陽德勝

（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 廣州510507）

在工程測量中，需要采集地表上各種形式的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，如地形與地籍測量中的碎部點(diǎn)和細(xì)部點(diǎn)、變形觀測的監(jiān)測點(diǎn)等，全站儀是一種具備在地面上直接測量目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)的功能的常用測量儀器，利用全站儀測量目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)一般包括兩種方法，即定點(diǎn)設(shè)站法和自由設(shè)站法，其中，定點(diǎn)設(shè)站法是普遍采用的測量方法，經(jīng)過廣大測繪工作者的研究和創(chuàng)新，自由設(shè)站法也逐步得到推廣。鄧清軍等將全站儀自由設(shè)站法應(yīng)用于數(shù)字化測圖工作中。張偉、陳子進(jìn)等將全站儀自由設(shè)站法拓展應(yīng)用于變形觀測工作中。王慶等對自由設(shè)站法進(jìn)行了精度分析，得出結(jié)論:① 全站儀自由設(shè)站的測站點(diǎn)點(diǎn)位精度呈現(xiàn)同心圓等距向外衰減，圓中心在已知點(diǎn)加權(quán)平均中心上，半徑?jīng)Q定于已知點(diǎn)的精度、數(shù)量和分布，與測站的交會(huì)角度幾乎沒有關(guān)系；② 全站儀自由設(shè)站測量目標(biāo)點(diǎn)的精度呈現(xiàn)同心圓等距向外衰減，圓中心在已知點(diǎn)加權(quán)平均中心上，半徑?jīng)Q定于已知點(diǎn)的精度、數(shù)量和分布，與測站點(diǎn)的位置幾乎無關(guān)，且可能高于測站點(diǎn)的精度。定點(diǎn)設(shè)站法的外業(yè)基本包括:對中、整平、設(shè)站（輸入測站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)和儀器高）、定向、觀測（輸入鏡站高和編碼）。定點(diǎn)設(shè)站法觀測得到的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)通常是工程坐標(biāo)系中的成果，因此，內(nèi)業(yè)可直接利用。自由設(shè)站法的外業(yè)基本包括:整平、定向、觀測（輸入鏡站高和編碼）。自由設(shè)站法觀測得到的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)一般是測站坐標(biāo)系中的成果，而測站坐標(biāo)系不一定與工程坐標(biāo)系一致，如果不一致，則需要在內(nèi)業(yè)中將測站坐標(biāo)系中的成果轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系中的成果，然后才能進(jìn)一步利用。在外業(yè)上，自由設(shè)站法比定點(diǎn)設(shè)站法具有更高的作業(yè)效率，主要表現(xiàn)在:自由設(shè)站的測站位置可自由選擇，更加方便和靈活；自由設(shè)站步驟少，不需要對中，也不需要輸入測站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)和儀器高，只需要設(shè)置測站坐標(biāo)系，一次性輸入測站假定坐標(biāo)（10 000，10 000，10 000）；在定向前可先行開展觀測工作，在觀測過程中，經(jīng)過已知點(diǎn)時(shí)順便進(jìn)行定向，在內(nèi)業(yè)上，自由設(shè)站法比定點(diǎn)設(shè)站法較為繁瑣，以地形圖測量為例，需要逐測站繪圖，再逐一平移旋轉(zhuǎn)圖形。為了提高自由設(shè)站法內(nèi)業(yè)的效率，專門開發(fā)了一種輔助計(jì)算程序“細(xì)部之友”，利用“細(xì)部之友”，能夠在內(nèi)業(yè)中快速將自由設(shè)站法測站坐標(biāo)系坐標(biāo)成果自動(dòng)批量轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系成果，在道路勘測工作中應(yīng)用在地面數(shù)字化測圖和路線精細(xì)數(shù)字地面模型制作以及高邊坡變形測量等方面，本文擬介紹全站儀自由設(shè)站法輔助計(jì)算程序“細(xì)部之友”的設(shè)計(jì)情況。

1 程序設(shè)計(jì)思路

全站儀自由設(shè)站法測量目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)所定義的平面坐標(biāo)系為測站假定坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)也是假定的，在觀測目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，也觀測均勻分布在目標(biāo)點(diǎn)附近的二個(gè)或兩個(gè)以上已知點(diǎn)，那么，在采用自由設(shè)站法完成一個(gè)測站的觀測工作后，觀測成果保存在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，其中已知點(diǎn)有分別采用工程坐標(biāo)系和測站坐標(biāo)系的兩套成果，不同坐標(biāo)系中的已知點(diǎn)的空間位置關(guān)系在一定測量誤差范圍內(nèi)是一致的，即分別在測站坐標(biāo)系中和工程坐標(biāo)系中，任意兩個(gè)已知點(diǎn)間的距離和高差是近似相等的，任意不在同一直線上的三個(gè)已知點(diǎn)所組成的三角形是近似全等的，利用已知點(diǎn)空間位置關(guān)系的相似性，可建立工程坐標(biāo)系中和測站坐標(biāo)系中同一已知點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，從而建立工程坐標(biāo)系和測站坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將同一測站所觀測的目標(biāo)點(diǎn)成果全部由測站坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系成果，其中，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用四參數(shù)法（即赫爾默特轉(zhuǎn)換法），高程轉(zhuǎn)換采用平均高差改正法。

2 程序主要控件設(shè)計(jì)

“細(xì)部之友”采用VB6.0編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示，在主窗體的上方設(shè)置了6個(gè)“ComboB－ox”控件、2個(gè)“OptionButton”控件和2個(gè)“Check－Box”控件，分別用于設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)、關(guān)聯(lián)方法、數(shù)據(jù)處理方法以及是否輸出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分析文件，在主窗體的中間位置對稱設(shè)置了2個(gè)“DirListBox”控件和2個(gè)“FileListBox”控件，其中，左側(cè)的“DirList－Box”控件用于設(shè)置父級(jí)細(xì)部點(diǎn)數(shù)據(jù)文件路徑，左側(cè)的“FileListBox”控件用于選定父級(jí)細(xì)部點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，右側(cè)的“DirListBox”控件用于設(shè)置子級(jí)細(xì)部點(diǎn)數(shù)據(jù)文件路徑，右側(cè)的“FileListBox”控件用于選定子級(jí)細(xì)部點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。

圖1 程序主要控件設(shè)計(jì)

3 程序運(yùn)行過程和結(jié)果

如圖2所示。在測量項(xiàng)目文件夾下建立以測量日期命名的文件夾，再在該文件夾下建立“轉(zhuǎn)換后”和“轉(zhuǎn)換前”兩個(gè)文件夾，將工程坐標(biāo)系中的已知點(diǎn)成果以數(shù)據(jù)文件的形式放在“轉(zhuǎn)換后”文件夾中，將測站坐標(biāo)系的觀測成果以數(shù)據(jù)文件的形式放在“轉(zhuǎn)換前”文件夾中。

準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)文件后，先按默認(rèn)的轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行自動(dòng)批量轉(zhuǎn)換，如果個(gè)別數(shù)據(jù)文件不能滿足默認(rèn)的轉(zhuǎn)換條件，再重新設(shè)置轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行手動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換條件包括:已知點(diǎn)間最短距離條件、邊長比對差值條件、高差比對差值條件、允許點(diǎn)位誤差條件、允許高程差值誤差條件、關(guān)聯(lián)方法條件。其中關(guān)聯(lián)方法包括:自由邊關(guān)聯(lián)、自由網(wǎng)關(guān)聯(lián)、受控邊關(guān)聯(lián)、受控網(wǎng)關(guān)聯(lián)。邊關(guān)聯(lián)指只有兩個(gè)公共已知點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)聯(lián)則多于兩個(gè)公共已知點(diǎn)，自由關(guān)聯(lián)指觀測數(shù)據(jù)文件中全部測點(diǎn)兩兩之間均計(jì)算邊長和高差對照，受控關(guān)聯(lián)則將觀測數(shù)據(jù)文件中經(jīng)過編碼標(biāo)記的已知點(diǎn)挑選出來計(jì)算兩兩之間的邊長和高差對照，顯然，受控關(guān)聯(lián)的計(jì)算效率高于自由關(guān)聯(lián)，故通常采用受控關(guān)聯(lián)的計(jì)算方法，但在外業(yè)時(shí)必須對已知點(diǎn)進(jìn)行編碼標(biāo)記，另外，已知點(diǎn)之間的高程差值必須大于高差比對差值的設(shè)置值，一般應(yīng)大于10cm。

圖2 程序主界面

程序自動(dòng)建立已知點(diǎn)在工程坐標(biāo)系和測站坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，并自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

自動(dòng)批量轉(zhuǎn)換或手動(dòng)轉(zhuǎn)換的結(jié)果放在“轉(zhuǎn)換后”文件夾里（如圖2所示）。

采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖3所示的轉(zhuǎn)換結(jié)果，圖3中，左上為工程坐標(biāo)系已知點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，右上為測站坐標(biāo)系數(shù)據(jù)文件，左下為轉(zhuǎn)換后的觀測數(shù)據(jù)文件，右下為已知點(diǎn)邊長和高差對照信息及精度評定信息，右下的完整信息如圖4所示，圖3正下方信息欄中還會(huì)顯示已知點(diǎn)轉(zhuǎn)換的最大點(diǎn)位誤差、最大高差誤差和最弱邊相對精度。

在進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換時(shí)，通常全部采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。

圖3 程序運(yùn)行結(jié)果（一）

與定點(diǎn)設(shè)站法相比較，每天平均多花費(fèi)大約10min，利用輔助計(jì)算程序“細(xì)部之友”將測站坐標(biāo)系中的觀測數(shù)據(jù)文件全部轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系中的成果，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作后，后續(xù)的內(nèi)業(yè)與定點(diǎn)設(shè)站法的內(nèi)業(yè)無異。

圖4 程序運(yùn)行結(jié)果（二）

4 結(jié)束語

與定點(diǎn)設(shè)站法相比較，自由設(shè)站法主要有以下技術(shù)特點(diǎn):

1）外業(yè)步驟少，效率更高。

2）對已知點(diǎn)通視條件不限制，在等級(jí)已知點(diǎn)密度不足的情況下，可以采用網(wǎng)狀圖形發(fā)展下一級(jí)控制點(diǎn)，比定點(diǎn)設(shè)站法支點(diǎn)更具可靠性，下一級(jí)控制點(diǎn)點(diǎn)位選擇更加靈活，甚至可用油漆筆畫在墻壁上或電線桿上（如果測量地形圖，非地表控制點(diǎn)不能保留在地形圖圖面上）。

3）在地形測量或數(shù)字地面模型測量中，圖根控制測量在工序上可后于碎步測量，在外業(yè)組織安排上更加靈活，并且，在外業(yè)中不必頻繁輸入控制點(diǎn)，觀測員壓力小，每一測站一般至少測量三個(gè)已知點(diǎn)，檢核條件多，出錯(cuò)的可能性低，與GPS－RTK配合，技術(shù)優(yōu)勢更加突出。

4）目標(biāo)點(diǎn)的測量精度與全站儀標(biāo)稱精度、鏡站對中精度、已知點(diǎn)測量照準(zhǔn)精度和鏡高測量精度直接相關(guān)，可根據(jù)需要靈活控制。

5）利用高精度免棱鏡全站儀開展運(yùn)營階段公路高邊坡位移監(jiān)測，一人一車一機(jī)即可快速完成外業(yè)，內(nèi)業(yè)可自動(dòng)化處理。

近五年來，“細(xì)部之友”已經(jīng)在二十多個(gè)高速公路勘測項(xiàng)目中得到應(yīng)用，采用自由設(shè)站法，提高作業(yè)效率，達(dá)到化繁為簡的目的，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，取得顯著的綜合效益。

到目前為止，道路勘測數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化的研究和開發(fā)工作，已經(jīng)初步建立了道路勘測數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化技術(shù)體系，“細(xì)部之友”是其中的一個(gè)“小精靈”。如果增加全站儀的通訊功能，使之能將目標(biāo)點(diǎn)測站坐標(biāo)系的成果實(shí)時(shí)發(fā)送給鏡站電子手簿，從鏡站電子手簿中輸入鏡高，并且在鏡站電子手簿中實(shí)時(shí)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，那么，全站儀自由設(shè)站測量目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的功能就更加完善了。如果對全站儀內(nèi)置點(diǎn)位放樣程序進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)全站儀自由設(shè)站法進(jìn)行點(diǎn)位放樣的功能。

［1］中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院.JTG C10－2007公路勘測規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院.JTG／T C10－2007公路勘測細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì).GB50026－2007工程測量規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2008.

［4］李青岳，陳永奇.工程測量學(xué)［M］.北京:測繪出版社，1995.

［5］鄧清軍，高飛，李曉莉.利用自由設(shè)站法進(jìn)行數(shù)字化測圖的探討［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（7）:1069－1071.

［6］馬洪磊，劉成龍，宋韜，等.自由測站方法在平面控制網(wǎng)測量中的應(yīng)用［J］.測繪工程，2014，23（5）:51－54.

［7］張偉，李會(huì)青，洪樹生.全站儀非固定站差分法監(jiān)測深基坑坑壁位移［J］.測繪通報(bào)，2002（10）:45－47.

［8］陳子進(jìn)，吳斌，梅連友.全站儀坐標(biāo)差分法在高邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）:130－134.

［9］鄒浜，劉成龍，馬洪磊，等.自由測站邊角交會(huì)網(wǎng)在工程中的應(yīng)用［J］.測繪工程，2014，23（10）:58－62.

［10］王慶，于先文.顧及已知點(diǎn)精度的自由設(shè)站算法及精度分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39（2）:372－376.

［11］龔循強(qiáng)，李威俊，周秀芳.自由測站法在高速鐵路CPIII平面網(wǎng)測量中的應(yīng)用［J］.測繪工程，2013，22（6）:81－85.

［12］陽德勝，邱贊富.道路斷面測量和細(xì)部測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用［J］.公路工程，2010，35（4）:67－70.