CN114018154B - 一种工井空间定位定向方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请适用于三维激光扫描技术领域，提供了工井空间定位定向方法、装置及电子设备。该工井空间定位定向方法包括：获取目标工井的点云数据，所述点云数据包含所述目标工井的测站坐标；基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标。本申请在扫描过程中实现了对工井站点的地理空间精确定位和定向，无须考虑工井之间的公共标靶和特征点设置问题，也无须为提供重叠区域而多设测站，因而缩短了工作时间，减轻了工作压力，提升了工作效率；同时，获取的点云集合的精确地理空间位置和方向，为后期的建模和导入数字孪生电网***提供了巨大便利。
Description
技术领域
本申请属于三维激光扫描技术领域，尤其涉及一种工井空间定位定向方法、装置及电子设备。
背景技术
三维激光扫描技术利用激光测距的原理，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段。由于城市配电网常以地下电缆形式敷设，因此对地下工井的全景信息采集、三维建模成为一种全新的数据采集和更新手段，三维激光扫描技术成为一种不可替代的技术手段。
现阶段，确定工井站点的地理空间信息方法通常为在相邻两站间设置扫描重叠区域，并在该区域设置标靶实现点云配准。然而，传统方法配准后目标站点通常不具有正确的地理空间位置和方向。即便扫描仪内部集成有磁罗盘，其精度也难以满足空间定向的精度要求，因此，工井站点在地理空间的定位和定向问题只能通过其他方式来解决。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种工井空间定位定向方法、装置及电子设备。
本申请是通过如下技术方案实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种工井空间定位定向方法，包括：获取目标工井的点云数据，所述点云数据包含所述目标工井的测站坐标；基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标物体对应的空间地理坐标；其中，所述坐标转换关系基于第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标确定，所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标基于第一参照点和第二参照点的空间地理坐标和预设位置关系确定，所述第一参照点和所述第二参照点位于所述目标空间之外，所述第一标靶点和所述第二标靶点位于所述目标空间中，所述预设位置关系表征所述第一参考点和所述第二参考点与所述第一标靶点和所述第二标靶点之间的位置关系。
上述工井空间定位定向方法，基于坐标转换关系将目标工井的测站坐标转换为空间地理坐标，而空间地理坐标是在地球坐标系下的坐标，因此上述工井空间定位定向方法，在扫描过程中实现了对工井站点的地理空间精确定位和定向，无须考虑工井之间的公共标靶和特征点设置问题，也无须为提供重叠区域而多设测站，因而缩短了工作时间，减轻了工作压力，提升了工作效率；同时，获取的点云集合的精确地理空间位置和方向，为后期的建模和导入数字孪生电网***提供了巨大便利。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述方法还包括确定所述坐标转换关系的步骤；所述确定所述坐标转换关系，包括：基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标；从所述点云数据中提取所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标；基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系。
一些实施例中，所述基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标，包括：根据预先测定的第一标靶点和第二标靶点之间的距离和空间方位角，计算出双标靶的地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)；所述空间方位角为所述第一参照点和所述第二参照点对应的空间方位角；将所述距离作为真值对地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)进行平差，得到第一标靶点和第二标靶点的坐标平差值，记为Bg1(XBg1,YBg1,ZBg1)和Bg2(XBg2,YBg2,ZBg2)。
一些实施例中，基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系，包括：将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到；确定所述第二向量/>和第三向量/>之间的旋转角度，所述第三向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标得到；根据所述第一平移量和所述旋转角度确定所述坐标转换关系。
一些实施例中，确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，包括：将所述第二向量/>平移至地理空间坐标系的原点，得到第四向量/>将所述第三向量/>平移至地理空间坐标系的原点，得到第五向量/>对所述第四向量和所述第五向量进行叉乘计算，得到旋转轴向量；根据所述旋转轴向量，确定所述第二向量和所述第三向量之间的旋转矩阵。
一些实施例中，由所述第二向量到所述第四向量的平移量为第二平移量；所述基于坐标转换关系和所述目标物体的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标，包括：根据所述第一平移量和所述第二平移量，对所述目标工井的点云进行平移；基于所述旋转矩阵对平移后的目标工井的点云进行旋转；根据第三平移量对旋转后的目标工井的点云进行平移，得到目标工井的空间地理坐标；其中，所述第三平移量为所述第二平移量的逆向平移量。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述方法还包括：将目标区域中的所有工井的点云集合的测站坐标转化为空间地理坐标，还原所述目标区域中的所有工井之间的连接拓扑关系。
第二方面，本申请实施例提供了一种工井空间定位定向装置，包括：点云数据获取模块，用于获取目标空间中目标工井的点云数据，所述点云数据包含所述目标工井的测站坐标；确定模块，用于基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标；其中，所述坐标转换关系基于第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标确定，所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标基于第一参照点和第二参照点的空间地理坐标和预设位置关系确定，所述第一参照点和所述第二参照点位于所述目标空间之外，所述第一标靶点和所述第二标靶点位于所述目标空间中，所述预设位置关系表征所述第一参考点和所述第二参考点与所述第一标靶点和所述第二标靶点之间的位置关系。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述的工井空间定位定向方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述第一方面中任一项所述的工井空间定位定向方法。
第五方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的工井空间定位定向方法。
第六方面，本申请实施例提供了一种工井定位定向***，包括：第一横杆、第一竖杆、扫描设备和所述的电子设备；所述第一横杆与所述扫描设备通过所述第一竖杆连接；所述第一横杆上的第一参照点上设置有第一设备，第二参照点上设置有第二设备；所述第一设备用于采集第一参照点的空间位置坐标，以及将所述第一参照点的空间位置坐标发送给所述电子设备；所述第二设备用于采集所述第二参照点的空间位置坐标，以及将所述第二参照点的空间位置坐标发送给所述电子设备；所述扫描设备设置在所述第一竖杆上，用于生成目标空间中目标工井的点云数据，以及将所述点云数据发送给所述电子设备。
可以理解的是，上述第二方面至第六方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的工井空间定位定向方法的应用场景示意图；
图2是本申请一实施例提供的工井空间定位定向方法的流程示意图；
图3是本申请一实施例提供的工井空间定位定向扫描装置的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的工井空间定位定向方法的平移操作示意图；
图5是本申请一实施例提供的工井空间定位定向方法的旋转操作示意图；
图6是本申请实施例提供的工井空间定位定向装置的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的工井空间定位定向装置的结构示意图；
图8是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
现阶段，确定工井站点的地理空间信息方法通常为在相邻两站间设置扫描重叠区域，并在该区域设置标靶实现点云配准。然而，传统方法配准后目标站点通常不具有正确的地理空间位置和方向。即便扫描仪内部集成有磁罗盘，其精度也难以满足空间定向的精度要求，因此，工井站点在地理空间的定位和定向问题只能通过其他方式来解决。
基于上述问题，本申请实施例中的工井空间定位定向方法，通过获取目标工井的点云数据，包括目标工井的测站坐标；基于坐标转换关系和目标工井的测站坐标，确定目标工井对应的空间地理坐标。
举例说明，本申请实施例可以应用到如图1所示的示例性场景中。该场景中包括地理信息采集装置10和电子设备20。地理信息采集装置10用于采集目标工井的空间地理信息并将该信息发送给电子设备20，该空间地理信息中可以包括目标工井的测站坐标。电子设备20用于将该测站坐标转化为地理空间的定位定向信息。
例如，电子设备20对目标工井的测站信息结合采集装置10的具体参数进行处理得到坐标转换方式，根据坐标转换方式，得到目标工井点云的空间向量，进一步确定目标工井的地理空间定位定向信息。
本实施例中，电子设备20可以为计算机、手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等终端，本申请实施例对电子设备20的具体类型不作任何限制。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合图1，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本申请一实施例提供的工井空间定位定向方法的示意性流程图，参照图2，对该工井空间定位定向方法的详述如下：
在步骤101中，获取目标工井的点云数据，点云数据包含目标工井的测站坐标。
其中，目标工井的点云数据由扫描装置进行扫描获得。示例性的，扫描装置由井上空间的两个GPS天线，井下空间的两个标靶和扫描仪构成。其中，扫描装置还包括水平横杆、竖杆、水准气泡等附属装置和固定框架，井上空间的两个GPS天线由水平横杆连接，扫描仪通过竖杆与水平横杆连接。
所述基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标，包括：
根据预先测定的第一标靶点和第二标靶点之间的距离和空间方位角，计算出双标靶的地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)；所述空间方位角为所述第一参照点和所述第二参照点对应的空间方位角；
将所述距离作为真值对地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)进行平差，得到第一标靶点和第二标靶点的坐标平差值，记为Bg1(XBg1,YBg1,ZBg1)和Bg2(XBg2,YBg2,ZBg2)。
参见图3，以扫描装置的结构为例。扫描装置的特征在于，井上空间的两个GPS天线(中心点分别为A1,A2)，井下空间的两个标靶(中心点分别为B1、B2)，地上空间GPS天线中心连线A1A2与地下空间标靶连线B1B2平行，双天线连线中心点(C点)与双标靶连线中心点(D点)的连线CD与上述平行线垂直，即A1、A2和B1、B2均关于CD轴线对称。
其中，扫描设备可以通过井上空间的两个GPS天线实现高精度定位，得到A1、A2的空间坐标(XAg1,YAg1,ZAg1)和(XAg2,YAg2,ZAg2),以及A1A2连线的空间方位角，进一步得到C点的空间坐标(XCg,YCg,ZCg)。由于D点位于C点的垂直方向正下方，二者平面坐标完全一致，而高程相差一个竖杆的长度，以C点高程减去预设的竖杆长度得到D点的高程，进而得到D点的空间坐标(XDg,YDg,ZDg)作为扫描装置的测站中心坐标。
由于双标靶连线B1B2与双天线A1A2连线相互平行，二者的地理方位角α相同。根据预设的双标靶连线的长度和空间方位角，得到双标靶的地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)。将预先测定的B1、B2标靶距离作为真值进行平差运算后，得到坐标平差值Bg1(XBg1,YBg1,ZBg1)和Bg2(XBg2,YBg2,ZBg2)。
扫描装置根据工井、电缆、管孔等设施的点云集合，得到B1、B2的测站坐标(点云坐标系)Bs1(XBs1,YBs1,ZBs1)和Bs2(XBs2,YBs2,ZBs2)，将Bs1Bs2记为空间向量
一种场景中，扫描装置将获取的双标靶点的地理空间坐标和测站坐标以及点云的测站坐标向电子设备返回，以使得电子设备执行后续步骤对地理空间坐标和测站坐标的转换关系进行求解，进而将点云的测站坐标转换为地理空间坐标。
在步骤102中，基于坐标转换关系和目标工井的测站坐标，确定目标工井对应的空间地理坐标。
其中，坐标转换关系基于第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标确定，第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标基于第一参照点和第二参照点的空间地理坐标和预设位置关系确定，第一参照点和第二参照点位于目标空间之外，第一标靶点和第二标靶点位于目标空间中，预设位置关系表征第一参考点和第二参考点与第一标靶点和第二标靶点之间的位置关系。
所述确定所述坐标转换关系，包括：
基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标；
从所述点云数据中提取所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标；
基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系。
具体的，确定坐标转换关系的步骤，包括：参见图4，将向量平移，使得标靶点的测站坐标Bs1和空间地理坐标Bg1重合，得到第二向量/>并确定由向量/>到向量/>的平移量；确定向量/>旋转至向量/>之间的旋转角度θ；计算出向量之间的罗德里格斯旋转矩阵，根据平移量和旋转角度确定坐标转换关系。
其中，所述基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系，包括：
将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到；
确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，所述第三向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标得到；
根据所述第一平移量和所述旋转角度确定所述坐标转换关系。
参见图4，向量从测站坐标平移至空间坐标，使得Bs1和Bg1重合，得到第一次平移后的新向量进一步计算出向量/>旋转至与向量/>重合的旋转角θ。
其中，平移量为:
向量的端点坐标分别为Bs1'(XBs1',YBs1',ZBs1')、Bs2'(XBs2',YBs2',ZBs2')，其中：
XBs2'＝XBs2+ΔX1
YBs2'＝YBs2+ΔY1
ZBs2'＝ZBs2+ΔZ1
求解向量旋转至与向量/>重合的旋转角θ，得到：
其中，所述确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，包括：
将所述第二向量平移至地理空间坐标系的原点，得到第四向量/>
将所述第三向量平移至地理空间坐标系的原点，得到第五向量/>
对所述第四向量和所述第五向量进行叉乘计算，得到旋转轴向量；
根据所述旋转轴向量，确定所述第二向量和所述第三向量之间的旋转矩阵。
参见图5，为简化计算，通过罗德里格斯旋转矩阵，将和/>进一步平移至地理空间坐标系的原点O点，得到新向量/>和/>平移量为：
设向量
u＝(XBs2'+ΔX2,YBs2'+ΔY2,ZBs2'+ΔZ2)
v＝(XBg2+ΔX2,YBg2+ΔY2,ZBg2+ΔZ2)
向量叉乘得到旋转轴向量，即w＝u×v为旋转轴：
得到旋转矩阵R
R＝Ecosθ+(1-cosθ)w2+(sinθ)w ⑤
其中，E为三阶单位矩阵。
旋转得到v＝Ru ⑥
其中，由所述第二向量到所述第四向量的平移量为第二平移量；
所述基于坐标转换关系和所述目标物体的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标，包括：
根据所述第一平移量和所述第二平移量，对所述目标工井的点云进行平移；
基于所述旋转矩阵对平移后的目标工井的点云进行旋转；
根据第三平移量对旋转后的目标工井的点云进行平移，得到目标工井的空间地理坐标；其中，所述第三平移量为所述第二平移量的逆向平移量。
一些实施例中，基于图2所示的实施例，上述工井空间定位定向方法还可以包括：
测站中心点D的测站坐标记录为工井地理坐标参考点，点D测站坐标(XDg,YDg,ZDg)，进行第一步平移至D’点，之后进行第二步平移至D”点：
XD"＝XDg+ΔX1+ΔX2
YD"＝YDg+ΔY1+ΔY2
ZD"＝ZDg+ΔZ1+ΔZ2
再按②、③、④、⑤、⑥式对进行罗德里格斯旋转，得到向量之后将/>按第二步平移进行逆操作，得到点D在地理空间的绝对坐标Dg(XD'"-ΔX2,YD'"-ΔY2,ZD'"-ΔZ2)。
以D点为例，对单个点云集合进行测站坐标向地理空间坐标进行转换，得到单个点云的地理空间坐标；确定点云集合中每个工井点云地理空间绝对定位和定向，同时还原现实世界中工井的连接拓扑关系。
上述工井空间定位定向方法，在扫描过程中实现了对工井站点的地理空间精确定位和定向，无须考虑工井之间的公共标靶和特征点设置问题，也无须为提供重叠区域而多设测站，因而缩短了工作时间，减轻了工作压力，提升了工作效率；同时，获取的点云集合的精确地理空间位置和方向，为后期的建模和导入数字孪生电网***提供了巨大便利。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的工井空间定位定向方法，图6示出了本申请实施例提供的工井空间定位定向装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。
参见图6，本申请实施例中的工井空间定位定向装置可以包括点云数据获取模块201和确定模块202。
其中，点云数据获取模块201用于获取目标空间中目标工井的点云数据。确定模块202，用于基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标。
在一些实施例中，参见图7，基于图6所示的实施例，上述确定模块202可以包括平移单元2021、旋转单元2022和矩阵变换单元2023。
平移单元2021，用于将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到。
旋转单元2022，用于确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，得到旋转轴向量。
矩阵变换单元2023，用于跟据所述旋转轴向量，确定所述第二向量和所述第三向量之间的旋转矩阵。
可选的，确定模块202还可以包括：坐标转换单元2024，用于由基于所述旋转矩阵对平移后的目标工井的点云进行旋转；根据第三平移量对旋转后的目标工井的点云进行平移，得到目标工井的空间地理坐标；其中，所述第三平移量为所述第二平移量的逆向平移量。
示例性的，确定单元具体可以用于：
所述基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标；
基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系，包括：
将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到；
确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，其中，所述第三向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标得到；根据所述第一平移量和所述旋转角度确定所述坐标转换关系；
确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，包括：将所述第二向量/>平移至地理空间坐标系的原点，得到第四向量/>将所述第三向量平移至地理空间坐标系的原点，得到第五向量/>
对所述第四向量和所述第五向量进行叉乘计算，得到旋转轴向量；根据所述旋转轴向量，确定所述第二向量和所述第三向量之间的旋转矩阵。
由所述第二向量到所述第四向量的平移量为第二平移量；所述基于坐标转换关系和所述目标物体的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标，包括：根据所述第一平移量和所述第二平移量，对所述目标工井的点云进行平移；基于所述旋转矩阵对平移后的目标工井的点云进行旋转；根据第三平移量对旋转后的目标工井的点云进行平移，得到目标工井的空间地理坐标；其中，所述第三平移量为所述第二平移量的逆向平移量。
可选的，点云获取模块201具体用于：对目标工井进行三维激光扫描，得到目标工井的点云数据。
示例性的，上述对目标工井进行三维激光扫描，得到目标工井的点云数据，包括：
通过扫描装置对目标工井的点云数据进行获取；
根据预先测定的第一标靶点和第二标靶点之间的距离和空间方位角，计算出双标靶的地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)，其中，所述空间方位角为所述第一参照点和所述第二参照点对应的空间方位角；
将所述距离作为真值对地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg10)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)进行平差，得到第一标靶点和第二标靶点的坐标平差值，记为Bg1(XBg1,YBg1,ZBg1)和Bg2(XBg2,YBg2,ZBg2)。
可选的，上述工井定位定向装置还可以包括：整合模块，用于确定点云集合中每个工井点云地理空间绝对定位和定向，同时还原现实世界中工井的连接拓扑关系。
需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种电子设备，参见图8，该电子设备300可以包括：至少一个处理器310、存储器320以及存储在所述存储器320中并可在所述至少一个处理器310上运行的计算机程序，所述处理器310执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤，例如图2所示实施例中的步骤101至步骤102。或者，处理器310执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示模块201至202的功能。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器320中，并由处理器310执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序段，该程序段用于描述计算机程序在电子设备300中的执行过程。
本领域技术人员可以理解，图8仅仅是电子设备的示例，并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如输入输出设备、网络接入设备、总线等。
处理器310可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器320可以是电子设备的内部存储单元，也可以是电子设备的外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。所述存储器320用于存储所述计算机程序以及电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器320还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(ExtendedIndustry Standard Architecture，EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本申请附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。
本申请实施例提供的工井空间定位定向方法可以应用于XX、计算机、可穿戴设备、车载设备、平板电脑、笔记本电脑、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、增强现实(augmented reality，AR)/虚拟现实(virtual reality，VR)设备、手机等电子设备上，本申请实施例对电子设备的具体类型不作任何限制。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现可实现上述工井空间定位定向方法各个实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端执行时实现可实现上述工井空间定位定向方法各个实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/电子设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/网络设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/网络设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种工井定位定向方法，其特征在于，包括：
获取目标工井的点云数据，所述点云数据包含所述目标工井的测站坐标；
基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标；其中，所述坐标转换关系基于第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标确定，所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标基于第一参照点和第二参照点的空间地理坐标和预设位置关系确定，所述第一参照点和所述第二参照点位于所述目标空间之外，所述第一标靶点和所述第二标靶点位于所述目标空间中，所述预设位置关系表征所述第一参照点和所述第二参照点与所述第一标靶点和所述第二标靶点之间的位置关系；
所述方法还包括确定所述坐标转换关系的步骤；
所述确定所述坐标转换关系，包括：
基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标；
从所述点云数据中提取所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标；
基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系；
所述基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系，包括：
将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到；
确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，所述第三向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标得到；
根据所述第一平移量和所述旋转角度确定所述坐标转换关系。
2.如权利要求1所述的工井定位定向方法，其特征在于，所述基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标，包括：
根据预先测定的第一标靶点和第二标靶点之间的距离和空间方位角，计算出双标靶的地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)；所述空间方位角为所述第一参照点和所述第二参照点对应的空间方位角；
将所述距离作为真值对地理空间坐标初值Bg10(XBg1 0,YBg1 0,ZBg1 0)和Bg20(XBg2 0,YBg2 0,ZBg2 0)进行平差，得到第一标靶点和第二标靶点的坐标平差值，记为Bg1(XBg1,YBg1,ZBg1)和Bg2(XBg2,YBg2,ZBg2)。
3.如权利要求1所述的工井定位定向方法，其特征在于，所述确定所述第二向量和第三向量/>之间的旋转角度，包括：
将所述第二向量平移至地理空间坐标系的原点，得到第四向量/>
将所述第三向量平移至地理空间坐标系的原点，得到第五向量/>
对所述第四向量和所述第五向量进行叉乘计算，得到旋转轴向量；
根据所述旋转轴向量，确定所述第二向量和所述第三向量之间的旋转矩阵。
4.如权利要求3所述的工井定位定向方法，其特征在于，由所述第二向量到所述第四向量的平移量为第二平移量；
所述基于坐标转换关系和所述目标物体的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标，包括：
根据所述第一平移量和所述第二平移量，对所述目标工井的点云进行平移；
基于所述旋转矩阵对平移后的目标工井的点云进行旋转；
根据第三平移量对旋转后的目标工井的点云进行平移，得到目标工井的空间地理坐标；其中，所述第三平移量为所述第二平移量的逆向平移量。
5.如权利要求3所述的工井定位定向方法，其特征在于，所述方法还包括：
将目标区域中的所有工井的点云集合的测站坐标转化为空间地理坐标，还原所述目标区域中的所有工井之间的连接拓扑关系。
6.一种工井定位定向装置，其特征在于，包括：
点云数据获取模块，用于获取目标空间中目标工井的点云数据，所述点云数据包含所述目标工井的测站坐标；
确定模块，用于基于坐标转换关系和所述目标工井的测站坐标，确定所述目标工井对应的空间地理坐标；其中，所述坐标转换关系基于第一标靶点和第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标确定，所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标基于第一参照点和第二参照点的空间地理坐标和预设位置关系确定，所述第一参照点和所述第二参照点位于所述目标空间之外，所述第一标靶点和所述第二标靶点位于所述目标空间中，所述预设位置关系表征所述第一参照点和所述第二参照点与所述第一标靶点和所述第二标靶点之间的位置关系；
所述确定模块具体用于：基于所述第一参照点和所述第二参照点的空间地理坐标以及预设位置关系，确定所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标；从所述点云数据中提取所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标；基于所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标和测站坐标，确定所述坐标转换关系；
所述确定模块具体用于：将第一向量平移，使得其中一个标靶点的测站坐标和空间地理坐标重合，得到第二向量/>并确定由所述第一向量到所述第二向量的第一平移量；其中，所述第一向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的测站坐标得到；确定所述第二向量/>和第三向量/>之间的旋转角度，所述第三向量由所述第一标靶点和所述第二标靶点的空间地理坐标得到；根据所述第一平移量和所述旋转角度确定所述坐标转换关系。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的方法。
8.一种工井定位定向***，其特征在于，包括：第一横杆、第一竖杆、扫描设备和如权利要求7所述的电子设备；
所述第一横杆与所述扫描设备通过所述第一竖杆连接；
所述第一横杆上的第一参照点上设置有第一设备，第二参照点上设置有第二设备；所述第一设备用于采集第一参照点的空间位置坐标，以及将所述第一参照点的空间位置坐标发送给所述电子设备；所述第二设备用于采集所述第二参照点的空间位置坐标，以及将所述第二参照点的空间位置坐标发送给所述电子设备；
所述扫描设备设置在所述第一竖杆上，用于生成目标空间中目标工井的点云数据，以及将所述点云数据发送给所述电子设备。
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