徠卡全站儀“一步測(cè)量法”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐瑞

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000）

徠卡全站儀“一步測(cè)量法”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐瑞*

（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000）

隨著高精度全站儀的廣泛應(yīng)用，在大比例尺數(shù)字化測(cè)圖中“一步測(cè)量法”被普遍采用，但是“一步測(cè)量法”數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要人為判斷平差點(diǎn)才能進(jìn)行平差計(jì)算，而且一個(gè)數(shù)據(jù)文件可能同時(shí)存在多個(gè)獨(dú)立的圖根控制點(diǎn)網(wǎng)，圖根控制點(diǎn)網(wǎng)的布設(shè)形式也千差萬(wàn)別，給平差計(jì)算增加了很大的難度。為此，采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)徠卡全站儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，借助其完整的原始觀測(cè)信息，自動(dòng)完成從全站儀數(shù)據(jù)下載，控制網(wǎng)分離，非平差碎部點(diǎn)剔除，到最后成果制表、成圖等全部工作。經(jīng)算例驗(yàn)證，取得較滿意成果。

一步測(cè)量法；測(cè)量平差；控制網(wǎng)提取；碎部點(diǎn)剔除

1　引 言

目前在數(shù)字測(cè)圖中全站儀的應(yīng)用比較普遍，常規(guī)作業(yè)方式是先進(jìn)行控制測(cè)量，然后再進(jìn)行碎部測(cè)量。“一步測(cè)量法”即在圖根導(dǎo)線選點(diǎn)、埋樁以后，圖根導(dǎo)線測(cè)量和碎部測(cè)量同步進(jìn)行［1～4］。導(dǎo)線閉合差超限時(shí)只需重測(cè)參與平差的導(dǎo)線點(diǎn)，再對(duì)碎部點(diǎn)重算就可重新繪圖，提高了外業(yè)效率，但內(nèi)業(yè)中平差計(jì)算功能還不完善。清華山維公司的“EPSW”軟件中具有一步測(cè)量數(shù)據(jù)平差改算的功能，但功能簡(jiǎn)單，對(duì)無(wú)需平差的支點(diǎn)上的測(cè)站也進(jìn)行平差。陳元增等對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)手動(dòng)輸入圖根點(diǎn)和碎部點(diǎn)編號(hào)避免了多余的平差，并將無(wú)定向?qū)Ь€平差應(yīng)用于一步測(cè)量，但不能完成平差點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，也沒(méi)有未考慮多個(gè)控制網(wǎng)的情況［5，6］。得益于徠卡全站儀中記錄中完整的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從原始文件中進(jìn)行多種形式控制網(wǎng)的自動(dòng)分離以及非平差碎部點(diǎn)的自動(dòng)剔除，碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)改化［7］等功能，并輸出詳細(xì)平差結(jié)果。

2　關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)把高程網(wǎng)和平面網(wǎng)分開(kāi)處理，平差模型采用編程較為容易實(shí)現(xiàn)的間接平差，高程平差以高程觀測(cè)值為觀測(cè)值，平面平差以水平方向值和水平距離為觀測(cè)值。相比于按角度平差的近似平差方法，采取嚴(yán)密的且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的方向平差［8，9］。

2.1控制網(wǎng)自動(dòng)分離

由于“一步測(cè)量法”中一個(gè)數(shù)據(jù)文件中可能包含多個(gè)控制網(wǎng)，如果能自動(dòng)進(jìn)行控制網(wǎng)的分離，就能降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及出錯(cuò)率，提高內(nèi)業(yè)處理的效率。常規(guī)的控制網(wǎng)分離方法是從一個(gè)有觀測(cè)值的點(diǎn)出發(fā)，將有觀測(cè)值連接的點(diǎn)加入這個(gè)控制網(wǎng)，如此反復(fù)，直到?jīng)]有出現(xiàn)新加入點(diǎn)為止。這種方法雖然能有效分離出控制網(wǎng)，但對(duì)后續(xù)的平差計(jì)算沒(méi)有任何簡(jiǎn)化作用。本文采用計(jì)算測(cè)點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)的方式進(jìn)行控制網(wǎng)的分離，若某個(gè)點(diǎn)屬于某個(gè)控制網(wǎng)，則這個(gè)點(diǎn)的近似坐標(biāo)必須能被計(jì)算出來(lái)。如果在分離控制網(wǎng)的同時(shí)就建立平差數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把近似坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，不僅為后續(xù)平差計(jì)算提供了起算基礎(chǔ)，也提高了運(yùn)行效率?？紤]到控制網(wǎng)中可能存在控制點(diǎn)不相鄰的情況，任取兩個(gè)相鄰點(diǎn)，并假設(shè)這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)導(dǎo)線或其他交會(huì)方式循環(huán)計(jì)算其他點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)，所有具有假設(shè)坐標(biāo)的點(diǎn)保存為一個(gè)控制網(wǎng)。從剩余的點(diǎn)里再任取兩個(gè)相鄰點(diǎn)，重復(fù)上述操作，直到?jīng)]有新的近似坐標(biāo)被計(jì)算，即完成了整個(gè)控制網(wǎng)的分離。

主要步驟如下:

（1）已知點(diǎn)添加偽觀測(cè)值

為了能夠正確地計(jì)算出已知點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)，需要為相連的已知點(diǎn)添加偽觀測(cè)值。如對(duì)支導(dǎo)線而言，如果假設(shè)坐標(biāo)在未知點(diǎn)上，則其定向作用的已知點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)就無(wú)法計(jì)算。對(duì)于網(wǎng)內(nèi)插點(diǎn)的前方交會(huì)或者后方交會(huì)無(wú)論假設(shè)哪兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，都無(wú)法計(jì)算其他已知點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)。這時(shí)需要引入一個(gè)偽觀測(cè)值概念，即為相鄰的已知點(diǎn)添加偽觀測(cè)值，保證已知點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)能夠計(jì)算。

（2）找兩個(gè)相鄰假設(shè)點(diǎn)，并假設(shè)這兩點(diǎn)坐標(biāo)

遍歷所有測(cè)點(diǎn)，如果存在一個(gè)具有距離和方向觀測(cè)值的方向，就選取這兩個(gè)點(diǎn)作為起算點(diǎn)。如果不存在，說(shuō)明不是導(dǎo)線控制網(wǎng)，或是導(dǎo)線網(wǎng)已被分離，尋找一個(gè)有距離觀測(cè)值的方向，假設(shè)一個(gè)方位角，以假設(shè)的方位角和距離觀測(cè)值作為起算數(shù)據(jù)。如果還不存在，尋找一個(gè)方向觀測(cè)值的方向，假設(shè)一個(gè)距離作為起算數(shù)據(jù)，這種情況多為測(cè)角網(wǎng)，歸化到已知點(diǎn)時(shí)還需要進(jìn)行必要縮放操作。

（3）網(wǎng)中其他點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)計(jì)算

有了兩個(gè)相鄰的假設(shè)點(diǎn)后，就可以按照導(dǎo)線方式、前方交會(huì)方式或者后方交會(huì)方式計(jì)算其他網(wǎng)點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)了。從計(jì)算精度來(lái)說(shuō)，導(dǎo)線計(jì)算方式的計(jì)算精度最高，其次是前方交會(huì)。因此，在計(jì)算網(wǎng)中其他點(diǎn)的假設(shè)坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)該先按照導(dǎo)線方式計(jì)算全部能計(jì)算的點(diǎn)，不能計(jì)算點(diǎn)才依次采用前方交會(huì)方式和后方交會(huì)方式的計(jì)算方式。

具體流程如圖1所示:

圖1　控制網(wǎng)分離

為實(shí)現(xiàn)上述功能，需設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［10］:

首先從全站儀數(shù)據(jù)中獲取以測(cè)站為單位的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由測(cè)站、測(cè)站方向組成。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到以測(cè)點(diǎn)為單位的控制網(wǎng)平差數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為測(cè)點(diǎn)、設(shè)站、設(shè)站方向、以及已知點(diǎn)數(shù)據(jù)組成。其中一個(gè)控制網(wǎng)包含多個(gè)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)點(diǎn)包含多個(gè)設(shè)站，一個(gè)設(shè)站包含多個(gè)方向。預(yù)處理過(guò)程主要包括同測(cè)點(diǎn)設(shè)站合并，已知點(diǎn)添加偽觀測(cè)值，設(shè)置平差選項(xiàng)以及限差等操作。

控制網(wǎng)平差數(shù)據(jù)ControlNetworkData是由多個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、已知數(shù)據(jù)、以及各種平差選項(xiàng)組成，已知數(shù)據(jù)包含了已知點(diǎn)坐標(biāo)和高程，平差選項(xiàng)保存了儀器的標(biāo)稱精度，采用字典的形式建立控制網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)定整個(gè)控制網(wǎng)平差過(guò)程中不能存在相同的點(diǎn)名，以加快搜索效率。

一個(gè)測(cè)點(diǎn)MeasurePoint由多個(gè)設(shè)站數(shù)據(jù)，點(diǎn)名，ID，測(cè)點(diǎn)類型，偽方向觀測(cè)值和被觀測(cè)值組成。野外作業(yè)時(shí)，一個(gè)測(cè)點(diǎn)可能多次設(shè)站，所以把設(shè)站作為測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合［11］，方便對(duì)設(shè)站進(jìn)行合并。測(cè)點(diǎn)的ID字段是用來(lái)給參與平差的未知點(diǎn)編號(hào)，標(biāo)識(shí)未知數(shù)在法方程系數(shù)中的位置。測(cè)點(diǎn)類型分為已知點(diǎn)、未知點(diǎn)和非平差點(diǎn)（只含有兩個(gè)必要觀測(cè)值的點(diǎn)）。設(shè)置偽觀測(cè)值字段，保證添加的已知點(diǎn)偽觀測(cè)值不參與平差計(jì)算。

在搜索哪些點(diǎn)觀測(cè)本點(diǎn)的時(shí)候，需要遍歷測(cè)點(diǎn)，尋找對(duì)本點(diǎn)的觀測(cè)值，這種搜索方法較慢。如果在測(cè)點(diǎn)搜索觀測(cè)值時(shí)，引入被觀測(cè)值概念，在本點(diǎn)觀測(cè)其他點(diǎn)為本點(diǎn)的觀測(cè)值，從其他點(diǎn)觀測(cè)本點(diǎn)為本點(diǎn)的被觀測(cè)值。直接將本點(diǎn)對(duì)其他點(diǎn)的觀測(cè)值加入到其他點(diǎn)的被觀測(cè)值中，就能一個(gè)測(cè)點(diǎn)中既保存了本點(diǎn)對(duì)其他點(diǎn)的觀測(cè)值，又保存了其他點(diǎn)對(duì)本點(diǎn)的觀測(cè)值，提高了搜索效率。

每個(gè)設(shè)站數(shù)據(jù)SetStation包括了多個(gè)設(shè)站方向數(shù)據(jù)和定向角。設(shè)置定向角id_OrientationAngle字段用于給法方程中定向角未知數(shù)的編號(hào)，同時(shí)也能區(qū)分該設(shè)站是否存在偽觀測(cè)值，如果為偽觀測(cè)值，定向角值為-1。實(shí)際測(cè)量中某設(shè)站到其觀測(cè)點(diǎn)，只能有一個(gè)方向數(shù)據(jù)，出現(xiàn)新觀測(cè)值將替換掉舊觀測(cè)值，故采用字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織設(shè)站，使得點(diǎn)名和方向數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

設(shè)站方向數(shù)據(jù)Orientation包括點(diǎn)名，水平方向值，水平距離，高差，使用距離，使用方位，使用高差。觀測(cè)值是否使用代表求解近似坐標(biāo)時(shí)是否使用，如果使用，則說(shuō)明該觀測(cè)值為必要觀測(cè)值，如果未使用，且該觀測(cè)值又參與平差，則說(shuō)明該觀測(cè)值為多余觀測(cè)，可通過(guò)與反算觀測(cè)值比較來(lái)進(jìn)行粗差探測(cè)，也能和必要觀測(cè)值構(gòu)成閉合環(huán)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

得到假設(shè)坐標(biāo)后，還需要進(jìn)行從假設(shè)坐標(biāo)到近似坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。先通過(guò)網(wǎng)中已知點(diǎn)的已知坐標(biāo)和假設(shè)坐標(biāo)，計(jì)算出平移、旋轉(zhuǎn)和縮放的參數(shù)，再對(duì)假設(shè)坐標(biāo)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放處理，就可以獲得控制網(wǎng)中各點(diǎn)的近似坐標(biāo)。由于這種平差方式不局限于起算點(diǎn)為相鄰的兩個(gè)已知點(diǎn)，故有較廣泛的應(yīng)用，如無(wú)定向?qū)Ь€等。

2.2非平差碎部點(diǎn)自動(dòng)剔除

一步測(cè)量控制網(wǎng)中包含了大量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，但是絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)都不用進(jìn)行平差，通常需要人為判定參與平差的圖根點(diǎn)以及加密的測(cè)站點(diǎn)，再對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行平差。本文通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)之間觀測(cè)值進(jìn)行分析和判斷，實(shí)現(xiàn)了非平差碎部的自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)，減少了人工干預(yù)，提高了作業(yè)效率。

首先分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)到其他測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)觀測(cè)值將各測(cè)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。遍歷每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有觀測(cè)方向，被觀測(cè)點(diǎn)增加該測(cè)站點(diǎn)的被觀測(cè)值。所有測(cè)點(diǎn)搜索完畢，就可以確定整個(gè)導(dǎo)線網(wǎng)所有測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值和被觀測(cè)值。然后統(tǒng)計(jì)每點(diǎn)的觀測(cè)值數(shù)和被觀測(cè)值數(shù)，對(duì)于相互觀測(cè)方向值，由于方向平差增加了定向角未知數(shù)，不增加觀測(cè)值數(shù)，相互觀測(cè)的距離值相當(dāng)于重復(fù)觀測(cè)，也不增加觀測(cè)值數(shù)。由于采用了字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織設(shè)站，不可能存在測(cè)點(diǎn)對(duì)其觀測(cè)點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)的情況，在忽略非平差點(diǎn)觀測(cè)值的情況下，相關(guān)觀測(cè)值數(shù)（同時(shí)包含觀測(cè)值和被觀測(cè)值）大于2個(gè)的測(cè)點(diǎn)說(shuō)明有多余觀測(cè)，需要參與平差計(jì)算。接著進(jìn)行碎部點(diǎn)自動(dòng)判定，遍歷導(dǎo)線網(wǎng)中所有測(cè)點(diǎn)，如果該測(cè)點(diǎn)非已知點(diǎn)，相關(guān)觀測(cè)值數(shù)僅有2個(gè)，則被判定為碎部點(diǎn)，不參與平差。忽略該點(diǎn)的所有相關(guān)觀測(cè)值，循環(huán)查找僅有2個(gè)相關(guān)觀測(cè)值數(shù)的點(diǎn)，直到不存在時(shí)，剩余點(diǎn)都為平差點(diǎn)。這種判定方法不僅可以剔除碎部點(diǎn)，也能剔除不參與平差的加密測(cè)站。如圖2所示支導(dǎo)線，第一次搜索僅含有兩個(gè)相關(guān)觀測(cè)值的點(diǎn)，找到b，c，e，g，判斷為碎部點(diǎn)。剔除碎部點(diǎn)，并忽略非平差碎部點(diǎn)的所有相關(guān)觀測(cè)值，再次進(jìn)行搜索，f被判定為碎部點(diǎn)，循環(huán)搜索可判定a，d也為碎部點(diǎn)，從而得出該支導(dǎo)線不存在平差點(diǎn)，判定結(jié)果與實(shí)際相符。

圖2　碎部點(diǎn)判定

3　算例分析

用徠卡全站儀數(shù)據(jù)管理軟件可以導(dǎo)出IDX或GSI測(cè)量格式的數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)格式都包含了豐富的原始測(cè)量信息。GSI格式數(shù)據(jù)自實(shí)現(xiàn)Mask3接口以后，除了能獲取水平角，垂直角，斜距等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，還能獲取定向測(cè)站等測(cè)量數(shù)據(jù)，與復(fù)雜的IDX數(shù)據(jù)相比，更直觀地實(shí)現(xiàn)原始測(cè)量信息的提取和錯(cuò)誤的探測(cè)。采用原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行平差計(jì)算，而不使用全站儀計(jì)算的坐標(biāo)作為平差的概略坐標(biāo)，給控制網(wǎng)平差提供了可靠的保證，同時(shí)也減小誤差的積累，降低了出錯(cuò)的可能性。

3.1方案設(shè)計(jì)

采用徠卡TS02-7″全站儀，運(yùn)用“一步測(cè)量法“觀測(cè)兩個(gè)控制網(wǎng)，其中一個(gè)控制網(wǎng)中包含多個(gè)閉合環(huán)，如圖3所示。

圖3　控制網(wǎng)示意圖

3.2平差結(jié)果

將實(shí)現(xiàn)Mask3接口的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和已知點(diǎn)數(shù)據(jù)GSI文件導(dǎo)入系統(tǒng)中，選擇平差的網(wǎng)形，經(jīng)平差計(jì)算后得到如下結(jié)果:

高程網(wǎng)平差精度　表1

平面網(wǎng)平差精度　表2

平差點(diǎn)輸出　表3

平差坐標(biāo)成果　表4

從平差結(jié)果中可以看出，從GSI文件中有效地實(shí)現(xiàn)了控制網(wǎng)分離及非平差碎部點(diǎn)的剔除，并進(jìn)行了坐標(biāo)計(jì)算和精度評(píng)定。

4　結(jié) 論

本數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)徠卡全站儀完整的原始觀測(cè)信息進(jìn)行分析的提取，構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用嚴(yán)密的方向平差，自動(dòng)完成各種圖根控制點(diǎn)網(wǎng)的分離及非平差碎部點(diǎn)剔除工作，并進(jìn)行精度分析與平差坐標(biāo)成果的輸出。界面友好，操作簡(jiǎn)單，真正實(shí)現(xiàn)了平差計(jì)算的自動(dòng)化，方便了生產(chǎn)單位工作，簡(jiǎn)化了工作流程，為靈活多變的“一步測(cè)量法”的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的保證。

［1］文小岳，施永勝，孫鴻睿等.大比例尺數(shù)字化測(cè)圖中圖根控制和數(shù)據(jù)采集一體化的有關(guān)問(wèn)題探討［J］.測(cè)繪通報(bào)，2006（1）：8～10.

［2］潘正風(fēng).數(shù)字測(cè)圖原理與方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

［3］高建偉，宣偉.大比例尺數(shù)字測(cè)圖中“一步測(cè)量法”的優(yōu)化及應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2015（2）：115～118.

［4］杜浩，袁志新，鄒學(xué)海.淺析“一步測(cè)量法”.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2009（S1）：82～84.

［5］陳元增，謝衍憶.數(shù)字測(cè)圖中“無(wú)定向一步測(cè)量”平差程序的設(shè)計(jì)［C］.中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)第七次全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)論文集［A］.2001：166～170.

［6］王禮華，鄭紅艷.施工測(cè)量中導(dǎo)線控制與碎部測(cè)量同步進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2007（2）：21～22.

［7］武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組.誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

［8］索利斯.C#圖解教程（第4版）［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

The Design and Realization of Data Processing System in“One Step Measurement”of Leica Total Station

Pang Rui
（Jaingxi University of Science and Technology School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Ganzhou 341000，China）

With the widespread uses of high-precision total stations，“One Step Measurement”is widely used in large scale Digital Mapping.However，the data process of“One Step Measurement”requires human judgment，and a data file may contain multiple independent mapping control network.Thus making the survey adjustment much more difficult. For this reason，a data processing system using C#language for Leica Total Station is developed，with the help of full original observation information，the system can automatically achieve the work of downloading data from the total station，separating of control network，exclusion of the non-adjustment detail point and displaying the result in Chart.During calculating the example，a satisfactory result is obtained.

one step measurement；survey adjustment；control network extraction；exclusion of detail point

1672-8262（2016）04-146-04

P209

B

2016—04—17

龐瑞（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。