一种露天矿山无人化三维地图生成方法及系统与流程

1.本发明涉及一种露天矿山无人化三维地图生成方法及系统，属于可视化和和实时生成技术领域。


背景技术：

2.露天矿山无人化运输作业的特殊性和复杂性，导致露天矿山无人化运输管理系统的实现面临诸多技术挑战，其中高效地监控矿山中车辆实时运行状态对实现无人化管理至关重要，地图具有的空间特征使其成为实现监控功能的有效载体。
3.现有研究存在一些问题和局限性：现有技术中使用无人机作为采集地理数据的工具，侧重点在于快速更新，而采集数据的质量受地形覆盖情况、天气等影响较大，且拍摄范围不能精确控制。对露天矿山的一般行驶道路和区域无法区分识别，不适用露天矿无人运输场景。
4.现有技术中还有一种较为通用的三维地图切片处理，运用抽稀算法处理降低数据量对于区域范围较小的露天矿山而言较为复杂和耗时。
5.现有技术中的可视化方法使用条件判断将用户输入的组合条件数据与数据储存单元中的数据一一对比，筛选相等结果再输出至用户端浏览器，此方法中空间运算频繁计算量大，可视化系统的效率较低。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种露天矿山无人化三维地图生成方法及系统。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种露天矿山无人化三维地图生成方法，包括：多方位多角度的采集露天矿山的不同时空尺度的多源地理数据，根据所述多源地理数据建立包括矢量类型的专题业务地图、栅格类型的影像图、栅格类型的地形图的露天矿山地理模型；将露天矿山地理模型中矢量类型的专题业务地图经车端处理后存储为专题业务地图数据；将露天矿山地理模型中栅格类型的影像图、栅格类型的地形图依次进行融合处理和切片处理，得到jpeg格式的影像图瓦片数据和json格式的地形图瓦片数据；采集待定位节点车辆的位置和姿态，将所述位置和姿态由空间数据单元和属性数据单元读取数据，进行坐标系转换和属性整合，得到动态地图数据；通过前端获取浏览的坐标范围，根据所述坐标范围以及获取的地图缩放级别参数获取对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据，将对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据、专题业务地图数据以及动态地图数据在前端拼接叠加得到三维地图。
8.进一步的，所述多方位多角度的采集露天矿山的不同时空尺度的多源地理数据，包括：
获取车辆上安装的激光雷达在工作中扫描得到的地形扫描数据；对无人机定时巡航获得的航片数据；所述地形扫描数据和所述航片数据组成多源地理数据。
9.进一步的，所述融合处理，包括：将多源地理数据转化到地理参考坐标系统；对转化坐标系后的多源地理数据进行过滤，去除噪声点以及离群点，提取特征点构建三维点云模型；对三维点云模型进行分析，生成tin网格数据，根据tin网格数据构建高精dem数据；从公开平台上获得公开的dem数据，与所述高精dem数据融合，得到tiff格式的融合dem数据。
10.进一步的，在与所述高精dem数据融合时，数据坐标范围重合部分采用高精dem数据融合，周边区域采用公开的dem数据，用于建立更大覆盖范围的三维地形。
11.进一步的，所述切片处理，包括：融合dem数据在不同的比例尺寸级别下，通过切割的方式划分为相同大小的瓦片单元，形成金字塔状的多分辨率层次模型；所述多分辨率层次模型中从瓦片金字塔底层到顶层表示的地理范围不变，下一级瓦片是由上一级的各瓦片四叉分割而成；瓦片的地图原点坐标是经度-180度,纬度90度，位于第一级瓦片的左下角。
12.进一步的，每个所述影像图瓦片数据的文件是256*256像素的，采用级、行、列方式组织为散列文件集进行存放，每个瓦片具有唯一的索引编号，瓦片的文件通过web服务器发布为地图服务。
13.进一步的，所述根据所述坐标范围以及级别参数获取对应的瓦片数据，包括：根据所述坐标范围确定经纬度坐标（lng, lat），根据经纬度坐标（lng, lat）和地图级别level计算瓦片行列号坐标（tilex， tiley），其公式为：tilex= (lng 180)/360
×
2leveltiley= (1/2
−
ln(tan(lat
×
π/180) sec(lat
×
π/180))/2
×
π)
×
2level；根据瓦片行列号坐标获取对应的瓦片数据。
14.进一步的，设备发生空间或属性更新时，车机端发送消息通知机群，此时获取最新的空间和属性数据并在前端对同一标识设备重新渲染，刷新实时信息。
15.进一步的，还包括：地图展示，包括：地图加载时所述三维地形默认位于最底层，影像图层和专题业务图层依次向上叠加贴合到三维地形上，高度随地形数据中的高程变化，其中表示矿山中的装载、卸载区域、道路，节点的图层按面、线、点的叠加次序依次向上，动态地图数据位于最上层，将动态地图数据结构化，渲染为矿山内设备图标和信息面板。
16.一种露天矿山无人化三维地图生成系统，包括：构建模块，用于多方位多角度的采集露天矿山的不同时空尺度的多源地理数据，根据所述多源地理数据建立包括矢量类型的专题业务地图、栅格类型的影像图、栅格类型的地形图的露天矿山地理模型；第一处理模块，用于将露天矿山地理模型中矢量类型的专题业务地图经车端处理
后存储为专题业务地图数据；第二处理模块，用于将露天矿山地理模型中栅格类型的影像图、栅格类型的地形图依次进行融合处理和切片处理，得到jpeg格式的影像图瓦片数据和json格式的地形图瓦片数据；第三处理模块，用于采集待定位节点车辆的位置和姿态，将所述位置和姿态由空间数据单元和属性数据单元读取数据，进行坐标系转换和属性整合，得到动态地图数据；叠加模块，用于通过前端获取浏览的坐标范围，根据所述坐标范围以及获取的地图缩放级别参数获取对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据，将对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据、专题业务地图数据以及动态地图数据在前端拼接叠加得到三维地图。
17.本发明所达到的有益效果：本系统接收、处理来自车端定位装置及接口提供的动态数据，将遥感影像、无人机航片与数字高程模型地形信息有效结合形成三维地图，在其基础上实现实时属性信息和高精度空间信息的显示，供无人化露天矿山管理员远程监控矿山内设备运行状况，提高管理效率。
附图说明
18.图1是本发明系统实现流程图；图2是本发明中三维地形处理的流程图；图3是本发明地图模型切片的原理图；图4是本发明系统中多源地图叠加示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.一种露天矿山无人化三维地图生成方法，如图1所示，包括：步骤s1. 采集获取建模基础数据，构建三维地理模型。利用地形扫描设备或无人机进行多方位多角度采集获取的不同时空尺度的多源地理数据，建立露天矿山地理模型。
21.步骤s2. 地理模型存储及处理。接收车端采集处理后的地图文件，导入空间数据库，在存储为不同类型的要素表。对影像和三维地形等多种地理数据进行融合处理和切片处理，方便后续可视化时使用。切片后获得瓦片目录文件，发布为地图服务。
22.步骤s3. 传感器采集监控数据。利用gnss（全球导航卫星系统）采集待定位节点车辆的位置和姿态，将采集的数据由空间数据单元和属性数据单元读取数据后传输至数据库服务器，数据库服务器存储空间数据单元和属性数据。空间数据单元和属性数据单元读取数据，传输至服务器上。传感器将监测数据通过gps、北斗卫星、移动数据网络等通信方式传输到服务器，服务器自动接收数据并存储在对应的数据库表中。
23.步骤s4.数据可视化。前端通过浏览的坐标范围，根据地图缩放级别参数请求对应的瓦片数据在前端拼接显示三维地图，展示矿山三维地形结构，查看时可任意缩放、移动和旋转。同时前端对接收的监控数据结构化，渲染为矿山内设备图标和信息面板。同一标识的设备发生空间或属性更新时，发送消息通知机群获取最新数据并在前端重新渲染，刷新实
时信息。
24.地图缩放级别参数，一般是0-20级，每个级别下地图有对应的空间分辨率（屏幕上一个像素所代表的实际地面距离），级别越高，空间分辨率越小。0级时地图显示范围最大，可查看全球地图。级别增加时，地图放大，显示区域变小。级别参数是从前端浏览器获取，用户查看地图时放大到第几级，即为当前级别。通过用户的浏览器窗口确定地图查看级别和矩形坐标范围，以此二者为参数计算需要请求的瓦片。
25.步骤s1，多种地理数据融合生成三维地形，如图2所示，具体步骤如下：s11，挖掘、运输、辅助车辆上安装的激光雷达在工作中扫描得到的原始三维点云数据，通过一系列算法对原始数据进行过滤，去除噪声点以及离群点，提取特征点等处理，建立三维点云模型。无人机定时巡航获得的航片进行筛选后，建立密集点云。
26.s12，将采集数据转化到地理参考坐标系统，从中提取关键信息进行模型构建。通过对点云数据的分析，生成tin网格数据，再通过内插等构建dem（数字高程模型）数据；s13，从公开平台如地理空间数据云上获得公开的30米精度的dem数据，与步骤s12生成的自采集的高精dem数据融合，当数据坐标范围重合时以自采数据为主，公开数据为次，建立更大覆盖范围的地形模型。融合后的三维地形导出为tiff格式。
27.步骤s2中，地形切片处理的方法如图3所示，具体为：地图在不同的比例尺级别下，通过切割的方式划分为相同大小的瓦片单元,形成金字塔状的多分辨率层次模型。从瓦片金字塔底层到顶层表示的地理范围不变，下一级瓦片是由上一级的各瓦片四叉分割而成，等级越高，组成地图的瓦片数越多，可以展示的地理内容越详细。瓦片地图的原点(origin)坐标是-180度,90度，位于0，0号瓦片的左下角。
28.地图服务在使用过程中需要获取特定经纬度所在区域的瓦片，即进行经纬度坐标与瓦片坐标、像素坐标的转换。
29.根据请求的经纬度坐标（lng, lat）和地图缩放级别（level）计算瓦片行列号坐标（tilex， tiley），其公式为：tilex=(lng 180)/360
×
2leveltiley=(1/2
−
ln(tan(lat
×
π/180) sec(lat
×
π/180))/2
×
π)
×
2level根据瓦片行列号坐标获取对应的瓦片数据。
30.切片后数据存储为png格式，每个瓦片文件是256*256像素的。采用“级、行、列”方式组织为散列文件集存放在服务器端，每个瓦片具有唯一的索引编号。瓦片文件通过web服务器发布为地图服务。
31.步骤s3中通过传感器采集监控数据，具体为：其中高精度定位装置搭载安装于被采集车辆上，采集位置数据。通信模块将获取的地形信息、位置信息进行预处理和坐标变换后，通过时间同步，将大地坐标下的三维高精度位置发送给服务器装置。
32.车载终端系统获取车辆行驶状况、车载设备运行状态等属性信息发送给服务器装置。
33.服务器将监控信息通过事件流平台进行消息传递至前端。
34.步骤s4数据可视化示意图如图4所示，进一步包括：服务器对空间数据的存储方法具体为：影像和地形切片数据以分级文件目录形式
存储在磁盘；图层要素矢量数据以空间表方式存储在空间数据库；实时信息以关系表方式存储在属性数据库。
35.前端地图展示通过三维地形、静态、动态等不同类型的地图数据叠加，使平面数据更加趋向于立体，表达内容更加丰富。
36.地图加载时地形默认位于最底层，其他静态、动态图层覆盖其上。s2步中建立的地形瓦片地图在客户端的显示,是根据客户端请求的可视范围和级别，通过计算行列号获取对应级别下网格的瓦片。客户端通过基于http的rest接口，指定拼接域名 文件编号索引来请求瓦片，如客户端在分辨率级别z下对第x行y列瓦片的请求为[瓦片服务url]/z/x/y.png。被请求到的瓦片在客户端平铺形成一张描述高程数据的地形地图。
[0037]
静态的影像图层和专题业务地图层依次向上叠加贴合到地形上，高度随地形数据中的高程变化，其中表示矿山中的装载、卸载区域、道路，节点的图层按面、线、点的叠加次序依次向上。动态的监控数据位于最上层。
[0038]
不同内容的图层上下叠加和压盖时，使用数据增强、透明度、符号化等渲染方式显示。
[0039]
相应的本发明还提供一种露天矿山无人化三维地图生成系统，包括：构建模块，用于多方位多角度的采集露天矿山的不同时空尺度的多源地理数据，根据所述多源地理数据建立包括矢量类型的专题业务地图、栅格类型的影像图、栅格类型的地形图的露天矿山地理模型；第一处理模块，用于将露天矿山地理模型中矢量类型的专题业务地图经车端处理后存储为专题业务地图数据；第二处理模块，用于将露天矿山地理模型中栅格类型的影像图、栅格类型的地形图依次进行融合处理和切片处理，得到jpeg格式的影像图瓦片数据和json格式的地形图瓦片数据；第三处理模块，用于采集待定位节点车辆的位置和姿态，将所述位置和姿态由空间数据单元和属性数据单元读取数据，进行坐标系转换和属性整合，得到动态地图数据；叠加模块，用于通过前端获取浏览的坐标范围，根据所述坐标范围以及获取的地图缩放级别参数获取对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据，将对应的影像图瓦片数据和地形图瓦片数据、专题业务地图数据以及动态地图数据在前端拼接叠加得到三维地图。
[0040]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0041]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0042]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0043]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0044]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。