岳建平,曾寶慶,郭騰龍,董 杰
(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)
GB-Radar與測量機(jī)器人數(shù)據(jù)融合方法研究
岳建平,曾寶慶,郭騰龍,董 杰
(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)
測量機(jī)器人(georobot)是一種能代替人進(jìn)行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)及影像等信息的電子全站儀,亦稱測地機(jī)器人[1]。測量機(jī)器人應(yīng)用靈活,適用于多種監(jiān)測環(huán)境和變形體,但該系統(tǒng)采樣頻率和空間分辨率低,觀測時間長,實(shí)時性和同步性差,難以滿足大范圍快速、高精度形變監(jiān)測的要求[2-4]。
基于GB-Radar的IBIS-S系統(tǒng),通過微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測范圍內(nèi)的變形數(shù)據(jù),利用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)提高雷達(dá)的距離向分辨率,通過干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)沿雷達(dá)視線向優(yōu)于毫米級的微變形監(jiān)測[5-8]。GB-Radar具有高空間分辨率、高采樣頻率和高監(jiān)測精度等特點(diǎn),更適合大面積、多測量點(diǎn)的變形監(jiān)測環(huán)境,且能對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測,但該系統(tǒng)只能得到雷達(dá)視線向的一維變形量[9-12],與工程實(shí)際需要的三維變形不一致,因此,有必要將視線向的一維變形量通過一定的數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)化為工程需要的三維變形量。
本文研究GB-Radar與測量機(jī)器人的監(jiān)測數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和融合方法,以期得到工程所需的高精度的三維變形量。
數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將兩個或兩個以上坐標(biāo)系中的三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算過程。測量機(jī)器人觀測量是三維變形量,GB-Radar觀測量是雷達(dá)視線向的一維變形量(LOS),為進(jìn)行兩種系統(tǒng)監(jiān)測量配準(zhǔn),需要探討兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
圖1為GB-Radar坐標(biāo)系OLBH和測量機(jī)器人測站坐標(biāo)系OXYZ的空間關(guān)系。變形量是相對值,與原點(diǎn)位置無關(guān),因此,可以將兩種坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至同一點(diǎn)。
圖1 GB-Radar坐標(biāo)系OLBH和測站坐標(biāo)系OXYZ的空間關(guān)系
測站坐標(biāo)系OXYZ以測站點(diǎn)為原點(diǎn),X軸指向零方向并平行水平面,Z軸指向天頂距方向,Y軸垂直于X軸和Z軸形成的平面構(gòu)成右手系。GBRadar坐標(biāo)系OLBH以雷達(dá)天線中心為原點(diǎn),雷達(dá)視線向?yàn)锽軸,L軸垂直B軸并且平行水平面,H軸垂直于L軸和B軸形成的平面構(gòu)成右手系。α為雷達(dá)視線向在XOY面的投影與測站坐標(biāo)系Y軸的夾角,β為雷達(dá)視線向B軸與測站坐標(biāo)系Z軸的夾角。
GB-Radar觀測到的一維變形量在GB-Radar坐標(biāo)系OLBH下用[0ΔBg0]T表示,測量機(jī)器人觀測到的三維變形量在測站坐標(biāo)系OXYZ下用[ΔXΔYΔZ]T表示,將測站坐標(biāo)系下的三維變形量[ΔXΔYΔZ]T轉(zhuǎn)換為GB-Radar坐標(biāo)系下的三維變形量[ΔLrΔBrΔHr]T,轉(zhuǎn)換關(guān)系如下
式中,R為三階旋轉(zhuǎn)矩陣,如圖1可知,兩坐標(biāo)系只有兩個旋轉(zhuǎn)參數(shù)α和(90°-β),將坐標(biāo)系OXYZ繞Z軸順時針旋轉(zhuǎn)α角,再將坐標(biāo)系OXYZ繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn)(90°-β)角,則兩坐標(biāo)系經(jīng)過兩次坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)完全重合。根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)關(guān)系,式(1)的旋轉(zhuǎn)矩陣為
式中,α與β可由GB-Radar雷達(dá)天線中心和監(jiān)測點(diǎn)連線構(gòu)成的向量在測站坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)計(jì)算得到。將旋轉(zhuǎn)矩陣R代入式(1)可將測站坐標(biāo)系OXYZ三維變形量轉(zhuǎn)換為GB-Radar坐標(biāo)系OLBH的三維變形量。
測站坐標(biāo)系OXYZ三維變形量轉(zhuǎn)換為GBRadar坐標(biāo)系OLBH的三維變形量數(shù)學(xué)關(guān)系如式(1)所示,通過旋轉(zhuǎn)矩陣R可完成兩種不同坐標(biāo)系監(jiān)測數(shù)據(jù)坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一,為兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
GB-Radar觀測值為一維變形量,測量機(jī)器人觀測值為三維變形量,故兩種監(jiān)測系統(tǒng)只有雷達(dá)視線方向(即B方向)的變形量可利用最小二乘估計(jì)進(jìn)行融合。
數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后,設(shè)GB-Radar在B方向觀測值為ΔBg,觀測誤差為Δg,測量機(jī)器人B方向觀測分量為ΔBr,觀測誤差為Δr。若在一個GB-Radar觀測周期內(nèi)的實(shí)際變形值為ΔB,則GB-Radar觀測量基礎(chǔ)方程為
式中,Wg、Wr為系數(shù)矩陣;σ0為單位權(quán)中誤差;Qg、Qr為協(xié)因數(shù);Pg、Pr為權(quán)。
計(jì)算ΔB的最小二乘估計(jì)值Δ^B,就是使如下的關(guān)系式達(dá)到最小值
對于單個測點(diǎn)的情況,有Wg=Wr=I,I為單位矩陣,則可求得最小二乘估計(jì)值
測量機(jī)器人在OLBH坐標(biāo)系下B方向的變形分量用式(7)計(jì)算得到的最小二乘估計(jì)值Δ^B來代替,則測量機(jī)器人在坐標(biāo)系OLBH下的三維變形量為[ΔLrΔ^BΔHr]T,最后把該三維變形量變換到測站坐標(biāo)系
式(8)中的[ΔXΔYΔZ]T即為融合后的測站坐標(biāo)系OXYZ下的三維變形值。
為了檢驗(yàn)融合方法的有效性,設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲取測量機(jī)器人和GB-Radar監(jiān)測數(shù)據(jù),采用文中所述的最小二乘估計(jì)法進(jìn)行融合,然后對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
1.試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)采用IBIS-S系統(tǒng)和索佳NET05測量機(jī)器人為監(jiān)測儀器。試驗(yàn)中用金屬三面角反射器(3個可移動角反射器CR1、CR2、CR3)作為監(jiān)測點(diǎn),角反射器距離監(jiān)測儀器50 m以內(nèi),IBIS-S系統(tǒng)采用靜態(tài)觀測模式。試驗(yàn)過程分兩個階段,按表1所述的移動方案,利用安裝在角反射器的游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)精確移動角反射器(遠(yuǎn)離儀器)。IBIS系統(tǒng)每次監(jiān)測2 min,同時利用測量機(jī)器人對角反射器采用全圓觀測法觀測3測回,記錄斜距、水平角和垂直角。
表1 角反射器移動方案mm
2.結(jié)果分析
將兩種監(jiān)測系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到GB-Radar坐標(biāo)系一維變形量ΔBg和測量機(jī)器人在GB-Radar坐標(biāo)系下雷達(dá)視線向(B方向)形變量ΔBr,以及兩種監(jiān)測系統(tǒng)的中誤差,利用文中所述數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算雷達(dá)視線向B方向的GB-Radar與測量機(jī)器人變形量的最小二估計(jì)值,結(jié)果見表2。
表2 兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)在B方向的最小二乘估計(jì)值mm
表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合結(jié)果mm
分析表2、表3可知,測量機(jī)器人空間變形量與設(shè)置值最大偏差為0.8 mm,變形監(jiān)測精度優(yōu)于1 mm。GB-Radar監(jiān)測結(jié)果與設(shè)置值最大誤差為0.48 mm,變形監(jiān)測精度優(yōu)于0.05 mm,GB-Radar監(jiān)測精度高于測量機(jī)器人。由于GB-Radar雷達(dá)視線向監(jiān)測精度較高,利用最小二乘估計(jì)的方法融合了GB-Radar和測量機(jī)器人的變形觀測值,使監(jiān)測點(diǎn)的三維變形量包含了兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形信息,誤差明顯下降,最大監(jiān)測誤差也由0.8 mm降為0.29 mm,監(jiān)測精度由毫米級變?yōu)閬喓撩准墸岣吡藴y量機(jī)器人的三維變形監(jiān)測精度。
GB-Radar和測量機(jī)器人在監(jiān)測技術(shù)上互為補(bǔ)充,兩種技術(shù)的融合將突破單一監(jiān)測技術(shù)的限制。本文通過分析GB-Radar和測量機(jī)器人兩種監(jiān)測系統(tǒng)模型的關(guān)系,建立了兩種變形監(jiān)測量數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合的數(shù)學(xué)模型。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn),利用兩種監(jiān)測儀器對可移動角反射器進(jìn)行監(jiān)測,試驗(yàn)表明,GBRadar用于變形監(jiān)測的精度優(yōu)于毫米級,高于測量機(jī)器人,融合了GB-Radar監(jiān)測量和測量機(jī)器人三維變形量的監(jiān)測點(diǎn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù),使得最大監(jiān)測誤差從0.8 mm降為0.29 mm,監(jiān)測精度達(dá)到了亞毫米級。
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Study on Data Fusion of GB-Radar and Georobot
YUE Jianping,ZENG Baoqing,GUO Tenglong,DONG Jie
分析Ground-based Radar(GB-Radar)與測量機(jī)器人變形監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn),以及兩種監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)融合所帶來的優(yōu)勢。通過分析兩種監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)系,建立了這兩種變形監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合的數(shù)學(xué)模型。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn),獲取了GB-Radar與測量機(jī)器人對角反射器的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,對GB-Radar雷達(dá)視線向一維變形量與測量機(jī)器人三維變形量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到的監(jiān)測點(diǎn)三維監(jiān)測數(shù)據(jù),最大監(jiān)測誤差明顯降低,監(jiān)測精度達(dá)到亞毫米級。
GB-Radar;測量機(jī)器人;變形監(jiān)測;數(shù)據(jù)配準(zhǔn);數(shù)據(jù)融合
P258
B
0494-0911(2014)10-0033-03
2013-11-11
國家自然科學(xué)基金( 41174002;41304025)
岳建平(1963―),男,江蘇溧陽人,教授,主要從事精密工程測量及變形監(jiān)測的教學(xué)和研究工作。
岳建平,曾寶慶,郭騰龍,等.GB-Radar與測量機(jī)器人數(shù)據(jù)融合方法研究[J].測繪通報(bào),2014(10):33-35.
10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0322