精密三角高程测量系统的研究与实现

2022-09-10

三角高程测量方法观测简单、灵活, 受地形限制较小, 是高程测量的基本方法之一。但是在测量机器人出现之前, 国内外大多数三角高程测量方法都受制于仪器性能, 人为观测误差、自然条件等众多因素的影响, 由于这些因素无固定规律且很难通过数学模型来进行误差改正, 所以三角高程测量大多也只服务于建筑施工、低等级水准测量等低精度要求的高程测量中。

近年来, 随着测绘技术的进步以及测量仪器的发展, 尤其是高精度测量机器人的出现, 三角高程测量的精度在理论上有了新的提升空间;许多专家相继提出了由三角高程测量代替高精度水准测量的设想。2007年4月9日, 由武汉大学测绘学院徐亚明教授、潘正风教授等主持完成的“精密三角高程测量方法研究”项目率先采用精密三角高程测量方法, 达到国家二等水准测量精度的要求, 该方法通过利用两台高精度测量机器人, 经多方加装改进, 实现了同时对向观测, 削减了大气垂直折光影响, 通过对测段按偶数边进行观测, 无需量取仪器高和觇标高, 有效避免了由此带来的测量误差。

与几何水准测量相比, 该方法能够大大降低作业条件限制, 显著提高作业效率, 开创了国内外大范围、长距离精密三角高程测量代替二等水准测量的先例, 达到了同类研究的国际先进水平, 在双棱镜同时对向观测、完全不量测仪器高和觇标高等关键技术及工程应用上处于国际领先水平, 具有广泛的应用前景。

作者以徐亚明、潘正风教授等提出的精密三角高程测量方法为基础, 基于Leica TCA2003测量机器人, 设计开发了精密三角高程测量软件, 实现了精密三角高程测量数据采集和数据处理功能, 通过实际工程应用检验, 该系统能有效的提高精密三角高程测量的工作效率, 且系统工作稳定可靠, 对该方法的广泛应用起到了一定的促进作用。

1 系统总体设计

作为用于野外水准测量的自动化测量系统, 从总体性能上首先要求利用本系统, 依照正规作业步骤所测得的水准测量成果能够满足《国家一、二等水准规范》;其次要求该系统能够实时得到记录以及基本解算结果, 以免在出现故障时丢失数据, 同时要能够实时查看棱镜单元和双棱镜单元的观测成果, 以用于野外作业的质量控制;最后从系统开发角度出发, 系统的配置、维护要求简单方便, 具有良好的用户接口, 方便进行移植, 并且系统必须能够在用户进行不当操作时, 能够进行相应的错误处理, 给予提示或警告。

为了实现本系统所要实现的各种性能需求, 根据精密三角高程测量的基本理论, 同时考虑到野外作业的特殊性, 作者将该系统分为两个单元来实现:数据采集单元和数据解算单元, 其中数据采集单元主要用于野外作业, 运行于便携的PDA上;数据解算单元主要用于内业的数据处理, 运行于PC上。

(1) 数据采集单元

该单元主要用于野外数据采集中, 对测量机器人进行操作以实现精密三角高程测量的工作流程, 同时实现对观测数据的管理、计算等各项工作, 以保证准确快速的实现数据采集, 提高工作效率。另外, 综合考虑系统在观测过程中的质量控制, 本单元需同时实现数据的实时检核等功能。

本采集单元拟采用LEICA TCA2003全站仪, 该仪器提供了完善的二次开发平台 (GeoCom) , 用户能够基于该平台方便快捷地实现对仪器的全面控制。采集软件运行于便携式操作系统Windows CE操作系统, 该系统一般运行于手持设备, 该类轻便、耐用满足野外测量工作的需要。

综合考虑软件的功能性、稳健性及适用性, 本采集单元包括以下模块:

(1) 项目管理:包括项目的建立、打开, 测量数据的储存、备份及输出, 测量线路、测量人员等基本信息的录存等。

(2) 项目设置:包括通讯参数配置、限差配置、测量参数配置等。

(3) 自动测量:本单元核心模块, 主要实现对仪器的自动化测量。测量流程包括自动多测回观测、依照规范要求自动计算各项观测值并选取成果较差的测回进行重测或修测, 自动计算基本成果值等。

(4) 数据校核:对已观测数据进行综合计算和评判, 对不能达到要求的数据反馈于自动测量模块进行复测, 将达到要求的数据反馈给用户查看等。

(5) 棱镜互差检测:仪器互差作为固定值是进行质量控制的重要指标, 该模块可自动观测并计算仪器互差值。对达到观测精度的互差值储存下来, 作为整个线路观测的控制指标。

该单元的模块及各模块间的相关性如图1所示。

(2) 数据解算单元

本系统的数据解算单元可运行于Win9x、WinNT、Win2000、WinXP等操作系统下。利用红外、蓝牙或通讯电缆将测量数据直接拷贝到PC上, 数据解算软件可以基于这些观测数据进行解算和分析;同时, 开放的数据格式也可以提供给用户进行数据分析。

本单元主要包括项目管理、项目配置、数据导入及预处理、数据查看、数据平差、报表生成等模块。

(1) 项目管理:包括项目的建立、打开、备份、基本信息录存等。

(2) 项目配置:包括项目基本配置、平差配置等。

(3) 数据导入及预处理:通过开发的数据接口, 对采集单元采集的数据进行预处理, 包括对采集数据的记录检查、流程控制检查等, 通过预处理可计算处理基本测量成果。

(4) 数据平差:对录入的数据进行整体水准网平差, 并提供平差成果, 对不能达到相应等级要求的观测成果进行预警等。

(5) 报表生成:生成水准测量成果, 依照基本格式进行报表生成等。

该单元的模块及各模块之间的相关性如图2所示。

2 精密三角高程测量系统的实现

基于上述总体设计思想, 作者分别利用EVC (eMbedded Visual C++) 语言和VC语言编写了系统数据采集单元和系统数据解算单元, 实现了精密三角高程测量的数据采集及数据处理等全部流程。

(1) Leica TCA2003手持数据采集终端

(1) 系统主界面

Leica TCA2003手持数据采集终端的主界面如图3所示。

(2) 作业

作业模块包括新建、打开、删除项目, 项目的基本设置以及数据成果的导出等主要功能, 如图4所示。

(3) 测量

在本模块下主要实现包括测站设置 (图5) 、自动测量 (图6) 、数据查看 (图7) 以及显示测量状态和进度等功能。

(4) 数据检核

本模块主要用于实现精密三角高程测量中的质量控制功能, 如图8所示。

(2) 内业数据处理软件

内业数据处理软件主要实现项目管理、数据的导入导出、数据预处理、数据的查看以及打印报表等功能, 其主界面如图9所示。

3 结语

当高精度高程测量完全依赖于几何水准测量的时候, 几何水准测量面临的诸多问题也成为了制约高程测量的瓶颈, 精密三角高程测量方法的提出令人耳目一新。基于由专家提出并鉴定的精密三角高程测量方法, 并以Leica TCA2003测量机器人作为系统开发对象, 作者设计并开发了精密三角高程测量软件, 编写并测试通过了Leica自动测量模块、通讯模块以及数据处理模块等。通过大量的实际应用表明, 该系统能够达到较高的水准测量精度, 满足国家二等水准测量规范的要求, 且能有效的提高三角高程测量的工作效率, 其中多测回自动观测、自动重测等能够为实际外业测量带来很大的便利, 同时本系统不仅仅适用于精密三角高程测量, 也同样能够应用到其它全站仪测量工作, 为相关工作提供很大的便利。

摘要：随着测绘技术的发展以及测量仪器精度的提高, 精密三角高程测量的精度有了新的提升空间。本文以武汉大学测绘学院徐亚明教授、潘正风教授提出的精密三角高程测量方法为基础, 基于Leica TCA2003测量机器人, 设计开发了精密三角高程测量软件, 实现了精密三角高程测量数据采集和数据处理功能。通过实际工程应用检验, 该系统能有效提高精密三角高程测量作业效率。

关键词：测量,三角高程,测绘