三门县建设测量大队浙江317100
摘要:随着我国工程建设领域行业的不断发展,测绘工程的技术水平也得到了显著的提升,尤其是在数字测图方面,在作业模式上不仅实现了多元化,同时科技化、数字化、智能化的信息采集,也保证了数字测图工作目标的高效完成。全站仪是数字测图常用到的设备,自身具备高精度,以及使用方便灵活的优势特征,测量技术人员,可通过卫星、差分技术等,在短期内实现理想的精度定位。另外在全站仪的基础上,组合其他先进测量技术,如GNSS-RTK卫星定位系统等,可显著提升数字测图工作完成的理想程度。对此本文就数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK的有效利用展开分析,希望对于我国测绘工程的可持续发展,起到积极促进的作用。
本文讨论了数字测图以及应用到测量设备的相关理论基础、使用方法、对内外工作的实践与优缺点内容,并结合实例进行分析,总结出了结论与见解,希望对数字测图工作的实践起到参照性的作用。
关键词:数字测图;测绘工程;GNSS-RTK;全站仪
一、绪论
数字测图主要是指通过全解析机助测图技术,将以往纸绘的地形图,转变成以计算机为载体的数字化地形图,继而实现对野外的实地测量。计算机可对数字地形信息进行传输与处理等操作,与模拟测图来说,还有着很大的发展空间,尤其是在经济性、劳动强度、工作效率等方面,都要符合当前信息时代发展的需求与特征,从而更好的保证测绘数据的利用率与更新程度。
(一)数字测图概念及基础分析
地图,属于古老、有效持续沿用,来表达地表现象的方式,是对自然界世界、社会人文位置,以及空间特性等信息,最为直接的表达方式。数字测图主要是对地形数据采集和成图过程自动化或半自动化,尽量缩短外业时间,将大部分内容在室内完成,将大量手工作业转化为计算机控制下的自动操作,不仅能减轻工作量,并能保证数据的精度要求;其中表达形式包括以下几种;第一、数字线划图(DLG),指在以往地形图的基础上,将地理要素,分成储存的矢量数据集,地形图也就是所谓的数字线划图。第二、数字栅格地图(DRG),是指利用已有纸质等地形图,经过扫描、几何纠正、色彩处理等方式,使其在精度、比例等方面,与地形图统一的数字栅格地图。第三、数字正摄影像图(DOM),是指将航空像片、遥感影像,利用像元纠正,按照图幅要求裁切,继而形成影像数据。第四、数字高程模型(DEM),是指将有序数值阵列形式,对地面高程进行表示,使其形成实体地面。
数字测图系统性质属于地形空间数据测绘系统,主要是指以计算机为核心,在输入输出设施的支持下,对地形空间数据信息进行采集、输入、成图、处理、绘图、输出、管理的测绘系统。主要包括地面、航空测图,以及数字成图等;属于地形测量领域的新技术,自身具备精度高、操作便利等优势,尤其是在全站仪等其他测量设备的布置等方面,其便利性有效的降低了工作强度与工作量,积极推动了数字化测量技术发展的步伐[1~4]。
(二)全站仪的测量原理探究
全站仪,即全站型电子测距仪(ElectronicTotalStation),是一种集测距装置、测角装置和微处理器为一体的数据采集设备,能通过电子手簿或直接实现记录、存储和输出的测量仪器。全站仪主要由五个系统组成:控制系统、测角系统、测距系统、记录系统和通讯系统。主要功能包括角度测量、距离测量、坐标测量、后方交交会测量、放样测量、对边测量以及悬高测量;全站仪工作原理如图1-1所示;
图1-1全站仪工作原理图
全站仪在一个测站上能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作,较完善的实现了测量和数据处理过程中的电子化和一体化。具有小型、轻巧、精密、耐用、操作方便、精度更高等特点。被广泛应用于测绘、建筑、交通与水利等工程项目。
作为专业技术人员,仪器就是我们的眼睛一样,应该珍惜和爱护。为保证全站仪的正常工作,延长使用寿命,在操作时应注意以下几点:
1、开工前,检查仪器设施牢固程度。
2、仪器装卸要紧握提手,仪器的提取、装箱,都要紧握提手、底座,不可触碰显示单元下方位置以及镜筒,避免内固件损伤,继而降低精度。仪器使用结束后,要盖好物镜罩,擦去灰尘并固定,无障碍合箱。
3、阳光下测量,应注意避免直接将物镜对准太阳,并安装滤光镜。
4、三脚架尽量选择木制架,避免金属架振动,对测量精度的干扰。
5、当观测距离较远时,仪器的搬运,应当先将仪器卸下、装箱,牢固后搬运。当观测距离较近时移动,仪器的搬运要保持直立放置。
6、仪器故障应当及时修理,继而保证仪器使用寿命。
7、元件应及时维护、保持清洁,仪器透镜表面,要用毛刷扫去灰尘,利用无线棉布,沾取酒精后,沿透镜中心,向外按顺序擦拭擦拭。
8、湿环境中作业,结束后装箱前要做好清洁工作,擦去仪器表面水分、灰尘。
9、外环境相对较冷时,需将仪器搬出室外,放置一段时间后,再开箱观测应用。
(三)GNSS-RTK原理简述
GNSS(全球导航卫星系统),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,是综合全球导航卫星构建的全天候无线电导航系统。该系统的发展,经过了单频、双频、双星以及多星历程,在军事、民用导航、测绘、GIS等方面有着突出的贡献。GNSS仪器与常规仪器(经纬仪、全站仪)相比,在通视要求、作业距离、误差积累、气候影响、独立性、光线影响、精度、数据采集方式等方面,有着明显的优点。其主要包括空间部位(提供星历与时间信息,发射伪距与载波信号,以及提供其他辅助信息)、用户部分(接收卫星信号,记录处理数据,提供导航定位信息)与地面控制部分(中心控制系统,实现时间同步,对卫星进行跟踪与定轨)。
GNSSRTK测量,分为单机站RTK测量和网络RTK测量,单机站测量主要是架设一台接收机作为基准站(1+1或1+2),链接一台或几台流动站接收机器;两站同时接收某GPS卫星发射的信号,将基准站接收的数据观测值,与已知位置信息对比,将获得的网络差分改正值,利用无线电数据电台传输给流动站,由流动站进行数据精化,继而得出精准的实时数据[5~8]。在已建立连续运行基准站(CORS)的地区,用户经过申请、注登记、册,获得系统服务中心授权后,可采用网络RTK进行测量,相对于单机站RTK,网络RTK不受距离约束、定位精度较为均匀、可靠性较好。减少了选点架设基准站和参数设置等时间,极大的提高了工作效率。
二、全站仪联合GNSS-RTK的数字测图的实施简述
(一)外业工作实施分析
外业施测流程包括以下几点;第一、单机站RTK测量方式,是临时架设一个或是多个基准站,在小范围内利用电台、GPRS、CDMA等通讯方式,项流动站用户发送差分改正数的方式。第二、网络RTK测量用户,在城市CORS系统服务中心注册登记,获取系统权限后,得到系统服务,此时网络RTK测量用户,可以系统上,对服务区域内进行网络RTK测量。第三、平坦区域直接利用RTK进行数据采集并绘制草图,对于隐蔽和困难区域,用RTK布设图根点,辅助全站仪进行测绘,最后导入计算机生成最终数据。第四、施测前对中央子午线、椭球参数等进行设置,在已知点上检核点位精度。第五、全站仪数据采集后,在计算机导出数据后,以.DAT格式进行储存。第六、用绘图软件根据野外草图绘制成图。其中.DAT格式数据文件储存,如图2-1所示;
(二)内业工作实施分析
数字测图内业工作实施流程,主要包括以下几点;第一、借助指定的绘图软件,设置成图比例尺,进行各项参数设置。第二、参数输入;将坐标数据文件选择,实现对数据的读取。第三、展绘控制点;数据文件通过“展野外测点点号”进行测点点号的处理。第四、绘制地表实物;首先对边界点,或是公路等实物进行绘制,对草图性状进行初步的绘制;然后绘制标志性的建筑物等。第五、高程点处理;将数据文件通过“展高程点”超链接实现展绘,并对高程点进行合理的删选。
(三)质量检测及评定方式
数字测图评价内容,主要是指对地物识别、地形类型、地物分层、测量精度、涵盖元素、数据格式、表示方法以及地图数字性等精确性与完善程度进行评价,继而使其达到理想的测绘效果。其质量评价的原则,包括测量要素保证完整,测量结果要确保精确、科学与真实,结果评价要公平公正、可靠,结果分类要保证可靠、合理,测量过程方面,要确保其自动化。
数字测图质量评价指标体系,一级指标(用A编号)包括技术基础、数据规范、测量精度;二级指标(用B编号)包括等级许可、技术先近性、方法科学性、技术操作性以及数学精度、物理精度、逻辑精度等,三级指标(用C编号)包括设备情况、设计观念、可行性认可度、用户认证指标以及平面测量、高程测量、图根点、地理位置精度等。借助质量评价体系指标,对数字测图进行质量评定,结果显示与数据比较,超过90%的数据均符合限差要求。
(四)优缺点探析
1、优点
优点主要体现在几下几方面;第一、测站间省略了通视、建标等工作,节省了大量的工作量,以及人力物理财力等资源的浪费。第二、GNSS-RTK技术,可实现对观测点的三维位移测定,同时能以检查大地高来保证精度。第三、可全天候观测;该测量技术不受气候、地质等方面的影响,同时可全天候观测,提高了测量的便利性。第四、自动化程度高;网络RTK测量设备对于数据信息的接收是自动化的,同时也提高数字测图的精度。
2、缺点
GNSS-RTK技术,在应用的过程中,尤其是在地质勘察,以及监控等环节仍存在缺陷,其缺点主要的几下几方面;第一、全地域定位测量效果不理想;测量定位精度规范中,有着明确的表示;测站高角度(15°)以上,不能存在遮挡物;与信号干扰源保持一定的距离,另外测站周围,不能具备信号反射物,但是在实践中,并不能满足以上精度要求,直接增加了测量的工作难度。第二、RTK测量技术对环境要求较高;针对于地质灾害发生几率较高的环境中,利用GNSS-RTK技术,部分信号会被遮挡物影响,继而产生多路径误差,降低了测量的精度。第三、数据计算相对繁琐;虽然GNSS-RTK结合全站仪,在工作效率、质量等方面得到了显著的提升,但是在计算等方面也增加了复杂程度,尤其是在两站间的载波相位观测数据计算方面,误差源的增加,直接降低了计算的精度。
三、数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK利用案例分析
(一)区域介绍
本次测量地点为三门六敖区域,以凤凰山农场为测区中心,南北长度、东西长度分别约为9km、2km,测区面积18.168km2,测区主要为平原地区,地势相对较平坦,风积地貌相对普及,测区交通便利。已有资料为2012年台州市大地基准框架测量布置的GPSC级点三个,坐标系统采用地方独立坐标系,高程基准为1985国家高程基准(二期)。
(二)技术标准分析
作业技术标准,包括以下几点;第一、CJJ82-99《城市测量规范》;第二、《城镇地籍调查规程》(TD1001-1993年);第三、《地籍图图式》(CH5003-1994);第四、《测绘产品质量评定标准》(CH10032-1995);第五、《卫星定位城市测量技术规范》(CJJ/T73-2010)。
(三)设备简述
投入的仪器为TrimbleR8-4GNSS网络RTK(二套),已在浙江CORS注册登记并得到授权。全站仪设备为徕卡TCR-802(两台),测图目的是为土地整理提供完整的资料。
(四)联合作业过程分析
联合作业内容主要体现在图根控制点,以及碎部点的测量工作,实践流程主要体现在以下几点;第一、对GNSS-RTK进行各类参数设置,包括中央子午线、椭球参数、当地坐标系转换参数等。第二、先观测数分钟进行初始化测量。第三、与所测卫星连续跟踪,做到不失锁,此时移动接收机可在观测点进行测量。涉及到的村庄、密林、等复杂地形的测量,信号接收不稳定的区域,均由全站仪完成数据采集工作。
1、布设控制点
根据测量区域的实际地形地貌等情况,基本参数设置完成后,掌握测区范围的实际情况,依据《卫星定位城市测量技术规范》等标准,布设网络RTK控制网,控制网网形分别如图3-1、3-2所示
开始作业前,在已知点I067和I138进行了检核,检核结果分别为1.5cm和2.6cm,符合规范规定。作业时GNSS卫星接收信号良好,精度较高,PDOP值小于4,固定解平面收敛精度小于1cm,高程收敛精度小于2cm。控制点观测四个测回,每测回观测时间30个历元。每测回观测结束后,都对仪器重新进行初始化,测回间的时间间隔大于60秒。以四次观测成果的平均值作为最终成果。
2、碎部点采集
RTK碎部点采集以二人为一组,一人采集数据,一人绘制草图。测绘内容为水系、居民地及设施、交通、管线、地貌、植被与土质要素等。各类要素采集要求应按照规范要求进行。
全站仪采集碎部点,按三人为一个工作组,以领尺员为核心。作业组的仪器配备:全站仪1台、对讲机、花杆一根,10米钢卷尺一把。出测之前,先将作业区的已知点准备好,应先了解测站周围地形、地物分布,并及时画草图,以便观时标明所测碎部点的位置及点号。仪器在测站点上设置好后,对后视点进行定向,以第三个已知点校核。开始进行碎部点的采集工作,采集碎部点时,观测员与立镜员或绘草图员之间要及时联络,绘制的草图必须把所测点的属性标注在草图上,以供内业处理、图形编辑时用。草图的勾绘要遵循清晰、易读、相对位置准确、比例一致的原则。一个测站的所有碎部点测完之后,再到已知点重测进行检查。
3、碎部点数据处理
内业成图采用CASS9.0软件,按照1:500数字地形线划图(DLG)生产方法进行成图。在保证数据测量精度的同时,更要注重对数据格式一致性的处理,将其转换成.DAT格式进行储存,例如HLB-A1.,4341520.684,4724521.168,16.375与HLB-A1.,4341775.894,4728567.268,17.449……数据文件储存格式依次为点号、逗号、东坐标、北坐标、高程,将标准的数据文件输入计算机。在野外绘制草图的基础上,利用软件编辑,将其连线成图;另外加强其接边误差的控制,可将全局测区图形编辑成整体,按照实际需要去分幅,从而更好的保证图形文件数据处理的准确度。
4、野外检查与评估
采样点地图绘制结束后,利用CGCS2000坐标系,对样图进行绘制;然后将绘图进行实地比对,将地形等方面的错误进行纠正与调整。其检查与精度评估操作主要包括以下几方面内容;第一、测图后需进行实地检查,对遗漏的地物、地形、标识等及时补充,将错误绘制部位进行纠正,并在样图、测图中进行标记,继而保证数据的准确性以及地图的完整性。第二、将数据点三维坐标,经过对照组分析,发现大部分的界址点坐标重合差,限差均低于±3cm,有效避免了多次重复测量的工作量,且均满足规范标准。
城市测量规范,对图根点、碎部点等有着指定的要求;例如,在利用GNSSRTK碎部点采集方式时,直接采集界址点,精度应当符合标准规定,对于较为隐蔽的界址点,可以通过间接方法进行计算,利用内插、外插,以及直角推算等方式。对于距离的计算,应当采用质检过的钢尺进行测量,重复测量取均值。基于直角推算角度分析,应用过程中,避免利用短边进行推算。使用距离交会时,条件是要超过三边。再用间接计算界址点坐标数量时,不能高出界址点总量的20%,本次测量结果显示,图根点与最近控制点的点位误差,以及碎部点、图根点间的平面中误差,在经过野外实地检查后,均符合城市测量规范精度要求。
(五)结果分析
本次测量工作,采用了新旧测量技术相结合的方式,基于测量实践的角度分析,本次测量结构,要比以往作业操作,在工作效率、测量精度程度等方面,有着很大的提升。全站仪、GNSS-RTK联合作业测量,打破了以往测量技术在地形环境等因素的限制与干扰,有效的保证了数字绘图的效果。同时利用全站仪测量设备,在测图点位、高程方面的误差分析,显著的提升了测量的精度。而基于测量中通讯角度分析,在数据通信传输速率,以及通信持续性等方面,有着明显的改善,对此可看出通讯系统的时效性,以及可靠性等优势特征。在测量环节,编解码分析方面,以及坐标转换方面,不仅操作便捷,同时也实现了实时测量操作模式。与此同时,对于数字测图质量评价指标等方面的分析,也为测量结果的精度检测,起到了一定的参照作用。
经过实例研究证明,全站仪与GNSS-RTK联合作业,不仅具备一定的可行性,同时还有着其他测量手段不能达到的比拟的优势,但是由于各个设备的开发思想、设计理念不同,增加了联合作业的复杂性,尤其是在数据处理方面,数据处理的繁琐性,会直接增加结果误差风险,对此加强设计联合作业下的数据处理软件尤为重要,这为数据的分析处理工作增加了便利性,提高了工作效率,同时也保证了结果的精确度。另外在数据存储方面,用户可以根据自己的需求,自行使用数据库文件格式,一般常使用可视化类数据库文件格式,在查询、图文生成等方面都相对便利,保证了报告的完整性与合理性,对此加强此方面的研究尤为重要。
另外GNSSRTK测量系统,在不断的实践与优化中,不仅实现了测量的实时性,同时也保证了定位的精准性,在携带、测量过程相对方便,且不受地域地形繁琐程度等方面的影响,给测绘工作带来了极大的便利。
四、结论
随着我国科学技术的不断发展,先进测量设备、技术等的应用也逐渐广泛,积极推动了数字绘图技术发展的步伐,为军事、房产等行业的发展,起到了积极促进的作用。全站仪联合GNSS-RTK在数字测图中,比起几种测量手段的单独应用效果来说,在工作效率等方面都是单独测量方式不能达到的。本文对联合作业操作的流程、可行性、优缺点进行了描述,对测量技术的工作原理、全站仪点位误差、设备联合使用方法、质量评价指标体系等进行了分析,最终总结出国内数字绘图工作中,全站仪联合GNSS-RTK测量技术的应用已经越来越广泛,测绘实践经验越来越丰富,虽然提升了工作效率和质量,但是在精度方面还需要加强控制,从而更好的保证联合作业操作效果。
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作者简介
邵光敏(1979.06.27),男,学历;南昌航空大学《工程造价管理》专业本科单位:三门县建设测量大队,研究方向:测绘工程