全站仪数字测图中控制测量与 碎部测量数据同步处理方法研究

数字测图系统（Digital Surveying and Mapping System） 是以计算机为核心， 以全站性电子速测仪、GPS、数字摄影测量仪、数字化仪等为数据采集工具，在外 接输入、输出设备软、硬件的支持下，对地形的数字空间数据进行采集、输入、 成图、绘图、输出、管理的测绘系统。数字测图就是要实现地形信息数字化和作 业过程的自动化或半自动化。尽可能缩短野外作业时间，减轻野外劳动强度，而 将大部分作业内容安排到室内去完成。将大量手工作业转化为电子计算机控制下 的机械操作，这样不仅减轻劳动强度，而且不会损失观测精度。
2.3.1 导线控制测量数据采集
① 导线控制测量的基本概念 导线测量是在地面上选择一系列控制点，将相邻点连成直线而构成折线形，称 为导线网，如图2.1所示。在控制点上，用精密仪器依次测定所有折线的边长和转 折角，根据解析几何的知识解算十各点的坐标。用导线测量方法确定的平面控制 点，称为导线点。在全国范围内建立三角网时，当某些局部地区采用三角测量有 困难的情况下，亦可采用同等级的导线测量宋代替。导线测量也分为四个等级， 即一等、二等、三等、四等。其中一等、二等导线，又称为精密导线测量。
2.3 野外数据采集
传统野外数据采集主要进行的是导线布设与导线控制、碎部测量。导线控制是 野外数据测量的关键步骤，控制测量的主要任务就是布设作为图根控制依据的测 图控制网，以保证地形图的精度和各幅地形图之间的准确拼接。碎部测量主要是 测量各个地物点的位置相关信息，是野外数据采集的重点内容，相对控制网来说， 碎部点的点位精度要求较低，施测方法也较多。
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1 绪论
第 1 章 绪论
1.1 数字测图概述
1.1.1 数字测图基本概念
传统的地形测图(白纸测图)实质上是将测得的观测值(数字值)用图解的方法转 化为图形。 测图过程：选点→控制测量→平差计算→展绘控制点→碎部测量→底图整饰→上 墨绘制二底图
这一转化过程几乎都是在野外实现的，即使是原图的室内整饰一般也在测区驻 地完成，使得劳动强度大。这个转化过程将使测得的数据所达到的精度大幅度降 低。白纸测图质量管理难。特别是在信息剧增，建设日新月异的今天，一纸之图 已难载诸多图形信息，变更、修改也极不方便，实在难以适应当前经济建设的需 要。
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第 2 章 全站仪数字测图方法
设站程序功能的电子手簿，在一个未知坐标的测站上2-5个控制点进行方向和距离 观测，便可自动计算出测站点的坐标，接着即进行地形点的测量工作。自由设站 的优点在于：自由设站要求的控制点数目少，设站基本不受图形限制；自由设站 的平面坐标按间接平差计算，具有较高的平面坐标精度，其高程可按测距三角高 程测量方法求得。设在一个自由设站点p 上观测了N 个控制点（观测方向数受电 子手簿提供的程序限制，一般不超过5 个方向），根据观测值（方向值及距离）和 控制点坐标先计算出设站点P 的近似坐标，然后列出方向和边长的误差方程式， 再组成法方程，结算法方程式，计算坐标。
图2.1 导线网
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第 2 章 全站仪数测图和施工需要而建立的平面控制网，称为小区域平面控制网。 小区域平面控制网亦应由高级到低级分级建立。测区范围内建立最高一级的控制 网，称为首级控制网；最低一级的即直接为测图而建立的控制网，称为图根控制 网。 ③ 控制测量常用方法 平面控制测量常用的方法，一般有三角测量、导线测量、交会法定点测量，另 外随着GPS全球定位系统技术的推广，利用 GPS技术进行控制测量已得到广泛应 用。GPS技术主要是利用卫星信号进行定位，而卫星信号的传输又会产生许多误差， 精度相对较低，故而使用受到限制，如在植被茂密的林地、高程建筑较多的地方 都不能用GPS进行导线控制，同时收精度限制，GPS高程测量精度较低，一般不用 于高程控制。所以全站仪现在仍然是平面导线控制的主要工具。 导线测量是建立小区域平面控制网的一种常用方法，它适用于地物分布较复杂 的建筑区和平坦但通视条件较差的隐蔽区。若用经纬仪测量导线转折角，用钢尺 丈量导线边长，称为经纬仪导线。若用测距仪或全站仪测量导线边长，则称为电 磁波测距导线。 导线网的高程控制一般使用高精度的水准仪（如 DS1、DS05 等），并且有特定 的平差方法，而全站仪测高程一般使用的是三角高程测量，此种方法精度不高， 限于本篇是全站仪在数字测图中的应用，高程控制这里不再赘述。 大比例尺地面数字测图的控制与传统的白纸测量控制相比有其明显的不同： ①打破了分级布网、逐级控制的原则，一般一个测区一次性整体布网、整体平 差，所需的少量已知控制点可以用GPS 确定。这就保证了测区各控制点精度比较 均匀。 ②由于目前与大比例尺数字测图系统相匹配的都有一套地面控制数字测量数 据采集与处理一体化系统，如武汉科技大学和武汉瑞得测绘自动化公司联合研制 的（COSA）系统，EPSW 的控制测量数据采集系统（NASEW）等，从而使得地面控 制测量的数据采集、预处理、平差、精度评定及分析、成果输出与管理等全部实 现了一体化和自动化。控制网的网形可以任意混合，如测边网、测角网、导线网、 线形锁、多边形等。 ③测区控制点的密度与传统白纸测图相比可以大大减少，图根控制的加密可以 与碎步测量同步进行，随时应用自由设站法或导线法（外业电子手簿包括图根控 制加密程序）进行加密。 目前利用全站仪进行野外控制测量主要使用“自由设站法”： 自由设站是大比例尺地面测图常用的建立测站的一种方法，使用全站仪及具有
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第 1 章 绪论
测量出地物点的坐标。在大比例尺测图中，全站仪仍然是测图的主要工具，尤其 是在地形复杂的山地、城市建筑物密集的地方 GPS 无法使用，全站仪的优势更加 突出。
1.1.3 大比例尺数字测图的任务
大比例尺地形测量中一般都要布设一定等级的控制网，利用相关仪器进行控制 测量，再对区域内的地物进行碎步测量。所以控制测量和碎部测量便是测图的主 要和重要工作。导线控制的主要目的是提供控制基础和起算基准，其实质是测定 具有较高精度的平面坐标和高程的点位控制点 。数字测图中，碎部测量的主要方 法为极坐标法，在实测得多数碎部点的坐标后，可利用软件中的方向交会、距离 交会、十字尺测量法或量算定点等方法来取得其余各点的坐标，再辅以软件中的 偏移、拷贝、延伸等功能，得到最后的图形。
数字测图的实质是将图形模拟量(地面模型)转换为数字量，然后由电子计算机 对其进行处理，得到内容丰富的电子地图，需要时由电子计算机的图形输出设备(如 显示器、绘图仪)恢复地形图或各种专题图图形。
1.1.2 数字测图技术的发展
传统的地形测量是用仪器在野外测量角度、距离、高差，作记录(称外业)，在 室内作计算、处理，绘制地形图(称内业)等。传统的测量仪器主要是光学经纬仪 和水准仪，随着电子技术、激光技术、计算机硬件和软件技术的发展，产生了测 距仪、全站仪、陀螺仪等光电结合型的测绘仪器，传统的测绘方法和手段因此而 发生了巨大的变化，传统的测量方法是三角测量法，这种方法主要是测角，只测 很少的距离，在测距仪出现前该方法是精度较高的测量方法，但是工作量巨大。 随着科学技术的发展，各种电子测量仪器相继出现，是测量史上一次巨变，传统 的测量方法已经逐渐退出历史舞台。现在的全站仪、GPS、RTK 技术可以直接精确
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第 1 章 绪论
1.3 本课题的研究内容
本课题研究的主要内容是选择在狭长地带，地物点密集的场地内布设闭合导 线，进行导线控制和碎部测量，之所以会选择在狭长地带是因为狭长的低档适宜 布设附和导线并且地物点较为密集，可以使用一步测量法进行碎部点测量来提高 效率。
本篇论文主要的研究内容是在数据的同步处理，本文将论述利用 VB 等软件编 写同步处理数据的程序的数学原理以及相关平差原理，提出将编写的程序嵌入全 站仪的概念。绘图时只需一键导入 CASS 中，既减轻内外也劳动轻度又提高了作业 效率。
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第 2 章 全站仪数字测图方法
2 全站仪数字测图方法
野外数字测图的主要工作就是导线网的控制测量和碎部点的坐标数据采集，导 线控制以及其精度的保证是整个野外数据采集的关键，如何快速、高效、高精度 的完成野外数据采集任务便是本章讨论的主要内容，本章将会对传统数据采集方 法和新型的野外数据采集模式加以论述。
1.2.2 研究意义
“先控制，后碎步”的传统测量方法在大范围测量中保证了精度，但是在狭长 的地带以及碎步点较为密集的地方使用该方法往往会降低效率。控制和碎步同时 测量，极大地提高了工作效率,甚至连导线点的布设都可在测量过程中进行。但是, 如果导线路线较长，用这种方法在全部测量工作完成后，不可避免地与导线附合 点产生偏差。本课题提出了一种有效测量方法和利用微机进行测量后数据处理方 法,不仅能对导线进行平差, 而且对所有碎步点坐标进行自动更正。
2.1 野外数字测图概述
数字测图是以数字的形式表达地形特征点的集合形态，全解析、机助测图的方 法。数字测图就是要实现丰富的地形信息和地理信息数字化和作业过程的自动化 或半自动化。它希望尽可能缩短野外测图时间，减轻野外劳动强度，而将大部分 作业内容安排到室内去完成。与此同时，将大量手工作业转化为电子计算机控制 下的机械操作，这样不仅能减轻劳动强度，而且不会降低观测精度。
2.2 数字测图的基本过程
测绘数字图一般都包括数据采集、数据处理和图形输出三个基本阶段。 ① 数据采集 在数字测图中，各式各样的信息源数据在采集过程中中主要使用一下几种方法： 1）GPS 法。即通过 GPS RTK 接收机采集野外碎部点的绘图信息数据。 2）大地测量仪器法。即通过全站仪、测距仪、经纬仪等大地测量仪器实现碎 部点野外数据采集。 3）图形数字化法。即通过数字化仪或扫描仪在已有的地形图上采集。 4）航测法。即通过航空摄影测量或遥感手段获得地表影像，从影像上采集地 形点的绘图信息数据。 野外数据采集是通过全站仪或 GPS RTK 接收机实地测定地形特征点的平面位 置和高程，将这些点位信息自动存储在机器内存器或电子手簿中，再传输到计算 机中。由于目前测图仪器的测量精度高，很容易达到亚米级的定位精度，所以地 面数字测图是数字测图中精度最高的一种，是城镇大比例尺测图中主要的测图方 法。 ②数据处理 数字测图的过程都是在进行数据处理，所谓数据处理阶段是指在数据采集以后 图形输出之前对图形数据的各种处理。数据处理主要包括建立地图符号库、数据 预处理、数据转换、数据计算、图形生成及文字注记、图形编辑与整饰、图形裁 剪、图形接边、图形信息的管理与应用等。数据处理通常通过计算机软件来实现， 最后生成可进行绘图输出的图形文件。数据预处理包括坐标变换、各种数据资料
1.2 本文的研究目的和意义
1.2.1 课题目的
由于科学技术的飞速发展，测量技术也得等到了迅猛发展，测量仪器由原来的 光学仪器发展到现在的电子全站仪，GPS,RTK 等高级仪器，测量仪器的变革给测 量带来了极大的方便，提高了测量的精度和效率。但是在测量方法上，传统的测 量工作程序是“先控制，后碎步”，这种方法虽然能保证精度，但在某种程度上降 低了测量效率。所以将控制与碎步同步就是提高大范围测量效率的有效方法。故 而本课题从这个角度出发，在测量方法和后期数据处理方法上进行研究，目的在 于在保证精度的条件下，改善传统测量方法上效率低，劳动强度大的缺点。
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第 2 章 全站仪数字测图方法
的匹配、比例尺的统一、不同数据结构的转换等。 ③ 图形输出 数字测图的流程即通过采集有关的绘图信息并及时记录在数据终端（或传输给
掌上电脑或便携机等设备），然后在室内通过数据接口将采集的数据传输给计算 机，并由计算机对数据进行处理，再经过人机交互的屏幕编辑，形成绘图数据文 件。最后由计算机控制绘图仪自动绘制所需的地形图，最终由硬盘、光盘等存储 介质保存成电子地图。