全站儀遙控測圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蒲朝旭，余代俊，鄭平元

(成都理工大學(xué)現(xiàn)代工程測量技術(shù)及應(yīng)用研究所，四川 成都 610059)

1 引 言

地形圖測繪是地理信息數(shù)據(jù)建立及工程建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作，其測圖方法經(jīng)歷了從模擬測圖到數(shù)字測圖兩個(gè)階段，目前的數(shù)字測圖主要有全站儀數(shù)字化測圖、GPS數(shù)字化測圖等。傳統(tǒng)的全站儀數(shù)字化測圖的工作模式[1～4]一般是(2人～3人)：在進(jìn)行野外測量時(shí)，1人手持棱鏡選擇待測點(diǎn)，1人操作全站儀照準(zhǔn)待測點(diǎn)棱鏡進(jìn)行碎部點(diǎn)的測量，并將所測的碎部點(diǎn)坐標(biāo)存儲到儀器中。待測量完成收工回到室內(nèi)，利用專業(yè)繪圖軟件將全站儀存儲的碎部點(diǎn)導(dǎo)出并展繪，進(jìn)而連點(diǎn)繪圖，而這些碎部點(diǎn)之間的關(guān)系或地物之間的關(guān)系則需要通過野外測量時(shí)繪制的現(xiàn)場草圖來確定，草圖的準(zhǔn)確度基本決定了測圖的質(zhì)量，在此草圖則顯得尤其重要。

目前，客觀記錄反映碎部點(diǎn)間關(guān)系的方法主要有草圖法[5～7]和編碼法：草圖法是在進(jìn)行野外碎部點(diǎn)測量時(shí)，讓第三人跟隨持棱鏡的跑尺員，根據(jù)其測點(diǎn)順序、碎部點(diǎn)類型、現(xiàn)場情況、點(diǎn)位關(guān)系以及測量點(diǎn)號等信息將測量現(xiàn)場草繪至記錄紙上，人手緊張時(shí)，也可讓跑尺員自己繪制。編碼法是全站儀操作員在將測得的碎部點(diǎn)存儲于儀器前，先對該碎部點(diǎn)進(jìn)行編碼分類后再存儲，以方便室內(nèi)連點(diǎn)繪圖時(shí)有據(jù)可依。

雖然兩種方法都能反映碎部點(diǎn)間的連接關(guān)系，但各有利弊。草圖法雖能將現(xiàn)場情況比較準(zhǔn)確地草繪到記錄紙上，但其工作效率不高，繪制煩瑣，容易造成測量點(diǎn)與實(shí)際記錄點(diǎn)不同步，甚至需要一人專門繪制草圖，增加了測圖成本。編碼法雖然能提高跑點(diǎn)效率、節(jié)省草圖繪制人員，但當(dāng)碎部點(diǎn)距測站較遠(yuǎn)時(shí)，常存在儀器操作員無法看清測點(diǎn)類型或無法清楚判別出碎部點(diǎn)點(diǎn)間關(guān)系的情況，從而導(dǎo)致編碼錯(cuò)誤，以致影響后期內(nèi)業(yè)成圖；測點(diǎn)編碼的過程也降低了測量速度。

因此，為解決這兩種方法存在的不足，本文提出一種能夠精確測繪且效率高的全站儀遙控測圖系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理

全站儀遙控測圖系統(tǒng)主要包括全站儀、棱鏡、PDA、數(shù)據(jù)傳輸裝置等以及相關(guān)配件[8～12]，如圖1所示。

圖1 全站儀遙控測圖系統(tǒng)工作原理

全站儀是用于測量碎部點(diǎn)坐標(biāo)的儀器，在該系統(tǒng)中，要求全站儀要能夠具有數(shù)據(jù)輸出功能，即在測量完一個(gè)碎部點(diǎn)之后，立即將數(shù)據(jù)通過全站儀配置的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

棱鏡與傳統(tǒng)測量的棱鏡一樣，在此處要求在棱鏡的對中桿上，加設(shè)一個(gè)類似RTK對中桿配套的手簿托架裝置，該托架用于安置PDA。

PDA作為電子繪圖手簿，要求PDA能夠具有強(qiáng)對比度，方便野外測量時(shí)強(qiáng)光下能夠看清屏幕。同時(shí)要求PDA具有觸摸功能或者可以利用觸摸筆進(jìn)行操作，并且PDA能夠安裝第三方繪圖軟件，系統(tǒng)選擇Windows Mobile、Android、IOS等均可，該P(yáng)DA需要具有藍(lán)牙通信或者串口通信功能，方便數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸裝置是該系統(tǒng)的核心，它由遙控終端A和遙控終端B組成遙測系統(tǒng)，遙控終端A和遙控終端B間可進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，該系統(tǒng)的作用距離能夠達(dá)到數(shù)百米，完全滿足碎部測量外業(yè)作業(yè)距離要求。其具體工作原理如圖1所示。圖中的傳輸都要求能夠雙向通信，并且是全雙工的工作模式。

從圖1可以看出，該種作業(yè)模式只需要2人即可。1人在全站儀處進(jìn)行儀器操作，另1人在棱鏡處選擇待測點(diǎn)位進(jìn)行測量，并將測量的碎部點(diǎn)及時(shí)地在PDA上連點(diǎn)繪圖。

其主要工作過程為：

(1)在測量之前，根據(jù)圖1的方式，將遙控終端A與全站儀連接，利用數(shù)據(jù)線將遙控終端B與PDA連接，并且將遙控終端A與遙控終端B進(jìn)行頻率配對；

(2)根據(jù)碎部測量作業(yè)模式架設(shè)儀器，并進(jìn)行相關(guān)測站操作，完成碎部測量的準(zhǔn)備工作；

(3)跑尺員持棱鏡根據(jù)碎部點(diǎn)測量要求選擇待測點(diǎn)進(jìn)行立鏡；

(4)觀測員利用全站儀對棱鏡進(jìn)行照準(zhǔn)觀測，此時(shí)所測碎部點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)全站儀數(shù)據(jù)輸出端口將數(shù)據(jù)傳輸至遙控終端A；

(5)當(dāng)遙控終端A接收到數(shù)據(jù)之后，立即將數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送至遙控終端B；

(6)當(dāng)遙控終端B接收到數(shù)據(jù)之后，立即將數(shù)據(jù)接收，并傳輸至PDA；

(7)當(dāng)PDA接收到碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，即時(shí)將數(shù)據(jù)展繪到屏幕上，此時(shí)跑尺員即可根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場情況對所測點(diǎn)進(jìn)行連線繪圖，同時(shí)對數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)保存；

(8)循環(huán)(3)～(7)步，完成所有碎部點(diǎn)的測量和繪圖。

通過該種方式，跑尺員能夠根據(jù)現(xiàn)場情況利用精確坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖，該圖能實(shí)時(shí)客觀反映現(xiàn)場情況，避免了錯(cuò)誤的發(fā)生，同時(shí)也省時(shí)省力，效率高效。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面所述系統(tǒng)原理，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體要求對遙控測圖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)[13～15]，并申請獲得了國家專利授權(quán)[16]。

3.1 硬件選擇

硬件是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，故必須對硬件在外觀、性能等方面有一定的要求。

遙測終端A和遙測終端B的外殼為全鋁外殼，尺寸為180 mm×100 mm×20 mm，自帶電池，具有體積小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，透明傳輸，功耗低，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。同時(shí)，均采用高性能的無線射頻集成電路卡(IC卡)以及高速微控制單元(MCU)相結(jié)合的無線通信模塊，帶RS232異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。

PDA控制器必須具有觸摸屏，能夠通過觸摸筆或手觸方式實(shí)現(xiàn)指令的收發(fā)，同時(shí)具有高對比度屏幕等。

3.2 軟件選擇

該系統(tǒng)的軟件主要指PDA中的繪圖軟件，本次選擇的繪圖軟件是南方測繪公司的測圖精靈，利用測圖精靈能夠?qū)崿F(xiàn)碎部點(diǎn)的實(shí)時(shí)展繪，并且將碎部點(diǎn)連點(diǎn)成圖。同時(shí)還能將圖形導(dǎo)出成DXF交換格式，便于在電腦端進(jìn)行編輯。

3.3 實(shí)現(xiàn)效果

結(jié)合前面對全站儀遙控測圖系統(tǒng)原理的介紹，與儀器廠商合作對本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 全站儀遙控測圖系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2中，左邊部分為儀器端，全站儀架設(shè)在腳架上，并將遙控終端A鉤掛固定在腳架上。右邊部分為移動端，由跑尺員手持對中桿及全站儀配套棱鏡，并將遙控終端B和PDA利用托架固定在對中桿上，方便繪圖和攜帶。遙控終端A和遙控終端B均配置了移動電源，能夠保證遙控終端供電充足，同時(shí)還有指示燈，能夠指示當(dāng)前終端的工作狀況。

該系統(tǒng)能夠方便地移植到其他型號或品牌的全站儀上使用，同時(shí)為了讓PDA達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，還能擴(kuò)展使用GNSS手簿代替PDA，以方便外業(yè)使用。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的適用性及作業(yè)效率等，選擇一塊包含建筑、道路、植被等地物的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，本試驗(yàn)區(qū)的大小約為 200 m×200 m，將外業(yè)數(shù)據(jù)采集至內(nèi)業(yè)成圖整個(gè)流程的主要過程進(jìn)行對比，見表1(注：本表格中數(shù)據(jù)對比只針對當(dāng)前所用試驗(yàn)區(qū)，其他試驗(yàn)區(qū)可能會存在一定的差異)。

本文方法與草圖法作業(yè)模式對比結(jié)果 表1

表1從兩種作業(yè)模式的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)成圖、圖形正確率等方面進(jìn)行了對比，從表中可以看出本文方法在內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間和繪圖正確率上具有明顯優(yōu)勢，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集上所花費(fèi)的時(shí)間比傳統(tǒng)模式高，這是由于本文方法在進(jìn)行測量的過程中需要實(shí)時(shí)繪圖，并及時(shí)進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。

綜上所述，本系統(tǒng)與全站儀常規(guī)測量方法相比具有以下優(yōu)勢：

(1)避免繪圖錯(cuò)誤。由于常規(guī)方法的PDA由全站儀操作員或站立全站儀旁的第三人手持，若碎部點(diǎn)距離測站較遠(yuǎn)，非常容易看錯(cuò)碎部點(diǎn)間的連接關(guān)系而繪錯(cuò)圖形；

(2)測量速度快。傳統(tǒng)測圖方法中的工作主動方實(shí)為全站儀操作員，持棱鏡者雖能主動選擇待測點(diǎn)位，但無法及時(shí)看到測量圖形結(jié)果，因此，哪些點(diǎn)已測過，需要加測哪些點(diǎn)，而致使選點(diǎn)可能重復(fù)或點(diǎn)位選擇欠佳，進(jìn)而降低作業(yè)速度和成圖質(zhì)量。遙測系統(tǒng)非常好地克服了該缺點(diǎn)；

(3)即時(shí)繪成標(biāo)準(zhǔn)圖，減少內(nèi)業(yè)工作量，減少作業(yè)時(shí)間。常規(guī)方法所繪圖形一般需通過持棱鏡者與草圖繪圖員或全站儀操作員在內(nèi)業(yè)進(jìn)行溝通核對，作再繪加工，而遙測系統(tǒng)因?yàn)榛緹o差錯(cuò)，所以內(nèi)業(yè)所花時(shí)間極少或沒有；

(4)節(jié)約人力。常規(guī)方法一般需要2人～3人，遙測系統(tǒng)只需2人。

5 結(jié) 語

本文分析了傳統(tǒng)全站儀草圖法地形圖測繪的不足之處，結(jié)合無線通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，提出了全站儀遙控測圖系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)從系統(tǒng)原理、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)效果以及優(yōu)勢等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析，通過試驗(yàn)充分證明該系統(tǒng)能夠滿足精確、快速的測圖需求。

在以后實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)具體作業(yè)設(shè)備和測圖軟件的不同，對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以使其能夠更方便、快捷，同時(shí)降低系統(tǒng)的冗余性。