数字测图在工程测量中的应用探讨文档格式.docx

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1.1前言

目前在我国，获取数字地图的主要方法有三种：

原图数字化，航测数字成图，地面数字测图。

但不管那种方法，其主要作业过程均为三个步骤：

数据采集，数据处理及地形图的数据输出（打印图纸、提供软盘等）。

这里我们主要讲述一下地面数字化。

在没有合乎要求的大比例尺地图的地区或该地区测绘经费比充足，可直接采用地面数字测图的方法，该方法也称为内外业一体化数字测图，是我国目前个测绘单位用得最多的数字测图方法。

采用该方法所得到的数字地图的特点是精度高，只要采取一定的措施，重要地物相对于邻近的控制点的精度控制在5cm内是可以做到的。

但它所耗费的人力、物力与财力也是比较大的。

随着测绘科学技术的发展,传统的测图方法正逐步被不断涌现的新仪器、新设备、新技术、新方法所取代。

GPS-RTK（以下简称RTK）与全站仪联合进行数字化测绘地形图就是一种行之有效的新方法。

RTK与全站仪联合测绘地形图,可以优劣互补。

如果仅用全站仪进行数字化测图,就必须建立图根控制网,这样须投入大量的时间、人力、财力;

如仅用RTK测图,可以省去建立图根控制这个中间环节,节省大量的时间、人力和财力,同时还可以全天侯地观测。

由于卫星的截止高度角必须大于13°

-15°

它在遇到高大建筑物或在树下时,就很难接收到卫星和无线电信号,也就无法进行测量。

如果用RTK与全站仪联合测图,上述弊端就可以克服。

即在进行地形测量时,空旷地区的地形、地物用RTK测之;

村庄、城市内的建筑物、构筑物用RTK实时给出图根点的三维坐标,然后用全站仪测之。

这样可以大大加快测量速度,提高工作效率。

随着GPS定位精度的提高、硬件性能的改善,GPS得到越来越广泛的应用。

同时,全站仪也因其数据采集自动化程度高、大大释放劳动力等优势,成为勘测、设计、施工和管理不可或缺的测量工具。

但随着工程质量要求的不断提高,测量用户已不再局限于只使用GPS或全站仪中的一种,在实际测量工作中,同样一个工程中GPS的测量成果常为全站仪所用,全站仪测量值又常作为检校GPS作业的依据。

用GPS完成控制比用常规仪器要快得多。

它不要站间通视,也无需庞大的作业队伍,精度高、作业快、费用省、应用灵活。

一些先进的接收机和天线技术把外业观测时间压缩到最短的同时,仍能获得最优的数据,在灵敏度、可靠性、抗干扰能力方面都有优异的表现。

静态、快速静态通过载波相位差分可以达到很高的精度（10-6D～10-8D）。

RTK技术能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的精度。

它的普及极大地拓展了GPS的使用空间,使GPS从只能做控制测量的局面中摆脱出来,而开始广泛运用于工程测量。

现在商用RTK接收机可实现20Hz高速独立采样与输出,整周未知数初始化时间仅需8S,并提供独立检核,内置锂电池可支持1个工作日连续作业。

全站仪是一种兼有电子测距、电子测角、计算和数据自动记录及传输功能的自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统。

面对多层次的需求,各种精度等级、各种功能类型的仪器也纷纷面世。

尤其是以无棱镜测量、自动目标识别、自动跟踪等代表新技术潮流的功能将使工作得以更高效、精确地完成。

如今,已被广泛应用于控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等方面。

随着电子全站仪、GPS（RTK）及电子计算机的普及，及它们在测量仪器中的比例逐渐增大，它们在数字地形图、地籍图的应用也在日趋广泛。

地形图的成图方法正在逐步的由传统的白纸法成图像数字测图方向发展。

特别是我国的东部沿海发达地区，数字测图几乎占据了大部分的地形图测绘市场。

在地形测量中,传统的方法是经纬仪配合小平板仪的方法,在小平板仪上进行展点,再通过手摇数字化仪得到数字化图,由于受到人为操作误差的影响,误差可达到0.12mm以上,对大比例尺的地形图的精度影响比较大。

随着GPS（RTK）系统的不断改进,已经达到了比较满意的精度要求,可以满足常规测量的要求,尤其对于开阔的地段（主要是田野、公路、河流、沟、渠、塘等）直接采用全球卫星定位系统中的实时动态定位（RTK）测量模式进行全数字野外数据采集。

对于树木较多或房屋密集的村庄等,采用RTK测定图根点,通过全站仪的采集碎部点。

基于此,我们在实践中尝试利用RTK配合全站仪进行野外数据采集,然后在CASS5.1环境下进行数字化成图,结果显示该方案是可行的。

但是受到仪器数量的限制，有些学生对全站仪和GPS（RTK）在数字成图中使用的机会较少，甚至对此只是一般性的了解。

所以通过本课题的完成，能够使这些学生掌握好全站仪与GPS（RTK）集和数字成图，为今后承担测图工程奠定坚实基础。

第2章仪器及软件

2.1GPS（RTK）简介、系统组成及其基本原理

2.1.1GPS（RTK）简介

RTK（RealTimeKinematic）实时动态测量系统,它是集计算机技术、数字通讯技术、无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统;

它是GPS测量技术发展中的一个新突破。

RTK定位精度高,可以全天侯作业,每个点的误差均为不累积的随机偶然误差。

实时动态测量的基本思路是:

在基准站安设一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续的观测,并将观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站（流动站）;

在流动站上,GPS接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理实时地计算并显示出流动站的三维坐标及精度。

2.1.2GPS（RTK）系统的组成

GPS（RTK）系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。

基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源（汽车用12伏蓄电瓶）及基准站控制器等部分。

流动站由以下几个部分组成:

GPS接收机、GPS天线、无线电通讯接听系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。

用框图表示参见图2.1：

图2.1 

RTK-GPS系统结构图

2.1.3GPS（RTK）的基本原理

GPS系统包括三大部分:

地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分,各部分均有各自独立的功能和作用,同时又相互配合形成一个有机整体系统。

对于静态GPS测量系统,GPS系统需要二台或二台以上接收机进行同步观测,记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间的精密WGS-84坐标系统的基线向量,经过平差、坐标转换等工作,才能求得未知的三维坐标。

现场无法求得结果,不具备实时性。

RTK实时相对定位原理如图2.2所示：

图2.2 

RTK实时相对定位原理

图2.3 

GPS（RTK）数据流程如图

基准站把接收道的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息（如基站坐标天线高等）都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。

流动站完成初始化后,把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得未知点的坐标。

数据流程如图2.3所示：

2.2全站仪简介、系统组成及其基本原理

2.2.1全站仪的分类

八十年代末、九十年代初，人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡，将全站仪分成两大类，即积木式和整体式。

积木式（Modular），也称组合式，它是指电子经纬仪和测距仪既可分离游客组合。

用户可以根据实际工作的要求，选择测角、测距设备进行组合。

1. 

粗瞄器

2. 

内装倒向光装置（选件）

3. 

垂直微动螺旋

4. 

电池

5. 

GEB111电池盒垫块

6. 

电池盒

7. 

目镜

8. 

调焦环

9. 

螺丝固定的可拆卸仪器提把

10. 

RS232串行接口

11. 

脚螺旋

12. 

望远镜物镜

13. 

显示屏

14. 

键盘

15. 

圆水准器

16. 

电源开关

17. 

热健

18. 

水平为动螺旋

图2.4　莱卡全站仪的重要部件图

整体式（Integrated），也称集成式，它是指电子经纬仪和测距仪做成一个整体，无法分离。

九十年代以来，基本上都发展为整体式全站仪。

随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求与其它工业技术的应用，全站仪出现了一个新的发展时期，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型等等的全站仪，使得全站仪这一最常规的测量仪器越来越能满足各项测绘工作的需求，发挥更大的作用。

2.2.2全站仪简介、系统组成

此次论文实地操作部分主要使用的是莱卡TC405型全站仪。

其简介、操作说明及组成部分的详细内容可参考其使用说明书[3]，再这里就不做赘述了。

其重要部件如图2.4：

2.2.3全站仪的基本原理与功能

全站仪是一个由测距仪、电子经纬仪、电子补偿器、微处理机组合的一个整体。

测量功能可分为基本测量功能和程序测量功能。

基本测量功能包括电子测距、电子测角（水平角、垂直角）；

程序测量功能包括水平距离和高差的切换显示、三维坐标测量、对边测量、放样测量、偏心测量、后方交会测量、面积计算等。

特别注意的是只要开机，电子测角系统即开始工作并实时显示观测数据；

其它测量功能只是测距及数据处理。

它可以同时测量空间目标的距离和角度数据，直接得到三维坐标数据。

全站仪测图的基本流程如图2.5：

图2.5　全站仪测图的基本流程

2.3CASS软件的介绍

2.3.1测绘软件的选择

对于一个测绘单位而言，数字测图的一个重要的问题是选择好适合于本单位使用的测绘软件。

因为往往的这个单位用起来很好的软件，到了别的单位却不一定适用，所以每个单位对于软件的选择问题应具体问题具体分析，不能人云亦云。

衡量一个成图软件的标准，首先要看该软件是否适合本单位的实际情况；

二要看其可操作性，是否界面友好，简便易学等等；

三要看其提供的功能是否适合于本单位。

目前各个测绘单位所使用的成图软件，可谓五花八门，林林总总。

但基本上为两种类型，一是系统（单位）自行开发的，另一种是由专门的测绘软件开发商开发，而以商业目的的提供给广大用户使用的，也是个测绘单位用得比较多的。

在本文中所讲到的是后一种软件。

现在市场上的测绘软件用得最多的主要有三种：

一是以清华山维公司与清华大学土木系联合开发的测霸EPSW（ElectronicPlanetableSurveyingandMappingsystem）系列；

二是武汉瑞得测绘自动化公司的RDMS系列；

三是广州南方测绘仪器公司与广州开思公司的CASS系列与SCS系列。

下面简单早已下比较分析。

对于已经熟悉AUTOCAD的用户而言，CASS系列与SCS系列是一个不错的选折，因为它们基于AUTOCAD平台开发的，AUTOCAD的所有功能它都可以用，而AUTOCAD则是世界上大家所共认的绘图平台，其编辑功能是有目共睹的[5]。

CASS与SCS的功能差不多，各有所长与所短。

CASS的服务可以说是一个电话随叫随到，而SCS的服务在近段时间内是无法与其相提并论的。

它们均提供三种作业方式：

电子平板方式、原图数字化方式及内外业一体化。

再CAD的基础上，开发了许多功能，如量算定点、图形复制、绘制多功能复合线等。

除此之外，还提供了地藉表格会制与图纸管理等功能。

对于那些即想用电子平板方式作业，又能在市内编辑成图的单位而言，可以选它。

当然这些软件功能会随着时间的推移而逐步完善。

对这些软件的认识也只是本人的一管之见。

[来源:

论文天下论文网2.3.2CASS软件开发的背景

目前市场上的数字成图软件较多，CASS软件便是其中之一。

该软件是南方测绘仪器有限公司在AutoCAD2002上开发的新一代数字化地形地籍成图软件，它彻底打通了数字化成图系统与,GIS的接口，是信息产业部门认可并普遍使用的通用软件，可实现地形地物数据的自动输入、处理、分析、显示、输出，其市场占有率较高。

2.3.3CASS软件安装要求

1.硬件环境

CASS软件安装环境要求：

CPU主频在赛扬433以上；

内存在64MB以上；

硬盘存储空间至少200MB以上的剩余空间；

显示驱动至少256色、800x600的分辨率；

支持Windows的显示适配器；

鼠标或其他指点设备。

2.软件环境

CASS软件的系统安装平台为WindowsNT4.0、Windows9X/me/2000/XP，AutoCAD2002/AutoCAD2000/AutoCADR14[5]。

3.CASS的主要功能介绍

CASS的安装应该在安装完AutoCAD2002并运行一次后才可进行。

CASS操作界面主要分为3个部分：

顶部下拉菜单、右侧屏幕菜单和工具条。

共有11项下拉菜单，右侧屏幕菜单可选择相应地形图图式符号。

每个菜单项均以对话框或命令行提示的方式与用户交互应答，操作灵活方便，简单易学。

几乎所有的CASS命令及AutoCAD2002的编辑命令都包含在顶部的下拉菜单中，如文件管理、数据处理、图形编辑、工程应用等命令。

第3章GPS（RTK）与全站仪联合数字测图的实施

3.1数字测图的外业工作的实施

3.1.1作业技术依据

《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73—79）[6];

《城市测量规范》（CIJ8—99）[7],《1∶500,1∶1000,1∶2000地形图图式》;

GB/T7929—1995[8]。

平面基准采用1954年北京坐标系;

高程基准采用1956年黄海高程系。

3.1.2 

GPS（RTK）配合全站仪的施测过程介绍

首先要确定作业的先后流程,该测区我们制定的作业流程图如图3.1：

图3.1　RTK配合全站仪的施测流程图

3.1.3测区的基本情况

本测区位于四川省广元市赤化镇，交通较为便利，测区地势较为平坦,测区内树木较多给测量工作带来一定的困难。

测区布设4个已知的三等GPS控制点，作为测区平面控制的起算点。

3.1.4控制测量

1.控制测量分类[9]

地形测图控制测量是为测绘地形图而建立平面和高程控制网的测量工作，内容分为基本控制（又称等级控制）和图根控制。

基本控制是整个测区控制测量的基础。

图根控制是直接为地形测图服务的控制网。

基本控制网的建立要根据测区面积的大小,以满足当前需要为主,兼顾远景发展。

一般先建立控制全局的首级网，然后再根据需要加密，也可一次建立足够密度的全面网。

平面控制网可采用测角网、测边网或边角网，建成区多采用导线网。

在已建有国家或当地平面控制网点的测区内进行测量时，应与之进行联结。

当已建网精度能满足需要时，直接利用加密或进行必要改算后加密；

当精度不能满足需要时，可选用一点的坐标及一条边的方位角作为起算数据建立独立网。

同样要在整个测区内建立高程控制网，应用水准测量方法施测并与附近国家或当地水准点进行联测，以取得统一的高程系统。

在数字测图工作中，控制测量的工作与传统的控制测量相比，应该更简便，当然，在新规范中，对这一方面的要求没有多大的改动，但根据本人的实际工作经验及积累，有一些限制条件是可以放宽的，特别是图根控制。

随着GPS技术的发展成熟及全站仪的普及，三角测量现在已基本淡出了控制测量这个舞台。

所以对大多数的人员而言，无疑大大的减轻了工作强度。

去掉了三角测量的种种枷锁的限制，取而代之的是更为灵活的GPS网及导线（网）测量。

在文本中，仅就图根测量及图根加密作一探讨。

现在各测绘单位所使用的电子全站仪的精度一般为6″、3+5ppm以下，加上是电子自动读数，所以他的实际精度要较其标准精度高，相对于光学经纬仪而言，就更具有优势。

众所周知，在传统测图中，地面点平面位置的误差受下列误差的影响：

1.图根点的展会误差M展

2.测定地物点的距离误差M距

3.测定地物点的方向误差M刺M绘

4.地形图上地物点的刺点误差M刺

5.清绘时所造成的误差M绘

综上所述，地形图上地物点平面位置的误差可用3.1式表示：

M2物=M2展+M2距+M2向+M2刺+M2绘+M2物 

（3.1）

以1:

1000比例尺，最大视距为100米为例，根据经验，有下表：

表3.1地面点平面位置的误差

误差（mm）

M展

M距

M向

M刺

M绘

M物

数值

0.18

0.39

0.20

0.08

0.51

而在数字测图中，因为是计算机自动展点，所以图根点与地物点的展绘误差可忽略不计，看作0。

则剩下的M距、M向。

取方向中误差为标称精度的3倍极限，因为是半测回测角，所以方向的误差为6x2x3=17″，去碎部点至测站的距离为300m，则M向=17/206265x300=0.024m，测距仪的标称精度3+5ppm。

顾及测量中棱镜不到位等各项因素的影响，取经验值0.020m。

则该实测的该平面点相对于图根点的误差为0.032m。

由上可见，在视线良好的情况下，由于全站仪相对于经纬仪测角、测距精度的提高及计算机的应用，测量碎部点的距离可以放大，图根点的密度可以作相应的降低，边长可以放宽至100到300米。

对于支站，也可以不受2站的限制，根据本人的实践，支3到4站的精度还是可以达到要求的。

当然，在城市密集建筑区和通视不好的条件下，顾及以后地形图修测或工程放羊的要求，图根点的密度应增加。

2.GPS（RTK）点的选择及GPS控制网的布设

考虑测区范围较小,依据全球定位系统测量规范及GPS点位布设的要求，本次布网以E级GPS控制网作为测区的首级控制。

该网布设了4个E级GPS控制点，分布在测区的边界的主干道上。

本GPS控制网以同步环为基本单元,采用边连接方式。

将两个已知点和两个待定点联结成如图3.3的网型：

图3.2GPS网型

3.GPS的外业观测

采用三台南方GPS接收机按照规范和要求已静态方式进行同步观测。

观测时按照观测前做好的观测计划利用对讲机相互联络,同时开机并认真及时地逐项填写测量手簿中的各项内容。

4.GPS基线向量的解算

GPS基线向量的解算采用南方公司提供的随机软件进行。

对当天采集的数据在当天晚上及时地传输到计算机中,并检查外业记录和输入点号、点名。

检查测前和测后天线高是否有变,取其均值输入天线高,对同步环、异步环闭合差及复测基线进行检查,以便发现不合格成果。

根据情况决定淘汰、重测或补测,该网各条基线均符合精度要求。

5.GPS平差计算及检核

GPS控制网的平差计算也采用南方公司提供的随机软件进行。

三维无约束平差采用WGS84椭球,参考坐标系采用WGS84坐标系。

根据基线解算成果,首先进行三维无约束平差,然后以G16和G17两个三等已知GPS点的平面坐标和高程作为该网的起始数据进行三维约束平差。

6.高程检测

在测图前,们用RTK对两个已知的水准点进行检测，G16点的已知高成为100.00m检测值为100.01；

G17点已知高程为99.99m检测值为100.01m与已知值相比较，均在限差范围内，说明利用RTK进行