（slam工具）3 GNSS-ECEF-ENU 坐标系下转换

 

 

 

https://github.com/Dongvdong/v1_1_slam_tool

 

链接：https://pan.baidu.com/s/1vQ-GMFRO9iiLUJCUL2sdEQ?pwd=x8pk
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''' gnss 和 enu 坐标系相互转化   '''   import numpy as np from pyproj import Proj, Transformer import pyproj import math     from API_1GetGpsFromIMG import *       use_cgcs2000Towgs84=0 # 大疆采集的rtk默认坐标系是cgcs2000Towgs84 是否需要转化 貌似转化没啥区别 # # WGS-84定义的常数，用于CGCS2000系统（与WGS-84非常接近） # 1-1 def Api_cgcs2000Towgs84(Gnss_in):     # 定义CGCS2000和WGS-84坐标系       cgcs2000 = Proj('epsg:4490')  # CGCS2000的EPSG代码     wgs84 = Proj('epsg:4326')     # WGS-84的EPSG代码       # 使用Transformer进行转换     transformer = Transformer.from_proj(cgcs2000, wgs84, always_xy=True)       # 示例坐标（经度, 纬度, 高度）     #lon, lat, h = 116.391, 39.907, 50.0  # 高度为50米     lon, lat, h = Gnss_in[1], Gnss_in[0], Gnss_in[2]  # 高度为50米           Gnss_out=[-1,-1,-1]     # 进行坐标转换     x, y, z = transformer.transform(lon, lat, h)       Gnss_out=[y,x,z]       #print(f"输入 CGCS2000坐标: 经度={lon}, 纬度={lat}, 高度={h}")     #print(f"输出   WGS-84坐标: 经度={x}, 纬度={y}, 高度={z}")     return Gnss_out # 1-2 def Api_wgs84Tocgcs2000(Gnss_in):     # 定义CGCS2000和WGS-84坐标系     cgcs2000 = Proj('epsg:4490')  # CGCS2000的EPSG代码     wgs84 = Proj('epsg:4326')     # WGS-84的EPSG代码       # 使用Transformer进行转换     transformer = Transformer.from_proj(wgs84,cgcs2000 , always_xy=True)       # 示例坐标（经度, 纬度, 高度）     #lon, lat, h = 116.391, 39.907, 50.0  # 高度为50米     lon, lat, h = Gnss_in[1], Gnss_in[0], Gnss_in[2]  # 高度为50米       # 进行坐标转换     x, y, z = transformer.transform(lon, lat, h)     Gnss_out=[y,x,z]     #print(f"输入   WGS-84坐标: 经度={x}, 纬度={y}, 高度={z}")     #print(f"输出 CGCS2000坐标: 经度={lon}, 纬度={lat}, 高度={h}")     return Gnss_out       #============================================================= # WGS-84定义的常数，用于CGCS2000系统（与WGS-84非常接近） a = 6378137.0  # 长半轴（单位：米） b = 6356752.3142 #f = (a - b) / a f = 1 / 298.257223563  # 扁率  CGCS2000系统 #f = 1 / 298.257223565  # 扁率  WGS-84 e2 = 2*f - f**2  # 第一偏心率的平方   pi = 3.14159265359 # 2-1-1 gps转换到ecef def gnss_to_ecef(lat, lon, h):     """将地理坐标（经度、纬度、高程）转换为ECEF坐标系"""     lat = np.radians(lat)     lon = np.radians(lon)     N = a / np.sqrt(1 - e2 * np.sin(lat)**2)     X = (N + h) * np.cos(lat) * np.cos(lon)     Y = (N + h) * np.cos(lat) * np.sin(lon)     Z = (N * (1 - e2) + h) * np.sin(lat)     return X, Y, Z     # 2-1-2 gps转换到ecef def gnss_to_ecef1(lat_ref,lon_ref,h_ref):     transformer = pyproj.Transformer.from_crs(     {"proj":'latlong', "ellps":'WGS84', "datum":'WGS84'},        {"proj":'geocent', "ellps":'WGS84', "datum":'WGS84'},     )       x_ref, y_ref, z_ref = transformer.transform(lon_ref, lat_ref, h_ref ,radians=False)           to_ecef=[x_ref,y_ref,z_ref]     return to_ecef   #2-2   ''' 功能： # 大地坐标系ECEF转化到gps 输入： 等待转换的ecef  坐标 x, y, z 输出： GPS   坐标 lat, lon, h   ''' def ecef_to_gnss(x, y, z):     x=float(x)     y=float(y)     z=float(z)    # Convert from ECEF cartesian coordinates to    # latitude, longitude and height.  WGS-84     x2 = x ** 2     y2 = y ** 2     z2 = z ** 2       #a = 6378137.0000    # earth radius in meters     #b = 6356752.3142    # earth semiminor in meters     e = math.sqrt (1-(b/a)**2)     b2 = b*b     e2 = e ** 2     ep = e*(a/b)     r = math.sqrt(x2+y2)     r2 = r*r     E2 = a ** 2 - b ** 2     F = 54*b2*z2     G = r2 + (1-e2)*z2 - e2*E2     c = (e2*e2*F*r2)/(G*G*G)     s = ( 1 + c + math.sqrt(c*c + 2*c) )**(1/3)     P = F / (3 * (s+1/s+1)**2 * G*G)     Q = math.sqrt(1+2*e2*e2*P)     ro = -(P*e2*r)/(1+Q) + math.sqrt((a*a/2)*(1+1/Q) - (P*(1-e2)*z2)/(Q*(1+Q)) - P*r2/2)     tmp = (r - e2*ro) ** 2     U = math.sqrt( tmp + z2 )     V = math.sqrt( tmp + (1-e2)*z2 )     zo = (b2*z)/(a*V)       height = U*( 1 - b2/(a*V) )           lat = math.atan( (z + ep*ep*zo)/r )       temp = math.atan(y/x)     if x >=0 :            long = temp     elif (x < 0) & (y >= 0):         long = pi + temp     else :         long = temp - pi       lat0 = lat/(pi/180)     lon0 = long/(pi/180)     h0 = height       return lat0, lon0, h0     def ecef_to_gnss_1(x,y,z):     transformer = pyproj.Transformer.from_crs(     {"proj":'geocent', "ellps":'WGS84', "datum":'WGS84'},     {"proj":'latlong', "ellps":'WGS84', "datum":'WGS84'},     )          lon, lat, h= transformer.transform(x, y, z )           to_gnss=[lat,lon, h]       #print(f"从          ENU坐标: 东={east}, 北={north}, 高={up}")     #print(f"转换后的CGCS2000坐标: 纬度={lat}, 经度={lon},  高度={h}")     return to_gnss       # 3-1 ecef转换到enu ''' 功能： # 大地坐标系 转化到GPS第一帧为原点的本地ENU坐标系 输入： 等待转换的ecef       坐标 x, y, z 作为原点的GPS第一帧   坐标lat0, lon0, h0 输出： 本地第一帧GPS为原点的 ENU 坐标系 xEast, yNorth, zUp   ''' def ecef_to_enu(X, Y, Z, lat_ref, lon_ref, h_ref):     """将ECEF坐标转换为ENU坐标"""       # 参考点的ECEF坐标     Xr, Yr, Zr = gnss_to_ecef(lat_ref, lon_ref, h_ref)           # ECEF到ENU的旋转矩阵     lat_ref = np.radians(lat_ref)     lon_ref = np.radians(lon_ref)           R = np.array([         [-np.sin(lon_ref), np.cos(lon_ref), 0],         [-np.sin(lat_ref)*np.cos(lon_ref), -np.sin(lat_ref)*np.sin(lon_ref), np.cos(lat_ref)],         [np.cos(lat_ref)*np.cos(lon_ref), np.cos(lat_ref)*np.sin(lon_ref), np.sin(lat_ref)]     ])               # ECEF坐标差     dX = X - Xr     dY = Y - Yr     dZ = Z - Zr           # 计算ENU坐标     enu = R @ np.array([dX, dY, dZ])     return enu           # 3-2 enu转换到ecef   ''' 功能： enu坐标转化到ecef坐标 输入： 等待转换的ENU坐标   坐标 xEast, yNorth, zUp GPS第一帧原点      坐标 lat0, lon0, h0 输出： ecef  坐标 x, y, z ''' def enu_to_ecef(east, north, up, lat_ref, lon_ref, h_ref):          # 1 参考GNSS点 转化到ecef     # 定义参考点的CGCS2000坐标（经度, 纬度, 高度）     #lon_ref, lat_ref, h_ref = 116.391, 39.907, 50.0  # 示例参考点     ref_ecef=gnss_to_ecef(lat_ref,lon_ref,h_ref)       ecef_x_ref=ref_ecef[0]     ecef_y_ref=ref_ecef[1]     ecef_z_ref=ref_ecef[2]       # 2 等待转换的enu点变换到到ecef坐标系下相对位移     # 将参考点的地理坐标转换为弧度     lat_ref = np.radians(lat_ref)     lon_ref = np.radians(lon_ref)       # ENU到ECEF的旋转矩阵           R = np.array([         [-np.sin(lon_ref), np.cos(lon_ref), 0],         [-np.sin(lat_ref)*np.cos(lon_ref), -np.sin(lat_ref)*np.sin(lon_ref), np.cos(lat_ref)],         [np.cos(lat_ref)*np.cos(lon_ref), np.cos(lat_ref)*np.sin(lon_ref), np.sin(lat_ref)]     ])       # 将ENU坐标转换为ECEF坐标     # 定义ENU坐标（East, North, Up）     #east, north, up = 100, 200, 30  # 示例ENU坐标     enu_vector = np.array([east, north, up])     ecef_vector = R.T @ enu_vector  # 使用矩阵转置进行旋转         # 将ECEF坐标添加到参考点的ECEF坐标     x = ecef_x_ref + ecef_vector[0]     y = ecef_y_ref + ecef_vector[1]     z = ecef_z_ref + ecef_vector[2]         return x,y,z         # 4-1 将一个gps转换到enu ''' 功能： # gps直接转化到enu坐标系        相对于指定GPS_ref为原点（一般都是第一帧）的enu坐标系 输入： gnss_in   等待转换的GPS   坐标 lat, lon, h gnss_ref  参考原点GPS     坐标 lat_ref, lon_ref, h_ref 输出： enu坐标 x, y, z   ''' def API_gnss_to_enu(gnss_in, gnss_ref):       lat=gnss_in[0]     lon=gnss_in[1]     alt=gnss_in[2]     x, y, z = gnss_to_ecef(lat, lon, alt)       #x1, y2, z3 = gnss_to_ecef1(lat, lon, alt)     lat0=gnss_ref[0]     lon0=gnss_ref[1]     alt0=gnss_ref[2]     e,n,u=ecef_to_enu(x, y, z, lat0, lon0, alt0)           #print(f"ENU coordinates: E={e}, N={n}, U={u}")     return e,n,u     ''' # 原始gnss输入 名字 纬度 经度 高度 DJI_0002.JPG 34.032505638888885 108.76779925 514.638 DJI_0005.JPG 34.03267641666667 108.76781155555555 514.464 DJI_0011.JPG 34.03394725 108.76789833333333 514.635   转化为 纬度 经度 高度 34.032505638888885 108.76779925 514.638 34.03267641666667 108.76781155555555 514.464 34.03394725 108.76789833333333 514.635   ''' def API_data0123_to_data123(data0123):       data123=[]     for data_i in data0123:           data_0=float(data_i[1])         data_1=float(data_i[2])         data_2=float(data_i[3])         data_ii=[data_0,data_1,data_2]         data123.append(data_ii)     return data123     ''' # 将gnss列表集中转换过去enu 输入： 纬度 经度 高度 列表 34.032505638888885 108.76779925 514.638 34.03267641666667 108.76781155555555 514.464 34.03394725 108.76789833333333 514.635 ''' def API_gnss3_to_enu3_List(gnss0Lat1Lon2H_List):       # 4 将gps转滑到enu坐标系     # 4-1 第一帧为参考点     lat0=float(gnss0Lat1Lon2H_List[0][0])     lon0=float(gnss0Lat1Lon2H_List[0][1])     alt0=float(gnss0Lat1Lon2H_List[0][2])     gnss_ref=[lat0,lon0,alt0]     if use_cgcs2000Towgs84:gnss_ref=Api_cgcs2000Towgs84(gnss_ref)     print("参考GNSS位置",gnss_ref)       ENU_List=[]     for gps_i in gnss0Lat1Lon2H_List:           lat=float(gps_i[0])         lon=float(gps_i[1])         alt=float(gps_i[2])         gnss_in=[lat,lon,alt]         if use_cgcs2000Towgs84:gnss_in=Api_cgcs2000Towgs84(gnss_in)                             # 4-2 转化坐标系         e, n, u = API_gnss_to_enu(gnss_in,gnss_ref)         # e=round(e, 3)         # n=round(n, 3)         # u=round(u, 3)         ENU_List.append([e,n,u])         #print("gnss-enu 单位m",name_,"输入经纬度",lat,lon,alt,"转化后的enu",e, n, u )     return ENU_List     # 测试 # Gnss_list_Read = API_read2txt(GPS_txt_name) # 将txt数据去掉第一列 # Gnss0Lat1Lon2H=API_data0123_to_data123(Gnss_list_Read) # ENU_List=API_gnss_to_enu_List(Gnss0Lat1Lon2H)   # 4-2 将一个enu在给定gnss参考原点下转换到gnss ''' 功能： # enu直接转化到gnss坐标系        相对于指定GPS_ref为原点（一般都是第一帧）的enu坐标系 输入： from_enu   等待转换的GPS   坐标 lat, lon, h gnss_ref  参考原点GPS     坐标 lat_ref, lon_ref, h_ref 输出： gnss坐标 lat, lon, h   ''' def API_enu_to_gnss(from_enu,gnss_ref):     e=from_enu[0]     n=from_enu[1]     u=from_enu[2]     lat0=gnss_ref[0]     lon0=gnss_ref[1]     alt0=gnss_ref[2]     # enu转换到ecef 在指定gnss_ref参考点下     x, y, z = enu_to_ecef(e,n,u,lat0, lon0, alt0)       # 从ecef转换到gnss     gnss_=ecef_to_gnss(x,y,z)     return gnss_     ''' # 将enu列表集中转换过去gnss 输入： 参数1 enu_list_Read e n u 列表 0 0 0 1 0 0 1 1 0 参数2 gnss_ref 参考gnss点   输出 gps 位置 ''' def API_enu3_to_gnss3_list(enu_list_Read,gnss_ref):       #gnss_ref=[lat0,lon0,alt0]       print("参考GNSS位置",gnss_ref)       GNSS_List=[]     for enu_i in enu_list_Read:         name_=enu_i[0]         e=float(enu_i[1])         n=float(enu_i[2])         u=float(enu_i[3])         from_enu_=[e,n,u]         gnss_out=API_enu_to_gnss(from_enu_,gnss_ref)         GNSS_List.append([gnss_out[0],gnss_out[1],gnss_out[2]])              return GNSS_List             #5-1 多个txt数据 gnss转化到enu # 第一帧为参考帧 def API_gnss4_to_enu4_List(Gnss_list_Read):      #GPS_txt_name="d1_100mRTKColmap.txt"     # 3读取txt     #Gnss_list_Read = API_read2txt(GPS_txt_name)             # 4 将gps转滑到enu坐标系     # 4-1 第一帧为参考点     lat0=float(Gnss_list_Read[0][1])     lon0=float(Gnss_list_Read[0][2])     alt0=float(Gnss_list_Read[0][3])     gnss_ref=[lat0,lon0,alt0]     if use_cgcs2000Towgs84:gnss_ref=Api_cgcs2000Towgs84(gnss_ref)     print("参考GNSS位置",gnss_ref)       ENU_List=[]     for gps_i in Gnss_list_Read:           lat=float(gps_i[1])         lon=float(gps_i[2])         alt=float(gps_i[3])         gnss_in=[lat,lon,alt]         if use_cgcs2000Towgs84:gnss_in=Api_cgcs2000Towgs84(gnss_in)                   name_=gps_i[0]         # 4-2 转化坐标系         e, n, u = API_gnss_to_enu(gnss_in,gnss_ref)                      # e=round(e, 3)         # n=round(n, 3)         # u=round(u, 3)         ENU_List.append([name_,e,n,u])         #print("gnss-enu 单位m",name_,"输入经纬度",lat,lon,alt,"转化后的enu",e, n, u )         return ENU_List     #5-2 多个txt数据 enu转化到gnss # 第一帧为参考帧 def API_enu4_to_gnss4_list(enu_list_Read,gnss_ref):          #enu_list_Read = API_read2txt(ENU_txt_name)       #gnss_ref=[lat0,lon0,alt0]       print("参考GNSS位置",gnss_ref)       GNSS_List=[]     for enu_i in enu_list_Read:         name_=enu_i[0]         e=float(enu_i[1])         n=float(enu_i[2])         u=float(enu_i[3])           from_enu_=[e,n,u]         gnss_out=API_enu_to_gnss(from_enu_,gnss_ref)         GNSS_List.append([name_,gnss_out[0],gnss_out[1],gnss_out[2]])              return GNSS_List     #def waitUse():     #import numpy as np     #from scipy.spatial.transform import Rotation as R     # 将四元数转换为旋转矩阵     # rotation = R.from_quat([qx, qy, qz, qw])     # rotation_matrix = rotation.as_matrix()       # # 将旋转矩阵转换为欧拉角 (Omega, Phi, Kappa)     # # 摄影测量中通常使用 ZYX 旋转顺序     # omega, phi, kappa = rotation.as_euler('ZYX', degrees=True)     # print("旋转矩阵:\n", rotation_matrix)       # print("Omega:", omega, "Phi:", phi, "Kappa:", kappa)   #=========================================================== # if __name__ == "__main__": #     # 参数 #     # 0-1 gps照片路径 #     img_path_dir="0测试数据/d1_100mRTKColmap/images/gps_images/" #     # 0-2 txt保存的名字       #     # 1-1从照片读取gnss数据 #     Gnss_list=API_read_directory(img_path_dir) #     # 1-2保存gps txt #     GPS_txt_name="data/1GNSS_from_img.txt" #     API_Save2txt(GPS_txt_name,Gnss_list)       #     # 3 gps转化到enu  第一帧参考位置 #     # 3-1 读取GNSS数据 -名字 lat lon h #     enu_list_Read = API_read2txt(GPS_txt_name) #     # 3-2 gnss数据转换为enu #     ENU_List=API_gnss4_to_enu4_List(enu_list_Read) #     # 3-2 保存enu结果  -名字 e n u #     ENU_txt_name="data/2ENU_from_GNSS.txt" #     API_Save2txt(ENU_txt_name,ENU_List)   #     # 4 读取enu数据 转化到 gnss #     # 4-1 获取gnss参考点 - 名字 纬 经 高 #     Gnss_list_Read = API_read2txt(GPS_txt_name) #     img_name=Gnss_list_Read[0][0] #     lat0=float(Gnss_list_Read[0][1]) #     lon0=float(Gnss_list_Read[0][2]) #     alt0=float(Gnss_list_Read[0][3]) #     gnss_ref=[lat0,lon0,alt0] #     if use_cgcs2000Towgs84:gnss_ref=Api_cgcs2000Towgs84(gnss_ref) #     print("参考GNSS位置",gnss_ref) #     # 4-2 获取enu数据集 -名字 e n u #     enu_list_Read=API_read2txt(ENU_txt_name) #     # 4-3 ENU数据转化为gnss数据 #     GNSS_list_from_enu=API_enu4_to_gnss4_list(enu_list_Read,gnss_ref) #     # 4-2 保存gnss结果 名字 纬 经 高 #     GNSS_From_ENU_txt_name="data/3GNSS_From_ENU.txt" #     API_Save2txt(GNSS_From_ENU_txt_name,GNSS_list_from_enu)       #     # 5 数据转化 为3D-3D计算相似变换准备 #     #ENU_List  :名字 e n u 转化为:  e n u #     ENU_List_3=API_data0123_to_data123(ENU_List) # 去掉第一列名字 #     GNSS_list_from_enu_3=API_data0123_to_data123(GNSS_list_from_enu)

　　

数据格式

1GNSS_from_img.txt

?

1 2 3 4 5 6 7 8

DJI_0002.JPG 34.032505638888885 108.76779925 514.638 DJI_0005.JPG 34.03267641666667 108.76781155555555 514.464 DJI_0011.JPG 34.03394725 108.76789833333333 514.635 DJI_0015.JPG 34.03487661111111 108.76796561111111 514.642 DJI_0018.JPG 34.03509530555555 108.76797844444444 514.615 DJI_0022.JPG 34.03506447222222 108.76773913888889 514.582 DJI_0025.JPG 34.03463080555555 108.76770336111112 514.66 DJI_0028.JPG 34.03403180555556 108.76765755555556 514.578

　　

2ENU_from_GNSS.txt

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9

DJI_0002.JPG 0.0 0.0 0.0 DJI_0005.JPG 1.136502194718024 18.94471263835052 -0.1740283354476304 DJI_0011.JPG 9.150887116507509 159.92076256807346 -0.005018428985010814 DJI_0015.JPG 15.364189902744634 263.01664813277375 -0.0014604668066482418 DJI_0018.JPG 16.54936288252069 287.2768610609836 -0.029513647144568722 DJI_0022.JPG -5.551516671578071 283.8564433571913 -0.062340937273717145 DJI_0025.JPG -8.855791726698286 235.74893956148208 0.01762175801103183 DJI_0028.JPG -13.086242906526223 169.3006810553214 -0.06226821051640741 DJI_0031.JPG -17.473255978463847 97.30275378560809 -0.09176870888806832

　

3GNSS_From_ENU.txt

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

DJI_0002.JPG 34.03250563926396 108.7677992500047 514.6380141189607 DJI_0005.JPG 34.03267641704175 108.76781155556024 514.4640141184373 DJI_0011.JPG 34.03394725037507 108.76789833333802 514.635014120011 DJI_0015.JPG 34.03487661148619 108.76796561111581 514.6420141205874 DJI_0018.JPG 34.03509530593064 108.76797844444913 514.6150141188659 DJI_0022.JPG 34.035064472597305 108.76773913889359 514.58201412093 DJI_0025.JPG 34.03463080593064 108.76770336111582 514.6600141209601 DJI_0028.JPG 34.03403180593064 108.76765755556025 514.5780141181838 DJI_0031.JPG 34.033382778152856 108.76761005556025 514.5470141202469 DJI_0035.JPG 34.032533167041734 108.7675511111158 514.6610141190716 DJI_0041.JPG 34.03248758370841 108.7671833611158 514.8310141174146 DJI_0042.JPG 34.03248605593062 108.76717719444913 514.781014119351