摘要

針對傳統方法沒有充分考慮誤差修正、導致測量誤差較大、影響測繪精度的問題,提出基于全站儀的大比例尺地形圖測繪方法。首先通過數據采集得到數字化成圖所需的相關信息,設置兩個已知點為控制點,通過獲取夾角、斜距等信息運算瞄準點大地坐標值,計算度盤讀數,完成地形數據采集;其次分別求出偏心誤差、對中誤差及對照誤差參數,采用時間序列分析方法與正交光柵原理對誤差進行修正,降低觀測誤差,獲得精確數據;最后將數據以文件的形式進行保存,明確邏輯長度和真實長度之間的關系,忽略實體形狀,獲取實體兩端坐標,得到比例尺變換后的信息,通過全站儀將信息發送至計算機,生成大比例尺地形圖。仿真實驗表明,所提方法觀測誤差小,測繪程序簡便,具有應用于實際的價值。

引用

[1] 劉強. 全站儀的大比例尺地形圖測繪方法[J]. 測繪科學技術學報, 2021, 38 (06): 592-596.

0 引言

隨著現代信息化的發展，使得測量方式得以不斷更新，大比例尺地形圖在數字測繪領域中起到了關鍵作用，其能夠為城市建設與工程規劃提供依據。在此背景下，相關學者對大比例尺地形圖測繪方法進行了大量研究。羅偉國等 [1] 提出基于微型無人機航測的大比例尺地形圖測繪方法。在傳統航空攝影測量方法的基礎上，對微型無人機航飛進行優化研究，根據無人機航行路線布置像控點，獲取正攝影圖與地面高程模型。方留楊等 [2] 針對高山峽谷區帶狀地形圖空地設計一種一體化測繪方法。分析地形圖繪制中存在的問題，并分別給出相應的解決方案，依據解決方案，提出帶狀地形圖測繪流程。上述兩種方法憑借其高效的數據處理方式為地形圖測繪提供技術支持，但是在地形圖測繪過程中，部分數據需要手動輸入，地形圖測繪結果可靠性較低。并且上述傳統方法沒有對地形圖測繪中涉及的測量誤差參數進行校正，導致采集的數據不夠精準，最終造成測量結果偏差較大。

針對傳統方法存在的問題，提出基于全站儀的大比例尺地形圖測繪方法。該方法的主要研究如下：首先通過全站儀進行角度、距離、坐標、放樣等測量，并對測量結果進行存儲，在一定程度上提高了測繪技術的精準性與高效性；然后對地形數據進行采集，選取偏心誤差、對中誤差及對照誤差參數作為目標，對目標參數的誤差進行修正，從而降低了誤差，對獲取的信息進行保存與傳輸，借助通信協議設置參數，確保數據能夠穩定傳輸；最后經過比例尺變換后將數據利用全站儀發送到計算機上，生成圖形或表格文件，完成大比例尺地形圖測繪。結果表明，該方法提高了測繪精度，降低了人工誤差，符合測繪領域數字化發展要求。

1 大比例尺地形圖測繪1.1 地形數據采集

將全站儀的測圖流程分為數據采集、誤差修正、信息保存與傳輸、比例尺變換以及數字化成圖等流程 [3-4] 。其中，數據采集的最終目標是得到數字化成圖所需的相關信息，包括空間位置與屬性信息。

在大地坐標系中，一般包括地物平面坐標和高程數據 [5-6] ,可采用x、y、z這3個坐標值進行描述。圖1為全站儀采集示意圖。

圖1 全站儀采集示意圖

信息采集時，必須確定兩個已知點，這兩個點是測量者自行補充測量的二級控制點。圖1中，點A、B即為已知控制點，其坐標分別是(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB)。假設點A代表待測量點，通常在測量時會將全站儀設置在點O處，稱O點為測站點。再將測量標桿設置在B處，將該點稱作“后視點”。角?表示已知邊OB與正北方向之間的夾角。由圖1表示的坐標系可知，當O、B兩點確定后，則它們之間的夾角也是已知的，稱夾角φ為起始。再從B點開始，順時針旋轉全站儀直到瞄準點A,這時儀器能夠記錄轉動的角度φ。同時還能獲得O點到A點之間的斜距以及與天頂之間的豎直角度，獲得上述數據后，即可計算A點的大地坐標值。

1.2 誤差修正

由于設備誤差、觀測誤差以及外界環境的影響，導致采集的數據不夠精準，為此對一些關鍵誤差進行修正。

1.2.1 偏心誤差 1.2.2 對中誤差 1.2.3 對照誤差 1.2.3 對照誤差 1.3 基于時間序列與正交光柵的誤差修正

針對上述在大比例尺地形圖測繪中產生的偏心誤差、對中誤差、對照誤差以及平面位置估計誤差，采用時間序列分析方法與正交光柵計量原理對誤差進行修正，以此來解決傳統方法由于未充分考慮誤差修正問題，導致測量誤差較大的問題，從而提升觀測誤差。

以相關數學原理與工程技術理論為基礎，采用時間序列分析方法對地形數據采集中產生的誤差參數變量進行分析，時間序列分析方法具有修正點較少的優勢，并且對測量點的分布沒有強制性要求，做到均勻布置即可。

1.4 信息保存與傳輸

經過誤差修正后，獲得精準的測繪信息，這些信息需要以文件的形式進行保存，保存過程如圖2所示。

圖2 數據保存過程圖

保存數據后，設置通信協議，實現數據傳輸。全站儀通常利用RS-232C串口信號接口，完成全站儀和計算機之間的互連，數據能夠發送到計算機，同時計算機也可將設置角度、目標數據上傳到全站儀。但是在進行傳輸之前，必須對通信協議參數進行設置，確保數據穩定傳輸。設計注意事項如下。

1) 全站儀、計算機的通信參數保持相同。

2) 在兩者連接之前要保證是關機狀態，當確定線纜連接穩定后才可開機，避免損壞設備。

3) 盡可能使用生產廠家提供的通信協議 [9] 。

通常采集到的數據先由計算機程序軟件進行計算，再將其傳輸到全站儀，如圖3所示。

圖3 全站儀上傳過程圖

上傳要點如下：在設置好通信參數后，再進行上傳；計算機使用的通信協議需利用生產廠家的初始協議，并挑選合適的全站儀類型。

1.5 比例尺變換

全站儀系統屬于一個無級縮放系統，需結合當前所處縮放比例，對用戶需求進行及時跟蹤

在進行比例尺變換時，完全可以忽略實體形狀，只對實體端點進行操作即可完成任意實體的比例尺變換。

1.6 數字化成像

將經過比例尺變換后的數據利用全站儀發送到計算機上，生成圖形或表格文件。操作流程如圖4所示。

圖4 數據下載流程圖

將全站儀獲取的各種地物信息下載到電腦中進行展點，此時需結合數字化成像軟件，在進行坐標點轉換時，因為測量坐標與數學坐標 [10] 是相反的，必須將測量坐標系變換為數學坐標，在展點完成后即可實現數字化成圖。數字化成圖完成后，若有不清晰的地方，需進行修改，使成圖與實際必須完全相同。之后再對圖幅進行拼接，拼接前需將初始圖保存，避免丟失。

2 仿真實驗分析與研究

為了驗證全站儀在大比例地形圖測繪中的使用性能，選取某地進行仿真實驗。該地地勢高差較大，大多為梯田。本文選用的是徠卡Nova TS50全站儀，徠卡測量設備具有精度穩定、可靠的特點。全站儀的使用程序較為簡便，對工作人員的技術要求不高，且數據輸入無需手動輸入，能夠減少人工誤差。

3 結論

研究了全站儀在大比例尺地形圖中的測繪方法，經過研究與實驗驗證，得出該方法的主要創新點有以下4點。

1) 利用全站儀精密度高、耐用性強等特征地形中的角度、距離、高度差等數據進行測量。

2) 在確定兩個已知點的基礎上，結合測量斜距與角度獲取未知點坐標，完成地形數據采集。

3) 求取偏心誤差、對中誤差及對照誤差參數，并采用時間序列分析方法與正交光柵原理對誤差進行修正，達到降低觀測誤差的目的。

4) 通過分析所提的方法與傳統方法的測量結果可以知道，本文方法的測量結果誤差均未超過0.03 m, 且放樣時間較短。說明該方法可以提高測繪精度，減少計算時間，改善數據可靠性與批量操作的快捷性，促進施工測量邁向新階段。

但是，不同類型全站儀使用時字母與符號表示的含義不統一，不便于標準化、程序化，且通信協議格式不同。為此，這些方面還需進一步開發與改進。

（原文有刪減）

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