新型测量机器人导线测量自动化的开发与应用

吕宏权

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

新型测量机器人导线测量自动化的开发与应用

吕宏权

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

长期以来，导线测量一直采用“人工”参与的测量和计算模式，该模式效率低、易出错。为解决这一问题，以新型的TM/TS30智能全站仪和PC机为平台，分析硬件和软件的开发环境，借助机载软件和计算机编程软件，设计导线测量外业数据采集自动化和内业数据处理自动化的思路步骤，并结合市场上普遍使用的“南方平差易”和“科傻”2种平差软件，探讨软件格式的衔接程序，最后完成了测量记录簿的自动化生成设计。通过实际应用得出：本开发可显著提高劳动工作效率、实现测量外内业的无缝衔接，提高测量工作质量、保证测量精度。

测量机器人；导线测量;自动化系统；全站仪；机载软件

0 引言

导线测量自动化系统的集成，是充分利用智能型全站仪的人工智能特性，配合计算机的硬件、测量数据分析软件、操作系统技术、数据库技术和输出设备，构成满足铁路、公路等工程测量需求的自动化测量处理系统。多年来，从事铁路、公路等施工单位的测量机构，在导线测量作业中一直采用“人工观测”+“手工/电子记录”+“手工或电子录入计算机”的导线测量和计算模式，这种测量模式的缺点是效率较低、易出错。

在此前导线测量自动化系统的研究中，大都是对基于TPS系列旧型号的全站仪进行探讨和设计[1-3]，有侧重于全站仪数据自动采集模块和外接PDA处理器的设计[4-5]，有侧重于全站仪机载程序+数据自动处理模块的设计[6]，也有仅对记录簿的自动输出进行的设计[7-8]。本文从导线测量的外业和内业2个方面进行探讨设计，与相关研究主要不同之处在于：外业是依据导线测量工作整体流程，基于新型智能全站仪进行程序模块设计；内业是结合市场上普遍使用的“南方平差易”和“科傻”2种平差软件，设计了数据格式后处理程序，又根据日常测量工作需要，设计了测量记录簿的格式内容并自动生成输出。从而实现导线测量的自动化。

1 导线测量自动化设计思路

导线测量的自动化是实现测量外业数据采集的自动化和内业数据处理的自动化，外业基于新型TM/TS30全站仪，在其二次开发平台GeoC++上，探讨设计机载导线测量软件，依工程项目要求，自主设计观测程序，导线观测数据由存储卡自动导入计算机。内业在计算机上设定数据转换格式，由开发的初步后处理软件对原始数据进行预处理后，导入严密的导线平差软件完成数据处理，最后利用编写的Excel输出数据格式软件，自动生成导线观测记录簿和测量成果报告的阅读格式文件，实现导线测量、计算和输出的自动一体化。

2 外业数据采集自动化设计

2.1 TM/TS30全站仪和软件开发环境

TM/TS30智能全站仪是测量机器人TCA1800和2003的升级替代产品，在机载软件控制下能完成自动识别目标、测量(水平角、垂直角和距离)目标和记录观测数据；有完善的On-1ine指令，用户可根据实际需要方便地运用Visual Basic，Visual C++，PASCAL等编程语言编程，在On-1ine模式下，以一定的通信方式能方便地用PC机控制仪器，完成各种自动测量；其采用PCMCIA卡做载体记录数据，也可记录在仪器的内存中，通过RS-232接口将数据传输到PC机上，进行观测数据的后处理，用统一的数据载体、数据接口和数据格式将各种各样的测量方法和数据处理系统联接起来，即在统一的基础上，达到仪器间的数据共享，从而提高内、外业工作效率。

GeoC++是测量机器人的生产厂家为该厂的智能全站仪高端产品和仿真器度身定制的一种编程语言，允许用户能够对该系列智能全站仪进行专业性开发。GcoC++强大的功能是通过嵌入式函数调用测量机器人上已有的子系统和对话框来实现参数设置、测量操作、专门的测量计算等多种任务。利用此工具程序员可以快捷地编写出复杂的测量应用程序，经过数据电缆上传到测量机器人内存中，以后就可以随机调用，从而方便、高效地进行测量作业。GcoC++应用程序在上传到仪器上时需要将程序的版本和仪器的型号进行核对，低版本的程序上传不到高版本的仪器上。GeoC++较以往的GeoBasic，GeoCom平台的功能更强大，可靠性更强，可模拟仪器运行环境在微机上调试程序。GeoC++还提供了丰富的资源，如应用程序类、Model类、Controller类和Dialog类，用户开发的专用测量程序编译后可以上传到全站仪上作为机载程序运行，实现了对用户的可开放性。

Visual Basic是Microsoft公司推出的一个集成开发环境，是Microsoft Studio系列开发工具之一，是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。利用Windows内部的广泛应用程序接口(API)函数，以用动态链接库(DLL)、对象的链接与世隔嵌入(OLE)、开放式数据连接(ODBC)等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。

2.2 机载软件功能设计

2.2.1 设计思路

全站仪数据自动采集主要依据导线测量的原理和方法来对全站仪进行编程、设定、控制，进而达到数据采集自动化、智能化的目的。导线测量整体工作流程见图1。

图1 导线测量整体流程

应用程序需由参数设置、测站设置、学习测量、测量(含角度、距离等)、文件管理等模块组成。模拟框架见图2。

图2 程序功能模块

限差设置好后，自动化的关键体现在测量、限差检核、记录存储等这些需要判断的工作模块上。图3和图4为距离测量和角度测量中的工作流程及限差考核。

图3 距离测量

图4 角度测量

2.2.2 数据自动采集功能设计

机载导线自动测量应用软件的系统功能主要包括工程管理、系统设置、仪器控制及控制网测量等。

2.2.2.1 工程管理

包括新建工程、打开工程、关闭工程、另存为工程及删除工程等功能。新建一个工程时,会自动产生空数据文件(部分有系统默认数据)。打开一个工程后,系统会读取数据文件中的数据到相应的虚拟表和数组变量中去。

2.2.2.2 系统设置

主要配置信息文件中的参数,包括初始化全站仪、气象参数设置、测站设置、单位及坐标系设置、观测限差设置及参考点设置等。

2.2.2.3 仪器控制

搜寻目标点、读取当前位置和仪器定位等。

2.2.2.4 导线测量

导线测量是系统的核心部分,包括初始测量、自动测量、数据整理和数据查看4个子模块。初始测量获取控制点概略位置信息或依据测点的概略坐标计算初始概略位置信息。仪器可以自动同步观测水平角、距离和垂直角,自动检查测回内的所有限差,原始数据都实时记录到全站仪内存中。如测回间出现超限,根据实际情况采取人工选择性的方式重测某一测回。通过自动测量得到的都是原始数据,但是为了找出测回间的限差,设计制定机载软件功能及工作模块如下：

1)程序初始化，输入测站的气温、气压等。

2)限差设置。一测回2C互差、同一方向各测回间方向值互差，超限提示方式。

3)系统设置。输入测站点点号、仪器高度、测回数、测站点三维坐标等，在没有已知点坐标时应自动把测站坐标以及后视方位角置零处理，比如在任意点观测或者从导线线路的终点开始观测这种情况，以选项卡的方式供用户自行选择。

4)学习测量。以获得各目标点初始空间位置信息，使测量机器人能够在每个目标概略位置的视场范围内，自动搜索目标；人工输入后视点点名、后视点镜高、前视点点名、前视点镜高；人工粗略照准各测量点上安置的棱镜并测量水平角及竖直角，并将点名、水平角、竖直角、棱镜高按指定格式存储到指定文件中。

5)开始测量。通过读取学习点位置信息，全站仪望远镜按照学习点的信息逐系统启动自动搜索功能来精确瞄准目标点、观测，每测回观测完毕后计算水平角、竖直角的2C差以及距离互差，软件给予提示进行重测，合格后统一将整测回数据写入指定格式的数据文件中，自动进入下一测回。

6)全部测回观测完毕后计算同一方向各测回间方向值互差、垂直角测角互差、距离互差等合格后，选择搬到下一站、下一方向测量、计算同一方向各测回角度值和距离值、结束测量等3个功能，退出程序；如果超限则给予提示，剔除不合格测回数据，增加测回观测，直至合格为止。另外，按照一点一方向的观测方法，观测完一站后，不能继续本站观测其他方向，需退出程序并新建作业；在观测完一站后，以选项的方式供用户选择继续本站观测其他方向。

7)在进行支导线测量时，在最后一站测量过程中不能返测其距离和高差，这里以选项的方式供用户选择来进行返测与后处理相结合的方式来实现。

8)错误处理。当测量过程中碰到目标被遮挡或者无法正确观测的情况，仪器会自动重新尝试测量2次。如仍然无法正确完成观测，仪器将询问是否要退出当前点测量。当退出当前点测量以后，用户可以在没有被遮挡的环境下再次启动，程序会继续进行当前点测量。

9)简易平差。程序可以实现简易坐标推算功能，依据起始点坐标及采集左角与距离高差数据推算导线点坐标，可以用于控制点临时坐标。

10)文件管理。导出特定格式观测数据功能、坐标推算功能、简易平差功能。

3 内业数据处理自动化设计

3.1 原始数据导入计算机

徕卡智能型全站仪对其数据输出格式采用的开放性管理，这也就意味着可以依据需求对全站仪采集数据进行相关固定格式输出，实现数据的单独处理。全站仪的测量工作也就是实现相关点位的竖直角、水平角、斜距的采集，然后进行相关处理来实现与显示平距、坐标值、方位角等信息。这里利用这个特点来提取记录信息中的相关有用信息，来实现数据的输出功能。数据导出格式编辑见图5。

图5 导线格式文件编辑

利用徕卡办公软件中的格式管理器对仪器导出数据信息格式进行规范和编辑，经过多次试验，考虑到导线观测数据的需要与精确度要求，建立dxgswj.FRT格式文件。文件以记事本打开内容见图6。

如图6所示，导线格式文件包含了文件创建日期、创建编辑器版本、格式适合系统版本等基础信息，另外还包括了徕卡以固定格式编码的格式文件信息，如：设站点名及其相关信息、后视前视及其相关信息、观测竖直角、观测水平角、观测斜距等。导

线格式文件编辑好后，需要导入到TM30比较人性化的CF卡中存储数据格式信息的Convert文件夹下。这样，就只需要在采集完导线观测数据后，在对数据导出处理时选择dxgswj.FRT格式，即可按常规方法导出导线观测数据。

3.2 数据预处理

通过编辑后的导线格式文件导出的导线观测数据具有编辑时的数据特点，但其数据却仍然是原始的竖直角、水平角、斜距等观测数据，这里需要对其进行数据预处理来得到计算时运用的数据。

图6 导线格式文件示例

3.2.1 观测数据的导出

如图7所示为仪器以导线格式文件格式导出的原始观测数据。截图显示了2个测站的测量信息，每个测站含有4个测回的数据信息。其中第1行为测站信息：测站点名、仪器高。后每4行为一测回信息，严格按照测量顺序输出，也即以全圆测回法数据顺序输出。每行信息依次为：照准点点名、水平角度、观测斜距、竖直角度及觇标高。

3.2.2 观测数据的预处理

这里利用Excel软件来完成观测数据的提取与预处理，此项工作利用Excel加载宏模块实现。导线测量加载模块示例图见图8。

仪器以导线格式文件导出的数据为*.txt格式文件，这里利用Excel来实现其读写、计算处理工作。主要功能模块功能见图9。

图7 导线观测数据示例

图8 数据预处理模块图例

图9 功能模块框图

在打开预处理程序后,首先要清空数据库数据，避免产生数据干扰影响数据处理，清空数据也就是清空上次计算数据内容。其次打开观测数据文件(*.txt文件)，进行辅助计算，辅助计算功能主要实现观测数据的预处理，含各观测测回水平角、距离、高差，各测站多测回左角平均值、前后视平距平均值、前后视高差平均值等，以便可以进行下一步坐标推算和平差工作。

3.3 平差软件数据格式输出

导线观测数据预处理完成后，需要将数据输出为平差软件处理数据格式文件。这里创建了市场上普遍使用的“南方平差易2005”和“科傻平面控制6.0”2种平差软件的数据格式输出模块，即“输出数据”目录下的“导出平差易平差文件”、“导出科傻平面平差文件.IN1”及“导出科傻平面平差文件.IN2”。以“南方平差易2005”为例，见图10—13：从观测数据(见图7)导入，到自动生成“平差易2005”文件的自动衔接过程，最后图13导出的平差易平差文件，就可以直接利用 “平差易2005”软件直接打开进行计算。

平差文件的导出不仅提高了工作效率，更多的是减少了人工录入等干预带来的错误，避免了计算人员造成数据错误的机会，保障了数据的准确度与可靠度。

3.4 数据平差计算

导出的平差文件可以直接利用相关平差软件直接打开，依据现场实测情况进行复核编辑即可进行数据平差工作。平差软件打开数据文件后，要依据实测情况对测量线路情况予以人工复核，录入已知点坐标，制定平差方案。选用常用的“南方平差易2005”和“科傻平面控制6.0”2种平差软件进行平差计算，建立2种输出格式，以便进行计算对比复核。

3.5 观测记录簿自动化生成

工程测量中，利用全站仪进行导线测量，但大部分还是传统的报数、手工记录到纸制手簿上，然后进行内业计算。使用Visual Basic编辑器在Excel系统中编写控制程序，实现导线测量的数字化、无纸化，自动化生成观测记录簿，减少了记录、录入错误的出现。记录簿自动化流程见图14。

3.5.1 观测数据预处理

导线测量观测记录簿的数据构成除了每次观测数据(每次照准读数：水平角、竖直角及斜距等)外，还需要记录每测回信息及每测站的信息，这就需要对观测数据进行相应的预处理以及规范工作。导线测量观测记录表数据的预处理与平差数据的预处理建立在同一个模块，处理方式即计算观测左角、高差、平距等平均值并将其存储到固定数据库中。

图10 清空

图11 打开的数据文件

图12 辅助计算图

图13 导出的平差易平差文件Fig.13 Adjustment documents produced by South Power Adjust software

图14 记录簿自动化流程

以下是部分数据预处理源代码：

Sub 计算多方向后视平均值()

Dim hjjun,hgjun As Variant

For I = 0 To UBound(m)- 1 ′循环所有测站

If Len(Cells(m(I),9).Value)<>0 Then ′判断M(I)行是否有文本,有则进入循环

hjjun = Application.WorksheetFunction.Average(Range(Cells(m(I),12),Cells(m(I + 1)- 1,12)))′计算后视平均距离

hgjun = Application.WorksheetFunction.Average(Range(Cells(m(I),14),Cells(m(I + 1)- 1,14)))′计算后视平均高差

……………………

Loop While Not IsEmpty(Sheets("转换计算中心").Cells(I,1).Value)

ReDim Preserve N(mK)

N(mK)= I

Dim J As Integer

3.5.2 记录簿自动生成

导线观测记录簿是测量人员在导线观测时所记录的原始观测数据，其信息包含了每次照准观测数据信息、测站信息(温度、气压、观测日期、测站点名、仪器高等)、各测回计算及检校信息等。

导线观测记录簿的自动生成部分源代码如下：

Sub 观测记录表()

′Application.ScreenUpdating = False

′ThisWorkbook.Sheets("转换计算中心").Activate

With Worksheets("观测记录表")

If.ProtectContents = True Then

.Unprotect

End If

.Range("M:Q").Columns.Hidden = False′显示M:Q列

.Rows("26:1526").EntireRow.Hidden = False ′显示26:1526行

………………………………

Call shezhiyemian

UserForm1.Hide

′Application.ScreenUpdating = True

With ActiveWindow

.ScrollRow = 1 ′ "将当前窗口工作表左上角单元格移至第1行第1列"

.ScrollColumn = 1

End With

With Worksheets("观测记录表")

.Range("A25:K" &dd - 21).FormulaHidden = True

.Protect 'ActiveSheet

End With

End Sub

仪器自动观测记录数据通过格式编辑器转换格式，直接利用Excel软件中记录簿自动化生成程序计算处理，直接可以点击“打印”按钮即可得到完整的导线观测记录簿，实现了记录簿的自动化生成。在工作中已经得到了很好的应用，减少了测量人员的劳动量，提高了工作效率。自动化生成的记录簿见图15。

4 结论与体会

随着科技的进步，越来越多的新型智能型全站仪被开发使用，为测量工作带来了很大的方便。本文是在成功引进TM/TS30新型全站仪后，结合自身日常所进行的一些测量项目，设想并开发了导线自动测量记录计算输出一体的功能化程序步骤，主要有如下体会。

图15 自动化生成的记录簿

1)TM/TS30新型测量机器人加载测量软件，配合计算机数据后处理程序极大地提高了传统导线测量的外业工作效率和可靠性，降低了外业观测对全站仪操作人员的技术要求，实现了导线测量的自动观测、数据格式的输出、导线数据的自动化处理、导线观测数据记录簿的自动化生成。

2)针对不同的测量机器人，各开发者在数据自动采集环节，设计思路和步骤都基本相似，但在数据处理和成果输出环节，因自身的需求不同，其设计思路和开发步骤都不尽相同。

3)本文针对TM/TS30新型测量机器人，结合本单位测量机构日常进行的导线测量复核格式，完成了数据处理与输出方面的自动化功能设计，实现了与现在市场上普遍使用的“南方平差易2005”和“科傻平面控制6.0”2种平差软件的自动衔接。

4)通过多年的测试应用，结果表明该自动化系统效率高、人员少、时间快、操作简便，特别是在隧道内进行导线测量，无需棱镜照明，自动锁定目标。具有一定的适用价值，精度较好，能满足一般工程的需要。

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DevelopmentandApplicationofNewAutomaticTraverseSurveyRobot

LV Hongquan

(TheFirstEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Manual traverse survey and calculation has been used for a long time,but it is error-prone and has low efficiency.In the paper,new TM/TS30 intelligent total station and PC model are presented,the development environment of the hardware and software is analyzed,and the procedure of the automation of field data collection and indoor data processing of traverse survey is designed.The connecting program of the software format is discussed on basis of the South Power Adjust Software and Cosa Power Adjust Software,and the automatic producing of the survey recording handbook is designed.The application of the practice shows that: 1)The new automatic traverse survey robot can improve the working efficiency significantly and can realize the complete connection between the field survey and the indoor data process;2)The new automatic traverse survey robot can improve the survey quality and guarantee the survey precision.

survey robot;traverse survey;automatic system;total station;software

2014-03-06;

2014-04-09

吕宏权(1970—)，男，河南新安人，1995年毕业于郑州解放军测绘学院,工程测量专业，本科，高级工程师，现主要从事隧道施工技术工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.005

U 45

A

1672-741X(2014)08-0737-08