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全站仪在数字测图技术中应用
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1课题选取的意义与背景1
1.2全站仪数字测图技术的发展现状1
1.3全站仪数字测图技术的未来发展期望1
2数字化测图技术概述2
2.1数字化测图技术的概念2
2.2数字化测图技术的基本原理2
2.3数字化测图系统的组成3
2.3.1地形数据采集系统3
2.3.2数据处理与成图系统3
2.3.3图形输出设备4
2.4数字测图的优势4
3全站仪数字测图系统6
3.1全站仪6
3.2全站仪的基本组成结构6
3.2.1光电测量系统7
3.2.2双轴液体补偿系统8
3.2.3自动瞄准与跟踪8
3.3全站仪数字测图系统的内业成图软件8
3.4全站仪数字测图技术的作业模式8
3.5全站仪使用的注意事项9
4以实际工作具体讲述全站仪在数字测图的应用11
4.1全站仪数字测图的前期准备工作11
4.1.1组织协调工作11
4.1.2收集测区的相关资料11
4.1.3对测区概况的实地踏勘12
4.1.4数字测图所需要的仪器及器材的准备12
4.1.5对测区进行控制测量方案设计12
4.1.6实习小组的人员的组织和安排12
4.2编写全站仪数字测图的技术设计书12
4.2.1编写技术设计书的意义12
4.2.2编写技术设计书的基本原则13
4.2.3数字测图技术设计书的内容13
4.3布设控制网13
4.4在布设好的控制网的基础上采集碎部点15
4.5全站仪数字测图的内业绘图要求16
4.6全站仪数字测图的成果检查与验收16
5全站仪数字测图技术中出现的问题16
5.1全站仪数字测图在外业测量中出现的问题16
5.2全站仪数字测图内业处理中出现的问题17
6利用全站仪进行数字测图技术的要点分析18
6.1平面地形图的测绘18
6.2平面房屋的数字测图18
6.3线杆的测量19
7全站仪数字测图的误差分析20
7.1仪器本身的误差20
7.2仪器的对中误差对水平角测量精度的影响20
结束语21
致谢22
参考文献23
全站仪在数字测图技术中应用
摘要
20世纪70年代起,随着光电测距和计算机技术在测绘领域的广泛应用,产生了全站型电子速测仪及计算机辅助制图系统,两者结合逐步形成一套从野外数据采集到内业成图,实现了全过程数字化的大比例尺地形测图方法,也就是所谓的野外数字测图技术,我们习惯简称为数字测图。
科学发展的今天,数字化测图技术在野外采集数据主要通过全站仪进行的,全站仪采集数据具有准确,容易,方便等特点。
野外通过全站仪准确迅速的采集数据,内业将数据传输到电脑上进行快速的内业成图。
数字化测图的成果有已于存储,传输方便,精度与比例尺无关,不存在变形及损耗,能方便,及时的进行局部的修测更新,便于保持地形图现势性的巨大优势。
本论文浅谈全站仪的使用方法和其在数字测图技术中碎部点的采集以及数据的误差分析等。
关键词全站仪/数字测图技术/外业测量/内业成图
TheApplicationOfTotalStation
InDigitalMappingTechnology
ABSTRACT
Inthe1970s,alongwithelectro-opticaldistancemeasurementandcomputertechnologyiswidelyusedinthefieldofsurveyingandmapping,thetotalstationelectronicmeasuringinstrumentandcomputeraideddrawingsystem,acombinationofgraduallyformedasetoffielddatacollectedfromintoafigureintheindustry,realizethewholeprocessofdigitalterrainmapwithlargescalemethod,alsoknownasfielddigitalmappingtechnology,weuseddigitalmapforshort.Scientificdevelopmenttoday,thedigitalmappingtechnologyinthefieldgatheringdataismainlydonebytotalstation,totalstationtocollectdataisaccurate,easy,convenient,etc.Fieldbytotalstationisaccurate,rapidacquisitiondataandtotransmitdatatothecomputerintheindustryonthefastintoafigureintheindustry.Theresultsofthedigitalmappinghasbeeninstorage,transportconvenience,accuracyhasnothingtodowithscale,thereisnodeformationandloss,canbeconvenient,timelyrevisionupdatelocally,easytomaintaintopographicmapprocessing.alonghugeadvantage.Thispaperdiscussabouttheuseoftotalstationindigitalmappingtechnology,methodanditsdetailerrorofthepointofacquisition,anddataanalysis.
KEYWORDSTotalStation,DigitalMappingTechnology,FieldSurvey,MappingInTheIndustry
1绪论
1.1课题选取的意义与背景
20世纪70年代起,随着越来越多的高科技在测绘领域中的应用,也伴随着许多高科技测绘仪器的出现。
例如全站仪和GPS双频动态接收机。
高科技测绘仪器的出现,伴随也就产生了相应的测图技术,其中,全站仪数字测图技术就是科技进步催生的现代化测图技术,熟练掌握全站仪测图技术是对当今每一个测绘工作者的基本要求,本篇论文就围绕全站仪在数字测图技术中的应用展开讨论,着重讨论全站仪数字测图技术的特点以及其工作模式,也对这种测图方法的误差进行了一点分析。
1.2全站仪数字测图技术的发展现状
在我国现在全站仪数字测图技术还是占主要地位,因为相比更加先进的GPS测图,全站仪的成本低,且容易操作,为更多测绘工作者应用。
由于我们自主研发的北斗导航系统还没有正式成型,现在国内采用的基本都是美国的GPS双频动态接收机进行数字测图,由于美国对此技术的垄断,当然就导致其成本高,所以虽然利用GPS测量比全站仪更加方便,但考虑到其成本,全站仪以其低成本还是在数字测图技术中占据主导地位。
1.3全站仪数字测图技术的未来发展期望
全站仪数字测图技术优点众多,而且随着科技的进步,测量机器人的出现,可是使全站仪做到自动跟踪,瞄准测量,使得全站仪数字测图的工作更加轻松。
随着我国的北斗导航的逐步成型,全站仪的角色可能会变得少一点,但是其作用不能被替代,毕竟其对工作环境要求低,且成本低,还是会被广大测量工作者采用,尤其全站仪正向测量机器人的方向前进,这会使未来的测绘工作变得轻松,而数字地形图的采集也会更加迅速。
由于全站仪的技术已经被越来越多的国内生产企业所掌握,全站仪的价格也会越来越低,可能最终会彻底淘汰经纬仪,全站仪在数字测图技术中的作用会越来越重要。
2数字化测图技术概述
2.1数字化测图技术的概念
地形测量是指测量地球表面局部区域的各种地形、地物在确定参照系统中的位置和几何形状,以一定的比例尺缩小,并按特定的的符号绘制成平面图形的工作。
传统的大比例尺地形测量是测量地形、地物特征点到测站的距离及其相对某一参考方向的角度,使用量角器、比例尺的绘图工具,直接在绘图纸上定点,并按规定的符号手工绘制地形图。
这种测图方法,因为直接在绘图纸上定点绘图,因此又成为白纸测图或模拟法测图。
但此种测图方法因为其劳动强度大,作业效率低,并且由于读书、记数、量角、距离换算、展点、绘图等众多环节出错几率大,使得地形成果质量难以保证。
因此从20世纪70年代起,随着光电测距和计算机技术在测绘领域的广泛应用,产生了全站型电子速测仪及计算机辅助制图系统,两者结合逐步形成一套从野外数据采集到内业制图,实现了全过程数字化的大比例尺地形测图方法,及称为所谓的野外数字测图技术,我们习惯简称为数字化测图。
[1]
2.2数字化测图技术的基本原理
数字化测图的基本原理是采集地面上的地形、地物要素的三维坐标以及描述其性质与相关关系的信息,然后录入计算机绘图系统处理,显示、输出与传统地形图表现形式相同的地形图。
其中,我们习惯将地形、地物要素转换为数字信息这一过程称为数据采集。
计算机绘图系统是用用专业的数字化地形图编辑成图软件,通过人机交互的方式编辑地形图,或录入计算机能识别的信息,自动将野外采集的数据绘制成地形图。
由于计算机软件通过计算、展点、识别、连接、加注记符号等步骤处理采集的数据,绘出所测的地形图过程,通常是在数据采集后进行的,要使计算机软件能识别所采集的数据,并据此绘制出传统意义上的地形图,野外测绘时除点位的三维坐标外,还必须采集点位的连接信息和描述其性质的属性信息。
[2]点位的三维坐标亦称点位信息,使用数字化测绘设备采集并自动计算存储在设备内存或电子手簿中,各个点之间以点号区别,连接信息是指测点的关联关系,它包括相邻连接点号和连接线型,绘图系统据此方可将相关的点连接成一个地形、地物符号,点位信息和连接信息合成为图形信息,又称为几何信息,据此可以绘制房屋、道路、河流、地类界、等高线、陡坎等地形图元素。
[3]
2.3数字化测图系统的组成
数字化测图系统是以计算机为核心,在外连输入、输出设备硬件和软件的支持下,对空间数据及相关属性信息进行采集、输入、处理、绘图、输出、管理的测绘系统。
数字化测图系统可分为数据输入、数据处理和图形输出三部分,其工作流程依次为:
野外地形数据采集、内业数据处理与成图、成果与图形的输出,数字化测图系统主要由地形数据采集系统、数据处理与成图系统、图形输出设备设备三部分组成。
[4]
2.3.1地形数据采集系统
地面测量仪器是大比例尺数字化测图获取定位信息的基本设备,目前主要有全站仪和双频动态GPS接收机(RTK)。
全站仪数据采集作业原理与传统的经纬仪类似,需要测站与测点间通视。
不同之处仅在于全站仪测距、测角一体化,通过内置的数据处理系统,可直接得到所测点的三维坐标。
早起出厂的全站仪没有内存,采集的数据要经过连接电缆输入到电子手簿存储。
不过随着近几年科技的发展,近几年出厂的全站仪都设置有丰富的测量程序,并且能够存储上万个甚至更多的定位点信息,不再需要电子手簿,使得外业数据采集更加方便、快捷,并且还具有中文菜单,操作非常方便。
双频动态GPS接收机(RTK)只需要测点天空开阔,与基准站无线电通信畅通,即可在数秒至数分钟内获得厘米级精度的测点坐标。
由于无需与测站通视,所以在适合其作业的区域,数据采集效率比全站仪更高。
虽然双频动态GPS接收机(RTK)效率比全站仪更高,但是由于其仪器本身成本比全站仪要高出许多,加上其在对工作环境要求较全站仪要高,其要求测点的天空开阔,要求测点与基准站间的无线通讯信号良好,相反全站仪对测点的环境要求几乎没有,即全站仪适用各种测量环境,只是条件差的环境可能会出现反复搬站,增加了工作的时间,但是其工作的效率还是较传统的地形测量效率要高出许多,在这个讲求效率的社会,全站仪在数字测图技术中还是占有相当重要的一个席位。
[5]
2.3.2数据处理与成图系统
数据处理与成图系统是指对野外直接采集到的点位信息和属性信息进行编辑处理,生成数字地形图的计算机软件系统。
在这个系统中,电子计算机是进行数据采集、存数、处理的基本设备,而专业的数字化成图软件则是系统的核心,其功能大体上可以分为数据输入、编辑处理、成图输出三大块,其中主要部分是各类地形图元素编辑处理工具。
在我国,由于测量规范、文字注记、图示符号与国外存在一定的差异,因此占据市场的测绘软件均是国产的软件。
我国大规模开展数字化测图工作已经超过10年,经过生产厂家的不断完善,各类数字化测图软件已经比较成熟,不仅图形编辑功能强大,还具有多种数字图的工程应用功能(如土石方计算、断面图生成等),并能输出多种图形和数据资料,功能正日臻完善。
其中有代表性的有南方测绘仪器公司基于AutoCAD的CASS系统及清华山维自主开发的EPSW系统等。
南方CASS软件,因其操作简单,被人们采用的更多。
2.3.3图形输出设备
目前图形输出设备主要指绘图仪、图形显示器、投影仪等数字化地形图显示、打印输出设备。
2.4数字测图的优势
大比例尺数字测图较之传统的平板仪或经纬仪白纸测图方法,具有显著的经济、技术等方面的优势。
(1)测图劳动强度低、效率高
传统的测图方式是手工作业,外业测量人工读数、记录、计算、绘图,劳动强度大、作业效低。
数字测图时,观测员采用全站仪观测,只需照准目标按键确定,观测数据记录、解算、存储即自动完成,作业轻松快捷;绘图员则跟随棱镜记录定位点的几何信息及属性信息,不再像传统方法那样需要远距离观察绘图,简单而不易出错,若使用RTK测绘,由于不需要与测站通视,单机作业采集定位信息自由灵活,优势更加明显,内业工作方面,测量数据自动传输、展绘,并且电脑编辑成图,较之传统的手工绘图,劳动强度显著降低而作业效率更高。
[6]因此,综合起来,在内、外业两方面,数字化测图作业效率高、劳动强度低是显而易见的。
(2)成果能满足数字化、信息化时代的要求
以矢量格式保存的数字地形图,包含的信息量大,并且编辑修改、存储、处理、传输方便和能提供多用户共享的优势,不仅可以方便快捷的通过计算机应用系统实现提取点位坐标、两点距离、方位、地块面积、土石方量等信息供工程设计使用,同时也是GIS(地理信息系统)建库必备的基础资源,满足了信息化时代最数字地理信息的需求。
(3)点位精度高,精度与比例尺无关
传统的白纸绘图,点位点平面位置的精度受到定点测量误差、测点展绘误差两方面因素影响,并且随着测点到测站距离的增加,误差也就随着增大,然而在数字测图技术中,在测距、测角精度上很高,而且测点精度与测点距离的关系不大,计算机自动展点完全没有误差,因而数字测图的精度要远远高于传统的白纸测图。
[7]此外,虽然数字化测图也分比例尺,也要借助于绘图仪输出传统形式的纸质图,但是各种几何因素的量算并非在纸面上进行,而是在计算机系统中进行。
因此,点位精度不受图纸变形和人的感官辨识能力的影响,从这个意义上讲,精度与测图比例尺无关。
(4)成果便于保存和更新
数字测图的成果是以数据文件的形式存入进算计存储介质中的,因而便于保存、复制和传输,不像纸质地图会因为纸张变形而影响精度,当地形、地物发生变化时,只需根据局部修测数据编辑处理,很快便可以得到更新的图,其速度快、费用低的优势是传统纸质地形图无法比拟的,从而可以确保地形图的可靠性和现势性。
[8]
(5)数据利用率高
传统地形图在地形复杂、地物众多的地方,会产生图幅内地形、地物符号过多而无法容纳的问题,即图形元素超出了负载量。
为此,解决的方法是对该测图范围加大图幅幅面(扩大测图比例尺),或者测绘时省略次要地形、地物(按小比例尺标准测绘)。
因为一次地形测绘只能实现单一的目的,所以资料重复利用率低。
数字地形图能在计算机输出设备上无级缩放阅览,并且将不同属性的地图元素分别存放在不同的文件或同一文件的不同单元中,用户可根据不同的用途,选择不同的方式按属性进行组合显示,使得地形图主题清晰。
[9]所以从这个意义上讲,数字地形图的信息存量不存在负载量问题,测量工作采集数据时可根据需要进行,不必考虑比例尺因素。
3全站仪数字测图系统
3.1全站仪
全站仪是在电子经纬仪和电子测距技术基础上发展起来的一种智能化测量仪器,是由电子测角、电子测距、电子计算机和数据存数单元组成的三维坐标测量系统,测量结果能自动显示,并能与外围设备交换信息的多功能仪器,由于该仪器能够较完善的实现测量和处理过程的一体化,所以人们称之为全站型电子速测仪,我们也习惯简称它为全站仪[10]。
全站仪有整体式和组合式两种。
整体式全站仪是测距部分和测角部分设计成一体的仪器。
它可同时进行水平角、竖直角测量并且可以精确测量距离;望远镜的视准轴和光波测距部分是同轴的,并可通过电子处理器记录和传输测量数据。
整体式全站仪系列型号很多,国内外生产高、中、低各等级精度的仪器达几十种。
普遍使用的也就是较为典型的全站仪型号有:
瑞士莱卡的TC系列、日本尼康的DTM系列、日本拓普康GTS-720系列、德国欧普同的E系列、蔡司EltaC\VeltaS\Elta系列、美国的Trimble3600系列、瑞士捷创立的GDM500系列、日本宾得的PCS-315系列、日本索佳的SET2010系列、苏州一光的OTS600系列和南方测绘公司的NTS-350系列。
由于整体式全站仪具有使用方便、功能强大、自动化程度高、兼容性强等诸多优点、已经作为测量仪器普遍使用。
相反组合式全站仪是将电子经纬仪和光电测距仪及电子手簿组合成一体,并且通过电子经纬仪两个数据输入、输出接口与测距仪相连接组成的仪器。
它也可以将测距部分和测角部分分开来使用。
但是组合式全站仪相较整体式全站仪不好携带,使用也不及整体式全站仪高,所以日常测量工作中测量工程师还是使用整体式全站仪多过使用组合式全站仪。
通过以上讲述可以看出全站仪这个当今科技发展所产生的高科技测量仪器是一种多功能的仪器,它除了能够自动测距、测角和侧高差三个测量的基本要素外,还能直接测定点位的坐标以及我们在施工测量中的放样工作等。
全站仪具有多功能、高速度和高精度的特点。
因此,它不但可以完成一般的控制测量,而且还能进行建筑施工放样和我们经常进行的地形图测绘等工作。
3.2全站仪的基本组成结构
我们知道全站仪的种类有很多种,而且由于生产的厂家以及型号的不同,就导致它们的操作方法在一些方面会有所区别,但是,不可否认的是各种厂家生产的各种型号的全站仪,它们的基本结构还是大体上相同的,并且极其类似我们熟悉的光学经纬仪,它们同样也分为照准部、基座和度盘三个部件。
照准部上都有望远镜,水平、竖直制动,微动螺旋、管水准器和圆水准器以及光学对中器等。
随着科技的进步,现在南方测绘公司生产的全站仪,它的对中器已经改造成激光对中器,这使得全站仪对中更加方便,也更加精确。
另外,全站仪正反两侧都有液晶显示器和操作键盘。
其结构示意图见下图:
图3-1全站仪结构
全站仪基本装备包括光电测角系统、光电测距系统、双轴液体补偿装置和微型处理器(测量计算系统)。
随着科技的进步,现在有些自动化程度高科技先进的全站仪还有自动瞄准和自动跟踪系统。
全站仪通过测量计算机有序地实现每一专用设备的功能。
3.2.1光电测量系统
全站仪都有两大测量系统,即光电测角系统和光电测距系统,这是全站仪的技术核心。
电子测角系统的机械转动部分及光学照准部分与我们熟悉的一般光学经纬仪基本相同,其主要的不同点在于电子测角采用电子度盘而非光学经纬仪那般的光学度盘,光学测距结构与普通电磁波测距仪相同,只是与望远镜集在一起,光电测角系统与光电测距系统都共用的光学望远镜,使得角度和距离测量只需照准一次。
光电测量系统通过I/O接口联系起来,由测量计算机控制光电测角、测距,并且实时处理测得的数据。
3.2.2双轴液体补偿系统
由于竖轴不严格在铅垂线方向上,对角度的影响无法通过一测回取平均消除,因此一些科技先进、具有较高精度的全站仪都装有液体双轴补偿器,用以补偿竖直倾斜对观测角度的影响,双轴液体补偿范围一般控制在3分以内,此外,除了双轴液体补偿器外,有的全站仪还有视准差、横轴误差、指标差等修正,用以更加提高单盘位的观测精度。
[11]
3.2.3自动瞄准与跟踪
随着当今科技的进步、科技的日益发达,全站仪正向着测量机器人的方向发展,其中自动瞄准与跟踪是重要的的技术标志,全站仪的自动瞄准的原理是用CCD摄像机获取棱镜反射器的影像与内存的反射器标准图比较,获取目标影像中心与内存图像中心的差异量,同时启动全站仪内部的伺服电机转动全站仪的照准部、望远镜,减少差异量,实现正确瞄准目标,比较与调整是反复的自动过程,通视伴随有自动对光等动作。
[12]由此可见,全站仪自动跟踪是以CCD摄像技术和自动寻找瞄准技术为基础,自动进行图像判断,指挥自身照准部和望远镜的转动、寻找、瞄准、测量的全自动的跟踪测量。
当今科技的发展日新月异,测量中的仪器也越来越先进,测量的精度越会随着仪器的进步而得到进一步的提高,测量工程师也会随着测量仪器的先进而减少劳动量。
3.3全站仪数字测图系统的内业成图软件
内业成图软件有很多种,但是目前我国使用最为广泛的还是由南方测绘仪器公司开发的CASS成图软件,南方CASS成图软件是基于AutoCAD平台推出的数字化测绘成图系统。
南方CASS成图软件因为其操作简单、功能强大、成果格式兼容性强等特点,被广泛应用于地形、地籍成图,工程测量应用,空间数据建库等领域。
南方CASS成图软件以AutoCAD为平台,充分利用了AutoCAD的强大功能,全面采用了真彩色XP风格界面,大大完善了图幅管理、断面设计、电子平板、等高线等技术,并且南方CASS系统运行的速度又快又稳。
3.4全站仪数字测图技术的作业模式
全站仪数字测图技术采用的是全野外数据采集的作业模式。
指的就是全站仪数字测图的数据全部在野外使用全站仪进行实地测量,我们也习惯称为碎部点采集。
内业将全站仪在外业采集的数据输入到计算机中,利用南方CASS软件,根据外业测量绘制的草图快速绘制出精确的地形图。
全站仪数字测图作业模式中的野外数据采集需要人员若干,全站仪一台,三脚架一个,棱镜一个,以及对中杆(棱镜杆)。
人员安排:
观测员一名,立镜员两名,绘制草图员一名。
进入测区以后,先到测区周围实地踏勘,看看测区的大概地况,注意测区的特殊地物地貌,绘制草图的人员可以根据观测的特殊地物地貌大概绘制出测区的草图,一定要标明特征点即特殊的角点、拐点等,标明点号。
实地采集数据时,立镜员应该听取绘制草图人员的安排,按照提前绘制好的草图依次到特征点立镜。
观测员应该注意的是到测区以后,找好测站点以后,迅速安置测量仪器即全站仪,对中整平以后,开机、进入数据采集系统,依次输入测站点坐标,输入后视点坐标,确定以后转动照准部瞄准后视点定向,要求必须精确瞄准,因为定向的准确与否对碎部点采集的成果有极大的影响。
瞄准后视定向完毕以后采集碎部点,即依次瞄准立镜员立的棱镜采集碎部点,当瞄准后按全站仪上的观测键,观测完毕后点击存储,存储后通知立镜员换下一个碎部点继续立棱镜,按照这种方法依次采集碎部点坐标。
并且观测一点时间后及时与绘制草图员核对点号是否正确,若出现错误应立即检查,确保采集数据的准确性。
通常全站仪数字测与技术野外数据采集即采集
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