基于GIS测量控制网优化设计

基于GIS的测量控制网优化设计摘要：自从gis技术在测量上的广泛应用,使测量技术发生了一次大的革命。本文就基于gis的测量控制网优化设计进行了深入的探讨，提出了自己的建议和思考，具有一定的参考价值。

关键词：gis技术；测量控制网；优化设计

1．前言

自从gis技术在测量上的广泛应用,使测量技术发生了一次大的革命。其基本功能是将表格型数据（无论它来自数据库,电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览，操作和分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，现实对象包括人口，销售情况，运输线路以及其他内容。gis 技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。

同传统方法相比, gis控制网不论是在布网方案,还是在平差的数学模型方面都有许多不同之处。因此,研究如何根据gis原理和作业特点制定gis的布网方案,对减少外业观测劳动强度、提高观测质量和成果的精度等具有重大的意义。本文就基于gis的测量控

制网优化设计进行探讨。

2．数字地形分析与地形特征点的提取方法

在测量控制网的建立中,地形条件是一个主要的影响因素,它决定了控制点的选择及控制网的布设形式。地形表面都可以分解成一系列的面、线和点,这些地形面、地形线、地形点决定了地貌形态的几何特征和基本走势。可利用gis技术对测区进行数字地形分析,实现测量控制网点自动选取和控制网自动组建。

（1）洼地与大面积平地区域的标记

一般情况下,测量控制点不布设在洼地中。大面积平地区域没有明显的地形特征,需对其地形地物单独进行空间分析。因此,须对洼地与大面积平地区域进行标记。

洼地定义为区域地形的积水区域,洼地底点的高程通常小于其相邻点(至少8个邻域点)的高程。洼地的确定实际上是根据水流方向矩阵计算的,采用填平处理的方法确定洼地区域。对大面积平地区域的标记,采用的方法类似于基于高差符号变化的地形点分类。首先计算搜索窗口中所有格网点对应高程值的较差,并统计这些较差中小于某一设定阀值的个数,然后根据个数的多少判定该窗口是否落入平地区域并加以标记。

（2）山脊点与山谷点的提取

山脊点与山谷点的提取是采用基于地形梯度的地形特征点提取方法。首先由dem格网数据计算出每一点的流水方向,确定与该方

向近似垂直的断面作为极值分析断面。然后对所选择的断面的中间点进行检测,确定它是否为极值点。极大值点可判定搜索窗口的中心格网点为山脊点;极小值点可判定搜索窗口的中心格网点为山谷点。

（3）山顶点的提取

相较于山脊点和山谷点的提取,山顶点的提取比较容易实现,因为山顶点为局部最高点。山顶点的提取方法如下: ①利用局部窗口搜索法找出dem中所有局部最高点; ②将提取出来的局部最高点与等高线矢量图层进行叠加,删除位于最高层等高线所封闭的多边形之外的点,剩下来的点即为山顶点。

（4）通视性判断

常规的平面控制网对通视条件都有较高要求,gps网对通视条件要求不高,但要便于用其它测量手段联测和扩展。通视性算法中应考虑大气折光及其它因素的影响,保证实际选点的通视性。通视性算法主要有janus、dynatacs、modsaf、bresenham等算法。

3．控制点的选取及控制网组建

在控制网设计中,如何实现控制点的自动选取和控制网的自动组网是关键。

3. 1控制点的选取

大面积平地区域没有明显的地形特征,地表的地物如建筑物、水域、耕地、道路等是影响控制点选取的主要因素。先从两个已知点出发,根据测量控制网的选点要求与有关测量规范,向外逐渐拓展,

通过gis的空间分析功能,逐一进行判断,最后完成控制点的选取。

山区地形特征明显,可利用地形特征点作为控制点候选点。候选控制点的选取可采用基于tin和规则格网dem的两种方法。基于tin 的导线点选取是通过对tin模型的简化实现的。首先提取tin中的山脊线,然后对提取出的山脊线进行简化,以简化后的山脊线为基础,在保证通视性的条件下对tin中的三角形进行合并,最后利用delaunay三角网的生成法则对tin模型进行重构,完成tin模型的简化。简化后的tin模型三角网顶点即为控制点的候选点。基于规则格网的控制点选取方法首先提取控制区域dem数据中的地形特征点,然后对其进行分块,并在各分块中心区域(矩形、圆形或扇形区域)将提取的地形征点选出来,放入关联矩阵,若没有提取出来的特征点,就将这一区域中的高程最高点选出,作为候选控制点。

3. 2控制网的生成

提取了候选点后,将其组成关联矩阵。为了便于从候选控制点中选取需要的控制点与根据选定了的控制点进行构网,在选点过程中就为候选控制点建立了关联矩阵。通过对距离条件、通视性、网形结构判断筛选得到控制点。然后通过该关联矩阵来确定点与点之间的连接关系与图形条件,从而实现构网。

在关联矩阵中,第i行或第j列代表编号为i或j的控制点与其他控制点的关联情况。以第i行为例,关联矩阵的建立过程如下:

(1)以编号为i的控制点为圆心,一定阀值为半径作圆。阀值应该稍大于控制网规范要求中的平均边长;

(2)对于落入圆内的控制点,则认为它们与i点关联;圆外的点,则认为与i不关联;如j点落入圆内,关联矩阵

conj[i][ j]=conj[j][i]=1; j点落在圆外,

conj[i][ j]=conj[j][ i]=0。

(3)对于落入圆内的控制点,进行通视性判断，若通视,关联矩阵conj[ i][ j]=conj[ j][ i]=2。

(4)选取组网条件的点,再以这些点进行下一轮搜索,直至全部完成。

根据关联矩阵提取控制网网形后,计算控制网的各元素模拟观测值。根据关联矩阵计算控制网的边长及方向值。然后根据设计的观测精度,生成一个呈正态分布的随机数(随机误差),并将其按一定方法计入观测值,形成模拟观测值。利用模拟观测值进行精度估算。

3.3 优化设计流程

(1)输入观测值数据或直接在系统中读入cad图形;(2)计算矩阵，获得各点的精度总值以及相应的误差椭圆;(3)若直接读入图形，则通过数字地形分析和空间分析功能进行通视性判断;(4)控制网优化设计中实时计算出的设计方案均输出到屏幕供设计人员对网形及其精度指标检查、修改和调整;(5)修改过程包括3项:调整观测值、调整观测值的权、调整控制点的位置。反复调整到符合要求为止，打印输出控制网图和精度表。其总体框图如图1。