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        基于北斗導(dǎo)航信息的洞穴三維地圖機(jī)械繪圖軟件建模研究

        2023-06-08 05:14:34李峰金永喆范文捷張巍
        機(jī)電信息 2023年11期
        關(guān)鍵詞:場(chǎng)景自然界洞穴

        李峰 金永喆 范文捷 張巍

        摘要:傳統(tǒng)地圖為二維地圖,三維地圖建立比較困難,特別是自然界實(shí)物三維地圖,尺寸變換規(guī)則度不高。為克服自然界實(shí)物三維地圖信息建立比較困難的問題,以自然界洞穴為例,提出了通過國(guó)產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行地理位置信息采集,同時(shí)利用激光測(cè)距儀進(jìn)行斷面形狀尺寸信息采集,利用機(jī)械類三維繪圖軟件SolidWorks建立洞穴三維地圖模型的方法。首先建立了河南省鄭州市某地洞穴的三維地圖模型,然后以地圖模型及場(chǎng)景對(duì)比分析驗(yàn)證了方法的合理性、正確性,為后期其他自然界實(shí)物三維地圖的建立提供了參考。

        關(guān)鍵詞:三維地圖;自然界;洞穴;北斗導(dǎo)航;場(chǎng)景

        中圖分類號(hào):P237? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號(hào):1671-0797(2023)11-0026-06

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.007

        基金項(xiàng)目:河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于北斗導(dǎo)航的人形機(jī)器人群航道智能規(guī)劃位姿自動(dòng)生成技術(shù)研究”(222102210307);鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 虛擬實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)項(xiàng)目;鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院? 創(chuàng)客空間建設(shè)資助項(xiàng)目

        0? ? 引言

        地圖在人類社會(huì)生產(chǎn)生活、工作學(xué)習(xí)中發(fā)揮著重要作用。隨著CAD技術(shù)的飛速發(fā)展以及測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步,電子地圖技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。電子地圖技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)結(jié)合,能夠?yàn)槿祟惿a(chǎn)生活、工作學(xué)習(xí)帶來更大的便利,因此現(xiàn)在越來越受到各個(gè)國(guó)家的重視,成為研究的重點(diǎn)[1]。北京時(shí)間2020年6月23日,我國(guó)北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功,我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成[2]。北斗導(dǎo)航信息在電子地圖中的應(yīng)用已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,但現(xiàn)在主要集中在地圖信息的二維應(yīng)用上,三維電子地圖信息的應(yīng)用較少,而且主要集中在美國(guó)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與城市電子地圖結(jié)合的應(yīng)用上,如現(xiàn)在比較成熟的有美國(guó)Google公司的Google Earth軟件、MapInfo公司的MapInfo軟件、Bentley公司的MicroStation軟件、加拿大的CLRview軟件、瑞士的CyberCity Modeler軟件以及我國(guó)的Mablockquote GIS軟件、VRMablockquote軟件[3-4]。我國(guó)武漢市測(cè)繪研究院盧丹丹等人[5]將全景地圖應(yīng)用在了城市三維建模中;武漢大學(xué)朱欣焰等人[6]建立了室內(nèi)的地理環(huán)境;重慶郵電大學(xué)空間信息系統(tǒng)研究中心劉兆宏等人[7]制作了室內(nèi)矢量地圖;山東理工大學(xué)徐紅舉等人[8]利用激光與二維碼建立了貨物配送地圖;無錫學(xué)院宋仁波等人[9]提出了一種基于多源數(shù)據(jù)集成的城市建筑物三維建模方法;何潔等人[10]提出了一種適用于商業(yè)化地圖服務(wù)的三維實(shí)景建模技術(shù);陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院廖章回等人[11]提出了用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量的城市戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境三維建模技術(shù)。雖然三維地圖建模信息已基本成熟,但可以發(fā)現(xiàn),目前對(duì)自然界自然事物的三維地圖建模技術(shù)缺少研究。

        因洞穴三維地圖信息難以采集,而且我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)剛剛趨于成熟,因此將洞穴三維地圖結(jié)合北斗信息的研究還未見報(bào)道。本文介紹了一種新的三維洞穴地圖建模方法,將洞穴空間信息結(jié)合我國(guó)北斗地理信息系統(tǒng),使用國(guó)家2000坐標(biāo)系統(tǒng),利用設(shè)計(jì)的山洞斷面尺坐標(biāo)采集裝置,運(yùn)用激光探測(cè)系統(tǒng),利用機(jī)械類三維實(shí)體造型軟件SolidWorks軟件,建立了河南省鄭州市某洞穴三維地圖,通過洞穴三維地圖不僅可以得到洞穴空間尺寸,還可以得到洞穴北斗導(dǎo)航地理位置信息。

        1? ? 洞穴三維地圖建模原理

        本洞穴三維地圖建模的原理是利用軟件繪出山洞斷面模型,利用激光測(cè)距儀收集山洞內(nèi)部斷面信息,利用北斗導(dǎo)航儀收集測(cè)量點(diǎn)位置信息;然后將收集到的山洞斷面信息分別輸入山洞斷面模型,通過軟件繪出,形成斷面草圖;接著根據(jù)收集到的測(cè)量點(diǎn)位置信息數(shù)據(jù),通過軟件繪出測(cè)量路徑;最后把測(cè)量路徑和斷面草圖融合,繪出洞穴三維地圖。

        2? ? 洞穴三維地圖建模過程

        山洞地理形狀特殊,規(guī)則性較差,一般建筑特征的斷面設(shè)計(jì)難以應(yīng)用于山洞,因此要設(shè)計(jì)一種既能夠繪出山洞的斷面形狀,采集山洞的北斗定位信息,又能夠通用于不規(guī)則形狀繪制的方法。經(jīng)過實(shí)地走訪勘測(cè)、觀察,設(shè)計(jì)了一種通用方法。但同時(shí)由于山洞形狀特殊,因此尺寸參數(shù)涉及較多,將山洞等洞體地理信息分為兩部分,一部分為測(cè)量點(diǎn)所在的位置,另一部分為測(cè)量點(diǎn)所在位置的截面形狀、尺寸。一般山洞內(nèi)部的形狀如圖1所示。測(cè)量點(diǎn)所在的位置可通過北斗導(dǎo)航儀測(cè)得,以國(guó)家2000坐標(biāo)為例,表示為X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、海拔高度H,其中,X為北斗導(dǎo)航國(guó)家2000坐標(biāo)系X坐標(biāo),Y為北斗導(dǎo)航國(guó)家2000坐標(biāo)系Y坐標(biāo),H為北斗導(dǎo)航國(guó)家2000坐標(biāo)系海拔高度H坐標(biāo),而測(cè)量點(diǎn)所在位置的截面形狀可通過圖1中山洞斷面尺寸確定,基本信息設(shè)計(jì)為:通過激光測(cè)距儀測(cè)出a、b、c、d、e、f、g、h,根據(jù)圖1得到的A、B、C、D、E、F、D、G、H、J點(diǎn),連接AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HJ、JA,即可得到山洞等洞體的通用截面圖形。

        測(cè)量人員可以在洞內(nèi)一邊行走一邊測(cè)量,測(cè)量點(diǎn)之間位置越近,后面建模得到的三維地圖越準(zhǔn)確,但后期建模的勞動(dòng)量也越大,測(cè)得的數(shù)據(jù)可用表格表示。由于地球尺寸巨大,為百萬級(jí)別,而軟件內(nèi)部所用尺寸最大為萬級(jí)別,為方便建模,坐標(biāo)需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果及建模對(duì)象對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)取相應(yīng)數(shù)量級(jí)結(jié)果處理,具體見下面實(shí)驗(yàn)。一般建立模型時(shí)取X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的前5位,這樣建立出來的模型既不失真,又能反映地理坐標(biāo),將x坐標(biāo)加上3 800 000,即可得X坐標(biāo),y坐標(biāo)加上1 970 000,即可得Y坐標(biāo)。x為建模所取坐標(biāo)x,y為建模所取坐標(biāo)y,建模所取坐標(biāo)h為胸前中心至地面高度。假定各采集位置及截面尺寸信息已得,打開SolidWorks軟件平臺(tái),新建零件,進(jìn)入模型地圖建立截面。

        先插入基準(zhǔn)面到3D草圖,然后繪制點(diǎn),將繪制的1點(diǎn)現(xiàn)有幾何關(guān)系在平面上刪除,修改繪制點(diǎn)的坐標(biāo)為已知位置坐標(biāo),繪制好1點(diǎn),然后繪制2點(diǎn),修改繪制2點(diǎn)的坐標(biāo)為已知位置坐標(biāo);繼續(xù)重復(fù),畫出余下空間點(diǎn),本示例共有7個(gè)位置的信息,畫出7點(diǎn),如圖2所示空間點(diǎn)。接著依次連接1點(diǎn)、2點(diǎn)、3點(diǎn)、4點(diǎn)……直至完成路徑繪制,如圖2所示路徑。過2點(diǎn)插入基準(zhǔn)面1,基準(zhǔn)面1與1點(diǎn)和2點(diǎn)連線垂直,如圖3所示。重復(fù)在3、4、5、6、7點(diǎn)插入基準(zhǔn)面2、3、4、5、6,如圖3所示其他基準(zhǔn)面。

        在基準(zhǔn)面1上作2點(diǎn)處截面圖形d1,基準(zhǔn)面2上作3點(diǎn)處截面圖形d2,并依次作出其他截面d3~d6(圖4);然后依次從截面1放樣到截面6(圖5),加入材質(zhì),即可形成洞體三維模型(圖6)。各截面形狀如圖7(a)~(f)所示。

        這種地圖模型建立方法簡(jiǎn)單方便,使利用SolidWorks等機(jī)械類三維軟件對(duì)山洞等洞體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模成為可能,為后期使用機(jī)器人進(jìn)入內(nèi)部采集數(shù)據(jù)后建立洞體地圖奠定了基礎(chǔ)。此種方法建立的地圖內(nèi)部不但有地形信息,更添加了國(guó)家2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息,為以后我國(guó)工程應(yīng)用提供了方便。

        3? ? 實(shí)驗(yàn)研究

        3.1? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        本文介紹的洞穴三維地圖建模方法所使用的山洞斷面尺寸坐標(biāo)采集裝置主要包括北斗導(dǎo)航定位設(shè)備和洞內(nèi)距離尺寸采集裝置。北斗導(dǎo)航定位設(shè)備為ICEGPS 610北斗衛(wèi)星導(dǎo)航儀(圖8),該導(dǎo)航儀15星定位,支持北京54、西安80、國(guó)家2000常用坐標(biāo)格式快速轉(zhuǎn)換;洞內(nèi)距離尺寸采集裝置采用SNDWAY激光測(cè)距儀(圖9)。

        3.2? ? 實(shí)驗(yàn)流程

        根據(jù)圖10實(shí)驗(yàn)流程,本實(shí)驗(yàn)首先需要實(shí)驗(yàn)員進(jìn)入山洞,熟悉所測(cè)山洞環(huán)境,勘查山洞內(nèi)部具體情況,然后利用北斗導(dǎo)航儀進(jìn)行位置信息采集,利用激光測(cè)距儀采集山洞橫截面信息,并對(duì)一些特殊斷面進(jìn)行標(biāo)記、處理,再通過三維建模軟件進(jìn)行地圖建模,得到三維地圖模型。

        圖11為根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程所設(shè)計(jì)的山洞斷面尺寸及坐標(biāo)采集盒,該采集盒已申請(qǐng)并授權(quán)專利,專利號(hào):CN201921858441.X。

        3.3? ? 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象

        為了驗(yàn)證所提基于北斗導(dǎo)航的洞穴三維地圖建模方法的合理性和有效性,對(duì)鄭州市尖崗村某洞穴進(jìn)行勘測(cè)與建模,勘測(cè)場(chǎng)景如圖12所示。

        從圖12明顯可以看出,洞穴與城市環(huán)境信息不同,洞穴截面的不規(guī)則性導(dǎo)致其三維地圖的建立更加困難,要建立一種既能表達(dá)洞穴等復(fù)雜環(huán)境,又能展示地理位置信息的地圖更加繁雜。

        3.4? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        根據(jù)圖10中的實(shí)驗(yàn)流程,勘測(cè)出洞穴內(nèi)部環(huán)境,通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航儀、激光測(cè)距儀得到參數(shù)如表1所示。

        表1中,X、Y、K表示采集斷面位置X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、海拔高度H,x、y是X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的最后三位,a、b、c、d、e、f、g、h分別為圖3所示采集位置距離洞壁面各個(gè)方位的距離。據(jù)表1建立模型如圖13所示。

        圖13分別為各界面定位信息,因?yàn)槭褂密浖挝粸楹撩祝珜?dǎo)航系統(tǒng)單位為米,如為米級(jí)繪制,則模型極大,因此可用毫米級(jí)別表示。圖14為實(shí)時(shí)采集各信息時(shí)山洞內(nèi)部各處環(huán)境,經(jīng)對(duì)比可以看出,通過勘測(cè)出洞穴內(nèi)部信息,結(jié)合勘測(cè)環(huán)境建立的尖崗村某洞穴三維地圖,不僅很好地與實(shí)際洞穴內(nèi)部環(huán)境融合,而且還能展示洞穴某些特殊位置的特殊信息。該地圖基于我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng),采用國(guó)家2000坐標(biāo)系建立,直觀、形象地展示了所處位置的環(huán)境地理信息,體現(xiàn)了地理環(huán)境勘測(cè)與三維地圖構(gòu)建的有效性、合理性。

        4? ? 結(jié)論與展望

        本文介紹了一種利用機(jī)械類三維建模軟件SolidWorks建立洞穴三維地圖的方法,將北斗地理信息系統(tǒng)和三維建模技術(shù)結(jié)合,建立了一種包含洞穴空間尺寸和洞穴北斗導(dǎo)航地理位置信息的三維地圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該方法建立的洞穴三維地圖信息更加豐富全面,能夠勝任洞穴復(fù)雜場(chǎng)景下的三維地圖構(gòu)建,能夠應(yīng)用于洞穴等復(fù)雜環(huán)境的地圖導(dǎo)引,后期如與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)洞穴三維地圖自動(dòng)采集、自動(dòng)生成,對(duì)于推動(dòng)空間地圖技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

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        收稿日期:2023-03-24

        作者簡(jiǎn)介:李峰(1981—),男,河南南陽人,博士研究生在讀,副教授,研究方向:北斗導(dǎo)航應(yīng)用及機(jī)器人導(dǎo)航控制。

        通信作者:金永喆(1966—),男,韓國(guó)全羅北道群山人,博士,教授,研究方向:機(jī)器人路徑規(guī)劃、人工智能與自動(dòng)駕駛汽車。

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