程相兵，楊　光

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

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外業(yè)測(cè)繪一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)

程相兵，楊光

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

Integrated Data Acquisition and Setting-out System for Field Surveying

CHEN Xiangbing,YANG Guang

摘要：結(jié)合當(dāng)前數(shù)字化測(cè)繪模式生產(chǎn)過程中的具體需求，依托通用型智能全站儀設(shè)備研究和開發(fā)了一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)直接嵌入全站儀操作界面，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及工程放樣等外業(yè)流程，極大提高了測(cè)繪作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：智能全站儀；數(shù)據(jù)采集；放樣；數(shù)字化測(cè)圖

外業(yè)測(cè)量是測(cè)繪作業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，地形測(cè)繪和工程測(cè)量中通常利用全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)快速采集。為提高作業(yè)效率，很多作業(yè)單位給全站儀配備連接輔助性外部設(shè)備(如PDA、筆記本電腦、PC-E500電子手簿等)。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：①加快了測(cè)繪輔助信息(如儀器高、覘標(biāo)高和地物屬性編碼等)的輸入；②可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和預(yù)處理，確保了數(shù)據(jù)可用性和完備性；③數(shù)據(jù)采集的記錄格式十分靈活，便于后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。但這種作業(yè)模式的局限性也很明顯：①與全站儀屬于工業(yè)級(jí)定制儀器、三防功能可靠性不同，用戶加裝的消費(fèi)類設(shè)備受外業(yè)環(huán)境影響很大，灰塵、電磁、陰雨等惡劣的作業(yè)環(huán)境因素都易造成設(shè)備失靈甚至數(shù)據(jù)丟失；②加裝設(shè)備與全站儀本身并不配套，往往只能限定特定機(jī)型使用，不利于設(shè)備和程序的通用性和應(yīng)用擴(kuò)展；③除了加裝設(shè)備以外，往往還需要定制數(shù)據(jù)傳輸線纜和接頭，這些冗余的設(shè)備會(huì)對(duì)全站儀作業(yè)造成不利影響，降低可靠性；④消費(fèi)電子領(lǐng)域更新?lián)Q代較快，PDA、PC-E500等輔助設(shè)備早已面臨停產(chǎn)或換代，這對(duì)測(cè)量模式的可持續(xù)性造成了困擾。

因此，部分測(cè)繪單位往往采用另一種應(yīng)用模式，即直接使用全站儀記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，但其缺點(diǎn)也很明顯：①由于數(shù)據(jù)采集功能是直接受限于全站儀的,可能因全站儀本身預(yù)設(shè)程序有限影響用戶作業(yè)或全站儀功能多價(jià)格貴且用戶無法替換；②受儀器面板大小的制約，全站儀的輸入按鍵都是集成的，要想通過極其有限的按鍵實(shí)現(xiàn)地物屬性等復(fù)雜編碼的信息錄入則須反復(fù)切換輸入模式，嚴(yán)重影響了測(cè)量速度；③用戶無法根據(jù)自己的規(guī)則來定制對(duì)所采集數(shù)據(jù)的檢核和處理，這就增加了因觀測(cè)不合格又未及時(shí)重測(cè)而導(dǎo)致返工的可能性，也加大了后期數(shù)據(jù)處理的難度。

為解決上述問題，本文擬結(jié)合當(dāng)前數(shù)字化測(cè)繪生產(chǎn)的具體需求，著手設(shè)計(jì)和開發(fā)出一套可直接應(yīng)用于智能全站儀的一體化外業(yè)測(cè)繪系統(tǒng)。所謂智能全站儀，是指可向用戶開放操作系統(tǒng)及開發(fā)接口的新型全站儀。

一、系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)

1. 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)的研發(fā)立足于筆者所在單位單位現(xiàn)有作業(yè)模式，既需要能夠滿足數(shù)字化測(cè)圖的高強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集，又能針對(duì)工程測(cè)量作業(yè)進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)處理，同時(shí)要求對(duì)各種全站儀具有較強(qiáng)的通用性。在功能設(shè)計(jì)方面，要求人機(jī)交互模式簡單實(shí)用，盡量降低用戶輸入強(qiáng)度和人工干預(yù)程度，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化?；谏鲜鲆?，本文的研發(fā)和應(yīng)用選擇以市面某款常見全站儀為例，其操作系統(tǒng)為Windows CE，配備改進(jìn)型EDM、遠(yuǎn)距離無線通信設(shè)備，勝任大規(guī)模高強(qiáng)度測(cè)繪任務(wù)，且儀器提供了通信接口與應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)互操作。開發(fā)所選擇的編程語言為C#，其優(yōu)勢(shì)在于基于.NET Framework的程序可直接運(yùn)行于PDA或Windows CE等智能設(shè)備上，適用當(dāng)前主流的全站儀設(shè)備且非常便于程序移植。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：①功能全面，應(yīng)涵蓋外業(yè)測(cè)繪的常用工作內(nèi)容，如散點(diǎn)采集、導(dǎo)線測(cè)量、坐標(biāo)測(cè)設(shè)、數(shù)據(jù)檢核等；②采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)，便于根據(jù)測(cè)繪需求及時(shí)增加或調(diào)整功能，也可提高系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)性；③面向流程的分層次設(shè)計(jì)，系統(tǒng)內(nèi)的交互界面層、核心功能層、接口控制層等既互相隔離又相互聯(lián)通，通過智能判別用戶輸入直接關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的協(xié)同作業(yè)，如可以同時(shí)實(shí)施導(dǎo)線測(cè)量和碎部采集作業(yè)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖1所示，其功能模塊主要包括：

(1) 用戶交互與輸入

該模塊在對(duì)全站儀原有物理鍵盤作功能配賦的基礎(chǔ)上，結(jié)合功能需要設(shè)置部分軟鍵盤。模塊的功能包括：①實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶輸入并判斷當(dāng)前測(cè)量工作的狀態(tài)，關(guān)聯(lián)執(zhí)行相關(guān)功能模塊；②允許用戶從移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備導(dǎo)入導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)和觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)等。

(2) 全站儀接口控制

該模塊負(fù)責(zé)與儀器底層的硬件交互，根據(jù)其他模塊的需求，向底層硬件發(fā)送不同格式的命令，解析返回值并反饋調(diào)用的模塊。該模塊不需要界面在后臺(tái)運(yùn)行，通過預(yù)定義接口直接操作儀器功能，確保了各類全站儀的技術(shù)通用性。

(3) 散點(diǎn)采集

該模塊通過判斷用戶輸入信息，結(jié)合流水線式工作流程，以極坐標(biāo)形式快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄，并驅(qū)動(dòng)儀器進(jìn)行相應(yīng)操作。

(4) 導(dǎo)線測(cè)量

根據(jù)用戶操作及觀測(cè)記錄信息，自動(dòng)判斷導(dǎo)線走向，發(fā)現(xiàn)有閉合導(dǎo)線則自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行平差計(jì)算，并保存和顯示平差結(jié)果供調(diào)用。

(5) 數(shù)據(jù)檢核預(yù)處理

根據(jù)用戶預(yù)定規(guī)則來定制對(duì)所采集數(shù)據(jù)的檢核和處理，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格數(shù)據(jù)予以剔除或提示重測(cè)。同時(shí)，可對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行后臺(tái)預(yù)處理，方便直接提交下一階段的內(nèi)業(yè)工作。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2. 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

(1) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集功能

外業(yè)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)量大、強(qiáng)度高，為提高程序?qū)嵱眯?、降低平臺(tái)硬件要求，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用仿DOS交互，虛擬鍵盤和物理鍵盤相結(jié)合監(jiān)測(cè)用戶輸入。如，用戶輸入導(dǎo)線點(diǎn)名和覘標(biāo)高，則驅(qū)動(dòng)儀器進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢核，不滿足規(guī)范要求則提示重測(cè)，滿足規(guī)范要求則記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。角度閉合差通過后，導(dǎo)線計(jì)算過程中按簡易平差模式對(duì)坐標(biāo)增量閉合差按下式進(jìn)行調(diào)整

(1)

式中，fx、fy分別為導(dǎo)線縱、橫坐標(biāo)增量閉合差。

若用戶輸入的是地物屬性代碼，則認(rèn)為當(dāng)前為碎部點(diǎn)測(cè)量，驅(qū)動(dòng)儀器進(jìn)行半測(cè)回測(cè)量并記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。為加快數(shù)據(jù)采集操作速度，系統(tǒng)還設(shè)置了默認(rèn)觀測(cè)參數(shù)值和快捷鍵等操作方式，若地物屬性和覘標(biāo)高與上次一致，則按儀器右側(cè)快捷按鈕一次即可繼續(xù)按現(xiàn)有參數(shù)進(jìn)行快速測(cè)量。同樣，在參數(shù)輸入狀態(tài)下，如不輸入?yún)?shù)直接按回車鍵，系統(tǒng)也會(huì)默認(rèn)調(diào)取前次觀測(cè)參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程如圖2所示，某種默認(rèn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)采集記錄格式如下：

圖2　外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

1,11,1.603

序號(hào),設(shè)站點(diǎn),儀器高

1,12,1.642,0.0000,90.4548,25.752,180.0002,269.1428,25.752

序號(hào),目標(biāo)點(diǎn),覘標(biāo)高,盤左水平角,垂直角,斜距,盤右水平角,垂直角,斜距

2,A,1.68,0.0000,90.4548,25.752,0,0,0

序號(hào),地物編碼,覘標(biāo)高,盤左水平角,盤左垂直角,盤左斜距

(2) 工程坐標(biāo)測(cè)設(shè)功能

坐標(biāo)測(cè)設(shè)也是工程測(cè)量中的常見工作之一，它需要把建筑物、構(gòu)筑物、控制點(diǎn)的平面位置和高程，按設(shè)計(jì)要求以一定的精度布設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)，以銜接和指導(dǎo)各工序的施工。坐標(biāo)測(cè)設(shè)功能的開發(fā)充分考慮了智能化作業(yè)，自動(dòng)提醒測(cè)量人員放樣并進(jìn)行精度檢測(cè)。模塊流程如圖3所示。

圖3　坐標(biāo)測(cè)設(shè)流程圖

其界面采用無標(biāo)題欄窗口的形式，在數(shù)據(jù)采集模式下按右方向鍵可直接切換至坐標(biāo)放樣模塊。為提高放樣效率，全部待放樣點(diǎn)均采用下拉列表框，且自動(dòng)按照距離當(dāng)前設(shè)站點(diǎn)的遠(yuǎn)近排序，距離最近的點(diǎn)排在最前，方便測(cè)量人員選取。放樣點(diǎn)選取后，系統(tǒng)自動(dòng)反算兩點(diǎn)間的水平距離與坐標(biāo)方位角

(2)

(3)

測(cè)量員按顯示在用戶界面上的目標(biāo)方向及距離提示，旋轉(zhuǎn)儀器至目標(biāo)方向后按測(cè)距按鈕測(cè)量平距，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果前后動(dòng)態(tài)調(diào)整棱鏡。方向和距離都滿足放樣精度要求時(shí)即可指揮定樁，系統(tǒng)自動(dòng)記錄當(dāng)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)并在下拉列表中將該點(diǎn)標(biāo)記為已完成作業(yè)，避免重復(fù)選擇。

二、系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)開發(fā)完成后，在廣州某公園1∶500數(shù)字化地形圖測(cè)量項(xiàng)目中與幾種傳統(tǒng)作業(yè)方式進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。在作業(yè)人員和地物復(fù)雜程度相同的情況下，都要求輸入地物屬性編碼進(jìn)行碎部采集，詳細(xì)對(duì)比情況見表1。

表1　3種不同采集作業(yè)模式的應(yīng)用測(cè)試對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，與全站儀直接測(cè)量的傳統(tǒng)作業(yè)模式相比，本系統(tǒng)作業(yè)效率提高了一倍以上；與全站儀加裝PC-E500的測(cè)量模式相比，本系統(tǒng)作業(yè)效率提高了約43%。且系統(tǒng)的穩(wěn)健性、易用性得到了驗(yàn)證，極大地降低了作業(yè)強(qiáng)度。

廣州某特大橋擴(kuò)建工程測(cè)量項(xiàng)目中，需對(duì)83個(gè)用地界樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣。按傳統(tǒng)作業(yè)模式，需先進(jìn)行圖根控制測(cè)量，再導(dǎo)出觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)線平差計(jì)算。由于現(xiàn)場(chǎng)施工遮擋嚴(yán)重，還需根據(jù)地形圖進(jìn)行放樁設(shè)計(jì)和坐標(biāo)反算后才能再回到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行放樁工作。采用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)線觀測(cè)閉合后自動(dòng)進(jìn)行平差計(jì)算，無需繁瑣的數(shù)據(jù)處理就能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)設(shè)，并且可直接根據(jù)施工通視情況動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)、放點(diǎn)，按距離遠(yuǎn)近依次作業(yè)，如圖4所示。項(xiàng)目工期由3天縮短到2天，效率提高30%以上，且作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了流程化、交互化，減少了人工干預(yù)。

三、結(jié)束語

外業(yè)測(cè)量是測(cè)繪作業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文所設(shè)計(jì)的一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)較好地結(jié)合當(dāng)前數(shù)字化測(cè)繪生產(chǎn)的具體需求，功能覆蓋了外業(yè)的主要工作內(nèi)容，既滿足高強(qiáng)度數(shù)字化測(cè)圖的數(shù)據(jù)采集，又能針對(duì)工程測(cè)量進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)處理，兼具數(shù)據(jù)檢核和簡易平差功能，真正做到了隨測(cè)隨算、隨輸隨放。

圖4　坐標(biāo)測(cè)設(shè)模塊用戶界面

系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開發(fā)，直接嵌入全站儀操作界面，運(yùn)行穩(wěn)定、高效，便于及時(shí)增加或調(diào)整測(cè)繪功能，人機(jī)交互自動(dòng)化程度較高，易于程序移植。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，提高外業(yè)作業(yè)效率可達(dá)30%以上，且對(duì)各種全站儀具有較強(qiáng)的通用性，值得在測(cè)繪與地理信息行業(yè)內(nèi)大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

[2]李青岳,陳永奇.工程測(cè)量學(xué)[M].北京:測(cè)繪出版社,1995.

[3]孔祥元,梅是義.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,1996.

[4]呂志平,魏子卿,李軍,等.我國CGCS2000高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換格網(wǎng)模型的建立[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,42(6):791-797.

[5]楊光.基于CORS平臺(tái)的三維坐標(biāo)在線轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào),2008(11):10-13.

[6]王磊,丘廣新,王大鵬.廣州地鐵竣工驗(yàn)收測(cè)量系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息,2008,6(2):15-18.

[7]杜寧,王莉.測(cè)定地面點(diǎn)與線路位置關(guān)系的快速方法[J].測(cè)繪通報(bào),1999(11):20-21.

[8]呂西臣.嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2007.

[9]王琳,商周,王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2004(8):4-8.

[10]劉成龍,楊友濤,徐小左.高速鐵路CPⅢ交會(huì)網(wǎng)必要測(cè)量精度的仿真計(jì)算[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008，43(6):718-723.

中圖分類號(hào)：P204

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0123-04

作者簡介：程相兵(1981—)，男，工程師，從事工程測(cè)量工作。E-mail: ibbol@qq.com

收稿日期：2015-03-09

引文格式： 程相兵，楊光. 外業(yè)測(cè)繪一體化數(shù)據(jù)采集與測(cè)設(shè)系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：123-126.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0067.