【干货】全站仪的大比例尺地形图测绘方法

摘要

针对传统方法没有充分考虑误差修正、导致测量误差较大、影响测绘精度的问题,提出基于全站仪的大比例尺地形图测绘方法。首先通过数据采集得到数字化成图所需的相关信息,设置两个已知点为控制点,通过获取夹角、斜距等信息运算瞄准点大地坐标值,计算度盘读数,完成地形数据采集;其次分别求出偏心误差、对中误差及对照误差参数,采用时间序列分析方法与正交光栅原理对误差进行修正,降低观测误差,获得精确数据;最后将数据以文件的形式进行保存,明确逻辑长度和真实长度之间的关系,忽略实体形状,获取实体两端坐标,得到比例尺变换后的信息,通过全站仪将信息发送至计算机,生成大比例尺地形图。仿真实验表明,所提方法观测误差小,测绘程序简便,具有应用于实际的价值。

引用

[1] 刘强. 全站仪的大比例尺地形图测绘方法[J]. 测绘科学技术学报, 2021, 38 (06): 592-596.

0 引言

随着现代信息化的发展，使得测量方式得以不断更新，大比例尺地形图在数字测绘领域中起到了关键作用，其能够为城市建设与工程规划提供依据。在此背景下，相关学者对大比例尺地形图测绘方法进行了大量研究。罗伟国等 [1] 提出基于微型无人机航测的大比例尺地形图测绘方法。在传统航空摄影测量方法的基础上，对微型无人机航飞进行优化研究，根据无人机航行路线布置像控点，获取正摄影图与地面高程模型。方留杨等 [2] 针对高山峡谷区带状地形图空地设计一种一体化测绘方法。分析地形图绘制中存在的问题，并分别给出相应的解决方案，依据解决方案，提出带状地形图测绘流程。上述两种方法凭借其高效的数据处理方式为地形图测绘提供技术支持，但是在地形图测绘过程中，部分数据需要手动输入，地形图测绘结果可靠性较低。并且上述传统方法没有对地形图测绘中涉及的测量误差参数进行校正，导致采集的数据不够精准，最终造成测量结果偏差较大。

针对传统方法存在的问题，提出基于全站仪的大比例尺地形图测绘方法。该方法的主要研究如下：首先通过全站仪进行角度、距离、坐标、放样等测量，并对测量结果进行存储，在一定程度上提高了测绘技术的精准性与高效性；然后对地形数据进行采集，选取偏心误差、对中误差及对照误差参数作为目标，对目标参数的误差进行修正，从而降低了误差，对获取的信息进行保存与传输，借助通信协议设置参数，确保数据能够稳定传输；最后经过比例尺变换后将数据利用全站仪发送到计算机上，生成图形或表格文件，完成大比例尺地形图测绘。结果表明，该方法提高了测绘精度，降低了人工误差，符合测绘领域数字化发展要求。

1 大比例尺地形图测绘1.1 地形数据采集

将全站仪的测图流程分为数据采集、误差修正、信息保存与传输、比例尺变换以及数字化成图等流程 [3-4] 。其中，数据采集的最终目标是得到数字化成图所需的相关信息，包括空间位置与属性信息。

在大地坐标系中，一般包括地物平面坐标和高程数据 [5-6] ,可采用x、y、z这3个坐标值进行描述。图1为全站仪采集示意图。

图1 全站仪采集示意图

信息采集时，必须确定两个已知点，这两个点是测量者自行补充测量的二级控制点。图1中，点A、B即为已知控制点，其坐标分别是(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB)。假设点A代表待测量点，通常在测量时会将全站仪设置在点O处，称O点为测站点。再将测量标杆设置在B处，将该点称作“后视点”。角ϕ表示已知边OB与正北方向之间的夹角。由图1表示的坐标系可知，当O、B两点确定后，则它们之间的夹角也是已知的，称夹角φ为起始。再从B点开始，顺时针旋转全站仪直到瞄准点A,这时仪器能够记录转动的角度φ。同时还能获得O点到A点之间的斜距以及与天顶之间的竖直角度，获得上述数据后，即可计算A点的大地坐标值。

1.2 误差修正

由于设备误差、观测误差以及外界环境的影响，导致采集的数据不够精准，为此对一些关键误差进行修正。

1.2.1 偏心误差 1.2.2 对中误差 1.2.3 对照误差 1.2.3 对照误差 1.3 基于时间序列与正交光栅的误差修正

针对上述在大比例尺地形图测绘中产生的偏心误差、对中误差、对照误差以及平面位置估计误差，采用时间序列分析方法与正交光栅计量原理对误差进行修正，以此来解决传统方法由于未充分考虑误差修正问题，导致测量误差较大的问题，从而提升观测误差。

以相关数学原理与工程技术理论为基础，采用时间序列分析方法对地形数据采集中产生的误差参数变量进行分析，时间序列分析方法具有修正点较少的优势，并且对测量点的分布没有强制性要求，做到均匀布置即可。

1.4 信息保存与传输

经过误差修正后，获得精准的测绘信息，这些信息需要以文件的形式进行保存，保存过程如图2所示。

图2 数据保存过程图

保存数据后，设置通信协议，实现数据传输。全站仪通常利用RS-232C串口信号接口，完成全站仪和计算机之间的互连，数据能够发送到计算机，同时计算机也可将设置角度、目标数据上传到全站仪。但是在进行传输之前，必须对通信协议参数进行设置，确保数据稳定传输。设计注意事项如下。

1) 全站仪、计算机的通信参数保持相同。

2) 在两者连接之前要保证是关机状态，当确定线缆连接稳定后才可开机，避免损坏设备。

3) 尽可能使用生产厂家提供的通信协议 [9] 。

通常采集到的数据先由计算机程序软件进行计算，再将其传输到全站仪，如图3所示。

图3 全站仪上传过程图

上传要点如下：在设置好通信参数后，再进行上传；计算机使用的通信协议需利用生产厂家的初始协议，并挑选合适的全站仪类型。

1.5 比例尺变换

全站仪系统属于一个无级缩放系统，需结合当前所处缩放比例，对用户需求进行及时跟踪

在进行比例尺变换时，完全可以忽略实体形状，只对实体端点进行操作即可完成任意实体的比例尺变换。

1.6 数字化成像

将经过比例尺变换后的数据利用全站仪发送到计算机上，生成图形或表格文件。操作流程如图4所示。

图4 数据下载流程图

将全站仪获取的各种地物信息下载到电脑中进行展点，此时需结合数字化成像软件，在进行坐标点转换时，因为测量坐标与数学坐标 [10] 是相反的，必须将测量坐标系变换为数学坐标，在展点完成后即可实现数字化成图。数字化成图完成后，若有不清晰的地方，需进行修改，使成图与实际必须完全相同。之后再对图幅进行拼接，拼接前需将初始图保存，避免丢失。

2 仿真实验分析与研究

为了验证全站仪在大比例地形图测绘中的使用性能，选取某地进行仿真实验。该地地势高差较大，大多为梯田。本文选用的是徕卡Nova TS50全站仪，徕卡测量设备具有精度稳定、可靠的特点。全站仪的使用程序较为简便，对工作人员的技术要求不高，且数据输入无需手动输入，能够减少人工误差。

3 结论

研究了全站仪在大比例尺地形图中的测绘方法，经过研究与实验验证，得出该方法的主要创新点有以下4点。

1) 利用全站仪精密度高、耐用性强等特征地形中的角度、距离、高度差等数据进行测量。

2) 在确定两个已知点的基础上，结合测量斜距与角度获取未知点坐标，完成地形数据采集。

3) 求取偏心误差、对中误差及对照误差参数，并采用时间序列分析方法与正交光栅原理对误差进行修正，达到降低观测误差的目的。

4) 通过分析所提的方法与传统方法的测量结果可以知道，本文方法的测量结果误差均未超过0.03 m, 且放样时间较短。说明该方法可以提高测绘精度，减少计算时间，改善数据可靠性与批量操作的快捷性，促进施工测量迈向新阶段。

但是，不同类型全站仪使用时字母与符号表示的含义不统一，不便于标准化、程序化，且通信协议格式不同。为此，这些方面还需进一步开发与改进。

（原文有删减）

来源：测绘科学技术学报 转自：测绘学术资讯