以及参考点获取模块获得的所述参考点在大地坐标系的最终坐标值，求取所述参考点在所述轨检小车坐标系XOY平面上的第二投影点在所述大地坐标系中H轴上的第四坐标值，即第二投影点的高程；根据所述轨检小车坐标系中任一点与所述第二投影点的相对关系，求得所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式；

所述合并子模块具体用于：根据平面坐标关系子模块获得的所述初始坐标值中平面坐标值和对应的最终坐标值中平面坐标值的对应关系式和高程坐标关系子模块获得的所述初始坐标值中Z轴坐标值和对应的最终坐标值中H轴坐标值的对应关系式，合并得到所述轨检小车坐标系中任一点的初始坐标值与对应的最终坐标值的对应关系式。