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摘要

針對(duì)傳統(tǒng)方法沒(méi)有充分考慮誤差修正、導(dǎo)致測(cè)量誤差較大、影響測(cè)繪精度的問(wèn)題,提出基于全站儀的大比例尺地形圖測(cè)繪方法。首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到數(shù)字化成圖所需的相關(guān)信息,設(shè)置兩個(gè)已知點(diǎn)為控制點(diǎn),通過(guò)獲取夾角、斜距等信息運(yùn)算瞄準(zhǔn)點(diǎn)大地坐標(biāo)值,計(jì)算度盤讀數(shù),完成地形數(shù)據(jù)采集;其次分別求出偏心誤差、對(duì)中誤差及對(duì)照誤差參數(shù),采用時(shí)間序列分析方法與正交光柵原理對(duì)誤差進(jìn)行修正,降低觀測(cè)誤差,獲得精確數(shù)據(jù);最后將數(shù)據(jù)以文件的形式進(jìn)行保存,明確邏輯長(zhǎng)度和真實(shí)長(zhǎng)度之間的關(guān)系,忽略實(shí)體形狀,獲取實(shí)體兩端坐標(biāo),得到比例尺變換后的信息,通過(guò)全站儀將信息發(fā)送至計(jì)算機(jī),生成大比例尺地形圖。仿真實(shí)驗(yàn)表明,所提方法觀測(cè)誤差小,測(cè)繪程序簡(jiǎn)便,具有應(yīng)用于實(shí)際的價(jià)值。

引用

[1] 劉強(qiáng). 全站儀的大比例尺地形圖測(cè)繪方法[J]. 測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 38 (06): 592-596.

0 引言

隨著現(xiàn)代信息化的發(fā)展，使得測(cè)量方式得以不斷更新，大比例尺地形圖在數(shù)字測(cè)繪領(lǐng)域中起到了關(guān)鍵作用，其能夠?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)與工程規(guī)劃提供依據(jù)。在此背景下，相關(guān)學(xué)者對(duì)大比例尺地形圖測(cè)繪方法進(jìn)行了大量研究。羅偉國(guó)等 [1] 提出基于微型無(wú)人機(jī)航測(cè)的大比例尺地形圖測(cè)繪方法。在傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，對(duì)微型無(wú)人機(jī)航飛進(jìn)行優(yōu)化研究，根據(jù)無(wú)人機(jī)航行路線布置像控點(diǎn)，獲取正攝影圖與地面高程模型。方留楊等 [2] 針對(duì)高山峽谷區(qū)帶狀地形圖空地設(shè)計(jì)一種一體化測(cè)繪方法。分析地形圖繪制中存在的問(wèn)題，并分別給出相應(yīng)的解決方案，依據(jù)解決方案，提出帶狀地形圖測(cè)繪流程。上述兩種方法憑借其高效的數(shù)據(jù)處理方式為地形圖測(cè)繪提供技術(shù)支持，但是在地形圖測(cè)繪過(guò)程中，部分?jǐn)?shù)據(jù)需要手動(dòng)輸入，地形圖測(cè)繪結(jié)果可靠性較低。并且上述傳統(tǒng)方法沒(méi)有對(duì)地形圖測(cè)繪中涉及的測(cè)量誤差參數(shù)進(jìn)行校正，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，最終造成測(cè)量結(jié)果偏差較大。

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，提出基于全站儀的大比例尺地形圖測(cè)繪方法。該方法的主要研究如下：首先通過(guò)全站儀進(jìn)行角度、距離、坐標(biāo)、放樣等測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，在一定程度上提高了測(cè)繪技術(shù)的精準(zhǔn)性與高效性；然后對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，選取偏心誤差、對(duì)中誤差及對(duì)照誤差參數(shù)作為目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)參數(shù)的誤差進(jìn)行修正，從而降低了誤差，對(duì)獲取的信息進(jìn)行保存與傳輸，借助通信協(xié)議設(shè)置參數(shù)，確保數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定傳輸；最后經(jīng)過(guò)比例尺變換后將數(shù)據(jù)利用全站儀發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，生成圖形或表格文件，完成大比例尺地形圖測(cè)繪。結(jié)果表明，該方法提高了測(cè)繪精度，降低了人工誤差，符合測(cè)繪領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展要求。

1 大比例尺地形圖測(cè)繪1.1 地形數(shù)據(jù)采集

將全站儀的測(cè)圖流程分為數(shù)據(jù)采集、誤差修正、信息保存與傳輸、比例尺變換以及數(shù)字化成圖等流程 [3-4] 。其中，數(shù)據(jù)采集的最終目標(biāo)是得到數(shù)字化成圖所需的相關(guān)信息，包括空間位置與屬性信息。

在大地坐標(biāo)系中，一般包括地物平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù) [5-6] ,可采用x、y、z這3個(gè)坐標(biāo)值進(jìn)行描述。圖1為全站儀采集示意圖。

圖1 全站儀采集示意圖

信息采集時(shí)，必須確定兩個(gè)已知點(diǎn)，這兩個(gè)點(diǎn)是測(cè)量者自行補(bǔ)充測(cè)量的二級(jí)控制點(diǎn)。圖1中，點(diǎn)A、B即為已知控制點(diǎn)，其坐標(biāo)分別是(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB)。假設(shè)點(diǎn)A代表待測(cè)量點(diǎn)，通常在測(cè)量時(shí)會(huì)將全站儀設(shè)置在點(diǎn)O處，稱O點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)。再將測(cè)量標(biāo)桿設(shè)置在B處，將該點(diǎn)稱作“后視點(diǎn)”。角?表示已知邊OB與正北方向之間的夾角。由圖1表示的坐標(biāo)系可知，當(dāng)O、B兩點(diǎn)確定后，則它們之間的夾角也是已知的，稱夾角φ為起始。再?gòu)腂點(diǎn)開(kāi)始，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)全站儀直到瞄準(zhǔn)點(diǎn)A,這時(shí)儀器能夠記錄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度φ。同時(shí)還能獲得O點(diǎn)到A點(diǎn)之間的斜距以及與天頂之間的豎直角度，獲得上述數(shù)據(jù)后，即可計(jì)算A點(diǎn)的大地坐標(biāo)值。

1.2 誤差修正

由于設(shè)備誤差、觀測(cè)誤差以及外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，為此對(duì)一些關(guān)鍵誤差進(jìn)行修正。

1.2.1 偏心誤差 1.2.2 對(duì)中誤差 1.2.3 對(duì)照誤差 1.2.3 對(duì)照誤差 1.3 基于時(shí)間序列與正交光柵的誤差修正

針對(duì)上述在大比例尺地形圖測(cè)繪中產(chǎn)生的偏心誤差、對(duì)中誤差、對(duì)照誤差以及平面位置估計(jì)誤差，采用時(shí)間序列分析方法與正交光柵計(jì)量原理對(duì)誤差進(jìn)行修正，以此來(lái)解決傳統(tǒng)方法由于未充分考慮誤差修正問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，從而提升觀測(cè)誤差。

以相關(guān)數(shù)學(xué)原理與工程技術(shù)理論為基礎(chǔ)，采用時(shí)間序列分析方法對(duì)地形數(shù)據(jù)采集中產(chǎn)生的誤差參數(shù)變量進(jìn)行分析，時(shí)間序列分析方法具有修正點(diǎn)較少的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)測(cè)量點(diǎn)的分布沒(méi)有強(qiáng)制性要求，做到均勻布置即可。

1.4 信息保存與傳輸

經(jīng)過(guò)誤差修正后，獲得精準(zhǔn)的測(cè)繪信息，這些信息需要以文件的形式進(jìn)行保存，保存過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)保存過(guò)程圖

保存數(shù)據(jù)后，設(shè)置通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。全站儀通常利用RS-232C串口信號(hào)接口，完成全站儀和計(jì)算機(jī)之間的互連，數(shù)據(jù)能夠發(fā)送到計(jì)算機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)也可將設(shè)置角度、目標(biāo)數(shù)據(jù)上傳到全站儀。但是在進(jìn)行傳輸之前，必須對(duì)通信協(xié)議參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)如下。

1) 全站儀、計(jì)算機(jī)的通信參數(shù)保持相同。

2) 在兩者連接之前要保證是關(guān)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)確定線纜連接穩(wěn)定后才可開(kāi)機(jī)，避免損壞設(shè)備。

3) 盡可能使用生產(chǎn)廠家提供的通信協(xié)議 [9] 。

通常采集到的數(shù)據(jù)先由計(jì)算機(jī)程序軟件進(jìn)行計(jì)算，再將其傳輸?shù)饺緝x，如圖3所示。

圖3 全站儀上傳過(guò)程圖

上傳要點(diǎn)如下：在設(shè)置好通信參數(shù)后，再進(jìn)行上傳；計(jì)算機(jī)使用的通信協(xié)議需利用生產(chǎn)廠家的初始協(xié)議，并挑選合適的全站儀類型。

1.5 比例尺變換

全站儀系統(tǒng)屬于一個(gè)無(wú)級(jí)縮放系統(tǒng)，需結(jié)合當(dāng)前所處縮放比例，對(duì)用戶需求進(jìn)行及時(shí)跟蹤

在進(jìn)行比例尺變換時(shí)，完全可以忽略實(shí)體形狀，只對(duì)實(shí)體端點(diǎn)進(jìn)行操作即可完成任意實(shí)體的比例尺變換。

1.6 數(shù)字化成像

將經(jīng)過(guò)比例尺變換后的數(shù)據(jù)利用全站儀發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，生成圖形或表格文件。操作流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)下載流程圖

將全站儀獲取的各種地物信息下載到電腦中進(jìn)行展點(diǎn)，此時(shí)需結(jié)合數(shù)字化成像軟件，在進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)與數(shù)學(xué)坐標(biāo) [10] 是相反的，必須將測(cè)量坐標(biāo)系變換為數(shù)學(xué)坐標(biāo)，在展點(diǎn)完成后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成圖。數(shù)字化成圖完成后，若有不清晰的地方，需進(jìn)行修改，使成圖與實(shí)際必須完全相同。之后再對(duì)圖幅進(jìn)行拼接，拼接前需將初始圖保存，避免丟失。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析與研究

為了驗(yàn)證全站儀在大比例地形圖測(cè)繪中的使用性能，選取某地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。該地地勢(shì)高差較大，大多為梯田。本文選用的是徠卡Nova TS50全站儀，徠卡測(cè)量設(shè)備具有精度穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。全站儀的使用程序較為簡(jiǎn)便，對(duì)工作人員的技術(shù)要求不高，且數(shù)據(jù)輸入無(wú)需手動(dòng)輸入，能夠減少人工誤差。

3 結(jié)論

研究了全站儀在大比例尺地形圖中的測(cè)繪方法，經(jīng)過(guò)研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出該方法的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下4點(diǎn)。

1) 利用全站儀精密度高、耐用性強(qiáng)等特征地形中的角度、距離、高度差等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

2) 在確定兩個(gè)已知點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)量斜距與角度獲取未知點(diǎn)坐標(biāo)，完成地形數(shù)據(jù)采集。

3) 求取偏心誤差、對(duì)中誤差及對(duì)照誤差參數(shù)，并采用時(shí)間序列分析方法與正交光柵原理對(duì)誤差進(jìn)行修正，達(dá)到降低觀測(cè)誤差的目的。

4) 通過(guò)分析所提的方法與傳統(tǒng)方法的測(cè)量結(jié)果可以知道，本文方法的測(cè)量結(jié)果誤差均未超過(guò)0.03 m, 且放樣時(shí)間較短。說(shuō)明該方法可以提高測(cè)繪精度，減少計(jì)算時(shí)間，改善數(shù)據(jù)可靠性與批量操作的快捷性，促進(jìn)施工測(cè)量邁向新階段。

但是，不同類型全站儀使用時(shí)字母與符號(hào)表示的含義不統(tǒng)一，不便于標(biāo)準(zhǔn)化、程序化，且通信協(xié)議格式不同。為此，這些方面還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。

（原文有刪減）

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