向貴山

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州　510060)

1　引　言

全站儀全野外數(shù)字化成圖，作為目前一項(xiàng)成熟技術(shù)，在測繪行業(yè)中應(yīng)用愈來愈廣泛。諸多領(lǐng)域，尤其是工程類相關(guān)領(lǐng)域中，全站儀測量技術(shù)也逐漸成為必不可缺的內(nèi)容之一。目前主要有兩種作業(yè)模式：其一是常規(guī)內(nèi)、外業(yè)分開作業(yè)模式(測記法或稱草圖法)。利用儀器進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場草圖和編碼進(jìn)行作業(yè)[3]；內(nèi)業(yè)利用軟件展點(diǎn)，參照草圖及編碼，內(nèi)業(yè)成圖。該方法一般要求3人一組作業(yè)，且草圖編制工作難度大，草圖不準(zhǔn)確等引起誤差，降低成圖質(zhì)量。此種方式內(nèi)、外業(yè)工作量較大，內(nèi)、外作業(yè)環(huán)節(jié)脫節(jié)，該方法是目前全站儀數(shù)據(jù)采集成圖的主要技術(shù)方法。其二是固定式內(nèi)、外業(yè)成圖一體化模式(電子平板法)，本方法利用便攜式手提電腦作為依托，利用數(shù)據(jù)線與儀器連接，實(shí)時(shí)導(dǎo)入點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)成圖一體化。此模式中，利用數(shù)據(jù)線或藍(lán)牙進(jìn)行傳輸，作業(yè)范圍小因此作圖人員為觀測員，而無法得知測量點(diǎn)位現(xiàn)場的實(shí)際情況，雖可減少內(nèi)業(yè)工作，但作業(yè)效率難以提高。

常規(guī)內(nèi)、外業(yè)分開作業(yè)模式[1]或固定式內(nèi)、外業(yè)成圖一體化模式[2]都必須依托常規(guī)的通信設(shè)備(對講機(jī)或手機(jī))作為溝通介質(zhì)，必須由跑點(diǎn)作業(yè)人員通知觀測員每個(gè)地物點(diǎn)類型，以便在全站儀上輸入代碼，在嘈雜的環(huán)境中易造成溝通困難或溝通錯(cuò)誤，也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致作業(yè)效率降低。為克服以上目前作業(yè)模式的缺陷，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)回傳測量成圖裝置[4～6]，從而改變上述兩種傳統(tǒng)作業(yè)模式，達(dá)到既節(jié)省人員投入又實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)的目的。

2　自動(dòng)回傳測量成圖裝置測量原理

本裝置主要利用全站儀測量原理、無線電臺(tái)快速傳接收技術(shù)以及移動(dòng)電子設(shè)備半自動(dòng)化成圖技術(shù)。其主要構(gòu)成框架包括全站儀、三角測量支架、測量桿、棱鏡、微型電臺(tái)信號發(fā)射器[7]、電臺(tái)信號接收器、數(shù)據(jù)線、測量遙控手柄、移動(dòng)電子設(shè)備(PDA)[8～11]、對講機(jī)，如圖1～圖3所示。

圖2　傳輸電臺(tái)主體構(gòu)造圖

圖3　電子平板設(shè)備構(gòu)造圖

全站儀選擇具有連接電臺(tái)接口的測量儀器，如有免棱鏡測量功能更佳。為滿足測量范圍信號接收器能夠快速獲取數(shù)據(jù)，配置一定功率的電臺(tái)發(fā)射裝置，與電源合并制成長、寬、高為：10 cm×10 cm×5 cm長方體，重量約為 1 kg～2 kg，焊接一個(gè)可直接懸掛在三角測量支架上的金屬掛鉤，用數(shù)據(jù)線與全站儀進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)采集和發(fā)射端即組裝完善。信號接收端配置一臺(tái)輕便移動(dòng)電子設(shè)備，內(nèi)置無線信號接收器，及自主開發(fā)的成圖軟件，同時(shí)配備一個(gè)大小合適的緊身背包，方便測量作業(yè)員隨身攜帶。選擇常規(guī)的測量桿和棱鏡設(shè)備，以配合儀器測量使用。通過傳輸微型電臺(tái)連接全站儀及移動(dòng)電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，如圖4所示。

圖4　電臺(tái)數(shù)據(jù)通信傳輸

該測量成圖裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)選用合適功率的發(fā)射電臺(tái)，與電源合并制成微型盒子，方便作業(yè)使用過程，減輕作業(yè)過程中因設(shè)備繁多而帶來額外工作。

(2)在測量儀器觀測范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的快速回傳，現(xiàn)場作業(yè)員可利用移動(dòng)電子設(shè)備自帶繪圖軟件實(shí)現(xiàn)邊看現(xiàn)場邊繪制電子草圖的工作模式，減少草圖編制工作的煩瑣及遠(yuǎn)程溝通所帶來的不便和成圖錯(cuò)誤，并可實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場作業(yè)照片等影像資料。

(3)傳輸裝置上配備的顯示屏與移動(dòng)端進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接，實(shí)時(shí)顯示并語音播報(bào)作業(yè)進(jìn)程，減少現(xiàn)場人為溝通的環(huán)節(jié)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示功能也避免了因嘈雜作業(yè)環(huán)境，帶來溝通上的不便。作業(yè)過程中，配合數(shù)據(jù)傳輸、屏幕顯示、語音播報(bào)裝置以及測量遙控手柄，儀器操作員根據(jù)提示信息，僅需瞄準(zhǔn)測量目標(biāo)，就可完成野外測量數(shù)據(jù)的半自動(dòng)化采集。

(4)配備的連線成圖軟件具備獨(dú)立地物自動(dòng)生成地物符號的功能，極大地減輕了繪圖的工作量，并確保成圖準(zhǔn)確性。經(jīng)驗(yàn)證明，城區(qū)地形測量中，獨(dú)立地物至少占所采集點(diǎn)數(shù)的50%以上，由此根據(jù)全站儀的自編碼功能通過數(shù)傳技術(shù)和軟件顯示技術(shù)將地物實(shí)時(shí)顯示在跑尺員終端，既實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)成圖功能，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與實(shí)地實(shí)時(shí)校對的功能，大大提高數(shù)據(jù)采集效率和成圖準(zhǔn)確性。

(5)由3人一組的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)2人一組的作業(yè)模式，節(jié)省了人力資源的投入，在提高外業(yè)作業(yè)效率的同時(shí)，減輕了內(nèi)業(yè)編圖的工作量，亦可避免對現(xiàn)場情況的記憶模糊而造成的編圖錯(cuò)誤。

3　自動(dòng)回傳測量成圖裝置作業(yè)實(shí)施

3.1　儀器現(xiàn)場安裝

將三腳測量支架架設(shè)于控制點(diǎn)，安裝好全站儀，根據(jù)觀測員的身高特點(diǎn)，將腳架調(diào)至合適的高度并對中整平。取出電臺(tái)設(shè)備，可放置于地面或利用自帶掛鉤懸掛在其中一個(gè)三腳支架上，用數(shù)據(jù)線將傳輸電臺(tái)和儀器進(jìn)行連接。

3.2　數(shù)據(jù)采集

打開測量儀器、電臺(tái)、移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行配對連接。并利用常規(guī)的測量方法進(jìn)行儀器測站定向，待定向完成后，跑點(diǎn)測量員利用便捷式背包攜帶移動(dòng)接受設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集工作。跑點(diǎn)員擺好儀器后發(fā)送“等待測量”的命令至數(shù)據(jù)傳輸端，測量員根據(jù)屏幕顯示的命令及語音提示，瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，按下測量遙控手柄按鈕，等待儀器返回?cái)?shù)據(jù)后，自動(dòng)將發(fā)送“數(shù)據(jù)傳輸成功”指令至移動(dòng)端，即可進(jìn)行下一點(diǎn)點(diǎn)位采集。

3.3　現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動(dòng)回傳

儀器采集點(diǎn)位信息后，程序設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)回傳，即每測完一個(gè)碎部點(diǎn)后，點(diǎn)擊記錄保存按鈕，便可在 1 s～ 3 s內(nèi)，將測點(diǎn)信息由無線電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳回給現(xiàn)場跑點(diǎn)員的接收設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展點(diǎn)。

3.4　現(xiàn)場成圖

跑點(diǎn)測量員可利用移動(dòng)PDA或電子平板設(shè)備，結(jié)合配備的軟件功能，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)狀獨(dú)立地物的自動(dòng)生成，并輔以人工實(shí)地判斷，繪制線、面地物符號，并可對現(xiàn)場重要或復(fù)雜地物進(jìn)行拍照處理，內(nèi)業(yè)參照修圖，移動(dòng)電子設(shè)備及軟件如圖5所示。

圖5　移動(dòng)電子設(shè)備成圖

3.5　內(nèi)業(yè)成圖

將現(xiàn)場編制電子簡圖，導(dǎo)入室內(nèi)專業(yè)成圖軟件，進(jìn)行簡單處理，增加文字標(biāo)注，進(jìn)行圖面整飾即可成圖，對現(xiàn)場記憶模糊處可參閱現(xiàn)場作業(yè)圖片繪制。

4　實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證自動(dòng)回傳測量成圖裝置在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的作業(yè)效率，擬采用三種作業(yè)模式：①常規(guī)內(nèi)、外業(yè)分開作業(yè)模式(草圖法)；②固定式內(nèi)、外業(yè)成圖一體化模式(電子平板法)；③自動(dòng)回傳測量成圖裝置作業(yè)；分別對同試驗(yàn)小區(qū)范圍進(jìn)行地形圖測量成圖試驗(yàn)分析。同時(shí)，在人員選擇方面，結(jié)合測圖人員能力情況，選取作業(yè)效率相同的3組人員進(jìn)行以上3種作業(yè)模式的數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)成圖工作。其中作業(yè)模式①為3人/組(其中1人繪制紙質(zhì)草圖)，作業(yè)模式②、③均為2人/組。

所選擇試驗(yàn)小區(qū)位于廣州市某建成區(qū)住宅小區(qū)，邊長約為 200 m×100 m封閉小區(qū)范圍，總面積約為 0.02 km2，范圍內(nèi)為建成區(qū)，封閉小區(qū)內(nèi)部分布有建筑物、道路、綠化帶、獨(dú)立設(shè)施等市政公共設(shè)施，較為密集。測區(qū)內(nèi)已經(jīng)布設(shè)好測圖控制點(diǎn)，根據(jù)場地情況共布設(shè)圖根控制點(diǎn)12點(diǎn)，共需擺站12次，利用全站儀采集細(xì)部點(diǎn)，并內(nèi)業(yè)成圖。

4.1　外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間分析

選擇在一個(gè)作業(yè)環(huán)境較為良好的天氣條件下，分別讓3個(gè)作業(yè)班組同時(shí)進(jìn)場，從不同的控制點(diǎn)開始進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，記錄進(jìn)場時(shí)間及最后結(jié)束時(shí)間，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的花費(fèi)時(shí)間及采集點(diǎn)數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6　外業(yè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)及時(shí)間對比圖

4.2　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成圖時(shí)間分析

所有班組外業(yè)作業(yè)完成后，轉(zhuǎn)到內(nèi)業(yè)成圖環(huán)節(jié)，作業(yè)模式①主要成圖人員為草圖編制人員，其他2個(gè)組員輔助成圖；作業(yè)模式②成圖人員為全站儀儀器操作員，同時(shí)跑點(diǎn)人員須全程仔細(xì)校對；作業(yè)模式③成圖人員為跑點(diǎn)人員，現(xiàn)場編制電子簡圖，導(dǎo)入室內(nèi)專業(yè)成圖軟件，進(jìn)行簡單處理，增加文字標(biāo)注，進(jìn)行圖面整飾即可成圖，對現(xiàn)場記憶模糊處可參閱現(xiàn)場作業(yè)圖片繪制。每個(gè)小組最后完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)繪制的時(shí)間結(jié)果如圖7所示。

圖7　內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間對比圖

4.3　綜合分析

作業(yè)模式①、②均依靠對講機(jī)等傳統(tǒng)的語言通信手段進(jìn)行交流，增加了作業(yè)過程的煩瑣性，如遇到周邊環(huán)境噪音較大時(shí)，更加制約了作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性。而自動(dòng)回傳測量成圖裝置外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程，由跑點(diǎn)員發(fā)出采集命令，直接下編碼，發(fā)出指令，儀器觀測者只需要瞄準(zhǔn)后測量即可，測量過程中幾乎可以不使用對講機(jī)進(jìn)行溝通，增加了作業(yè)效率的同時(shí)也提高了準(zhǔn)確性。

內(nèi)業(yè)作業(yè)過程中，作業(yè)模式①因采用紙質(zhì)電子版草圖，電子化需要從零開始，內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間最長，而作業(yè)模式②和自動(dòng)回傳測量成圖模式內(nèi)業(yè)有基礎(chǔ)的電子底圖作為模板，縮短了內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間。綜合內(nèi)、外業(yè)作業(yè)過程，對比作業(yè)效率結(jié)果如圖8所示。

圖8　作業(yè)總時(shí)間對比圖

綜上實(shí)驗(yàn)所述：自動(dòng)回傳測量成圖模式比作業(yè)模式①(常規(guī)內(nèi)、外業(yè)分開作業(yè)模式)提高了 63 min，提高了25%的作業(yè)效率，作業(yè)模式②(固定式內(nèi)、外業(yè)成圖一體化模式)提高了 79 min，提高了30%的作業(yè)效率。

5　結(jié)　論

自動(dòng)回傳測量成圖裝置作業(yè)模式提高了測量作業(yè)效率和成圖準(zhǔn)確性，可減少作業(yè)人員投入成本以及內(nèi)、外業(yè)測量工作量，提高測量成圖準(zhǔn)確性；并利用配套軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)狀獨(dú)立地物自動(dòng)展繪，現(xiàn)場人工準(zhǔn)確繪制線狀和面狀地形，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化成圖，極大減輕內(nèi)業(yè)成圖工作量。