(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221095237 7.1 (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 长沙异强工程科技有限公司 地址 410006 湖南省长 沙市岳麓街道许家 洲路106号锦峰苑二期A区D1栋20 6房 (72)发明人 胡慧异　胡思扬　彭睿思　 (74)专利代理 机构 北京润平知识产权代理有限 公司 11283 专利代理师 唐民 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06T 17/10(2006.01) G06T 7/73(2017.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种任意 点三维坐标的计算方法 (57)摘要 本申请实施例提供一种任意点三维坐标的 计算方法。 本发明用数形结合法， 同时进行交叉 学科研究， 按异强坐标系的规定， 直接输入设计 图纸中已有的、 与任意点P对应的KP、 JP、 HP和LP四 元素， 计算该点的路线整体坐标系三维坐标值P (XP， YP， ZP)； 本发明用异强坐标系模型和算法、 点 域模型和算法、 垂足域模型和算法、 量子数学模 型和算法， 应用计算几何学原理， 用三角函数和 加减乘除四则混合运算方式， 进行路线平曲线的 平面坐标正、 反计算， 计算工作量减少， 计算速度 加快， 计算结果精度更高， 并保证全部测量计算 成果的准确率为百分之百， 可以应用于建设工程 勘察设计、 施工测量、 测量检测全过程。 权利要求书3页 说明书19页 附图8页 CN 115310183 A 2022.11.08 CN 115310183 A 1.一种任意 点三维坐标的计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤100： 建立数据库， 并按异强坐标系的规定， 输入设计图纸中已有 的、 与任意点P对 应的辅助性参数KP、 JP、 HP、 LP， 其中KP是任意中桩， 是描述实体工程中心位置的数据； JP是交 角， 是描述实体工程几何外形的数据； HP、 LP是工程细部尺寸数据； 步骤200： 根据所述任意中桩Kp和平曲线要素子数据库的数据， 计算所述任意中桩的平 面坐标值KP(XK、 YK)和切线方位角qie ‑ang1； 步骤300： 根据所述数据JP、 HP、 LP、 XK、 YK， 计算所述任意 点的平面 坐标值P(XP， YP)； 步骤400： 反算并确定所述已知坐标值任意 点P(XP， YP)对应的垂足中桩A以及偏距 AP； 步骤500： 纵断面计算： 根据竖曲线 要素子数据库的数据， 计算所述垂足中桩A的高程Z1； 步骤600： 横断面计算： 根据横断面坡度、 宽度子数据库的数据与所述垂足中桩A的高程 Z1， 计算所述任意 点的高程ZP； 步骤700： 所述任意 点的三维坐标值是P(XP， YP， ZP)。 2.根据权利要求1所述任意点三维坐标的计算方法， 其特征在于， 所述计算方法是根据 线路与桥隧测 量的各种 特定条件和场景、 结合数据的几何形状发明的、 有针对性的计算方 法， 特点包括： 发明异强坐标系数 学模型和算法， 直接计算基于路线 整体坐标系的三维坐标值； 发明一种量子数学模型和算法， 直接反算和确定所述已知坐标值任意点对应的垂足中 桩及偏距； 所述计算方法适用于路线平曲线的直线、 圆曲线和缓和曲线三种线形 元素； 所述计算方法适用于任意 转角的圆曲线和各种类型的缓和曲线； 所述计算方法适用于道路、 桥梁、 涵洞、 隧道上的任意 点。 3.根据权利要求1所述任意点三维坐标的计算方法， 其特征在于， 所述计算方法的数据 库包括平曲线 要素子数据库， 竖曲线 要素子数据库和横断面坡度、 宽度子数据库。 4.一种点 域模型和算法， 用于计算任意中桩的平面 坐标， 其特 征在于： 点域是点的集合， 是实数域， 点域内的所有点都有共性： 有一个共同的中桩桩号， 相同 的平面坐标值， 相同的切线方位角； 路线平曲线是一个由有限数量点域组成的串珠， 是一条特殊的直线， 箭直的转角为0 °， 弯弓、 弦月的转角不 为0°； 路线平曲线的三种形状弯弓、 弦月和箭直， 分别对应缓和曲线、 圆曲线和直线三种线形 元素； 所述点域模型和算法， 首先用局部平面坐标系计算缓和曲线、 圆曲线的弦长， 用局部极 坐标系计算缓和曲线、 圆曲线的转角， 然后统一按极坐标法， 计算直线、 圆曲线和缓和曲线 任意中桩的平面 坐标。 5.一种任意中桩平面 坐标的计算方法， 其特 征在于， 步骤20 0包括以下步骤： 步骤201： 以一个已知中桩K0为原点， 以所述已知中桩K0切线方向为x轴， 以法线方向为y 轴， 建立局部平面 坐标系， 计算任意中桩在所述局部平面 坐标系中的x、 y值； 步骤202： 以所述已知中桩K0的切线方向为起始边， 建立局部极坐标系， 计算所述任意中 桩在局部极坐标系中的转角和弦切角； 步骤203： 计算所述任意中桩的平面 坐标和切线方位角。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115310183 A 26.一种异强坐标系数学模型和算法， 用于计算任意点的平面坐标或三维坐标， 其特征 在于： 异强坐标系以中桩K为原点， 以路线切线方向或结构物 的短轴线方向为H轴， 以长轴线 方向为L轴， H轴与L轴的交角为J， 异强坐标系是平面 斜交坐标系； 异强坐标系是以数 形结合法为基础、 就 地取材的、 自定义工程 坐标系； 异强坐标系数学模型是一个综合模型， 是对道路、 桥梁、 通涵、 隧道中常用数学模型的 概括和总结， 包容局部平面坐标系和局部 极坐标系； 当J为90 °时， 异强坐标系等同于局部平 面坐标系； 当H或L 值为0时， 异强坐标系等同于局部极坐标系； 异强坐标系数学模型和算法， 属于计算几何学范畴， 即模型总是收敛的， 且不需要进行 训练、 学习， 而是直接利用平面几何学公式计算数 学模型的结果。 7.一种任意点平面坐标的计算方法， 其特征在于： 从异强坐标系， 转换至路线整体坐标 系， 直接计算所述任意 点的平面 坐标值。 8.一种量子数 学模型和算法， 其特 征在于， 模型和算法具有开拓性， 包括： 垂足域是点的集合， 是实数域； 垂足， 平面解析几何学中两条直线正交于该点， 交角≡ 90°整， 是一个没有 大小的点， 是垂足域中的一个特殊点， 垂足域中所有的点 都和垂足一样， 满足近似垂直条件要求； 量子垂足域碰撞模型是一种量子 数学模型， 也是一种平面几何模型， K0是所研究路段已 知坐标值的任意中桩， 是已知点， 连结所述已知坐标值的任意中桩K0和所述已知坐标值任 意点P， 得到已知线段PK0， 然后在所述已知坐标值任意中桩K0切线方向上作所述已知坐 标值 任意点P的垂足B0， 得到异强直角三角形PK0B0； 在所述异强直角三角形中， PK0是异强斜边， PB0是异强正弦边， K0B0是异强余弦边， α0是所述异强斜边PK0与所述任意中桩K0切线方向的 夹角； 然后以量子点域K0为标准， 以所述α0余弦值指引的方向： 当所述α0余弦值为正则向大 桩号方向找到与所述量子点域K0是碰撞关系的量子点域K1， 当所述α0余弦值为负则向小桩 号方向找到与所述量子 点域K0是碰撞关系的量子点域 K1； 建立异强直角三角形PK1B1； α1是所 述异强斜边PK1与所述中桩 K1切线方向的夹角； 按照以上方法， 对于路线平曲线 上点Kn， 都依 次建立异强直角三角形PKnBn， 得到夹角 αn， 直到所述αn满足垂直条件要求 为止； 所述量子几何模型始终是收敛的： αn是判定垂直的定性指标， 当所述αn的值与垂直条件 差值小于1 °时， 其对应的所述量子点域Kn处于核心区； 在核心区内， 所述αn逐渐趋近垂直条 件， 所述量子 点域Kn与量子垂足域A发生碰撞或相交， 当αn的值满足垂直条件时， 所述量子点 域Kn与量子垂足域A相交或重合， 训练结束； 所述异强余弦边Yq是判定垂足的定量指标， 在 核心区外的所述异强余弦边Yq绝对值较大， 在核心区内， 所述异强余弦边Yq绝对值则较小； 随着所述αn逐渐趋近垂直条件， 所述异强余弦边Yq的值达到量子级， 并逐渐趋近0， 所述中 桩Kn也逐渐趋 近所述垂足中桩A的值， 训练结束； 学习率： 将点域作为一个学习率， 模型收敛的速度很慢； 异强余弦边， 是一个动态的值， 是非常合适的学习率取值， 在核心区外的所述异强余弦边绝对值较大， 模型收敛的速度很 快； 在核心区内， 所述异强余弦边绝对值则较小， 模型收敛的速度会变慢； 在所述核心区的 中心地段， 模型收敛的速度会变得越来越慢， 随着 所述αn逐渐趋近垂直条件， 所述异强余弦 边的值达到量子级， 并逐渐趋近0； 总体而言， 选择异强余弦边值作学习率取值， 模 型收敛的 速度由快变慢， 结果 也特别理想；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115310183 A 3