外业测绘一体化数据采集与测设系统

2016-04-11程相兵

测绘通报 2016年2期

关键词：数据采集

程相兵，杨　光

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

外业测绘一体化数据采集与测设系统

程相兵，杨光

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

Integrated Data Acquisition and Setting-out System for Field Surveying

CHEN Xiangbing,YANG Guang

摘要：结合当前数字化测绘模式生产过程中的具体需求，依托通用型智能全站仪设备研究和开发了一体化数据采集与测设系统。该系统直接嵌入全站仪操作界面，可方便快捷地实现数据采集及工程放样等外业流程，极大提高了测绘作业效率。

关键词：智能全站仪；数据采集；放样；数字化测图

外业测量是测绘作业中的关键环节，地形测绘和工程测量中通常利用全站仪进行外业数据快速采集。为提高作业效率，很多作业单位给全站仪配备连接辅助性外部设备(如PDA、笔记本电脑、PC-E500电子手簿等)。其优点体现在：①加快了测绘辅助信息(如仪器高、觇标高和地物属性编码等)的输入；②可对测量数据进行检核和预处理，确保了数据可用性和完备性；③数据采集的记录格式十分灵活，便于后续内业数据处理。但这种作业模式的局限性也很明显：①与全站仪属于工业级定制仪器、三防功能可靠性不同，用户加装的消费类设备受外业环境影响很大，灰尘、电磁、阴雨等恶劣的作业环境因素都易造成设备失灵甚至数据丢失；②加装设备与全站仪本身并不配套，往往只能限定特定机型使用，不利于设备和程序的通用性和应用扩展；③除了加装设备以外，往往还需要定制数据传输线缆和接头，这些冗余的设备会对全站仪作业造成不利影响，降低可靠性；④消费电子领域更新换代较快，PDA、PC-E500等辅助设备早已面临停产或换代，这对测量模式的可持续性造成了困扰。

因此，部分测绘单位往往采用另一种应用模式，即直接使用全站仪记录测量数据，但其缺点也很明显：①由于数据采集功能是直接受限于全站仪的,可能因全站仪本身预设程序有限影响用户作业或全站仪功能多价格贵且用户无法替换；②受仪器面板大小的制约，全站仪的输入按键都是集成的，要想通过极其有限的按键实现地物属性等复杂编码的信息录入则须反复切换输入模式，严重影响了测量速度；③用户无法根据自己的规则来定制对所采集数据的检核和处理，这就增加了因观测不合格又未及时重测而导致返工的可能性，也加大了后期数据处理的难度。

为解决上述问题，本文拟结合当前数字化测绘生产的具体需求，着手设计和开发出一套可直接应用于智能全站仪的一体化外业测绘系统。所谓智能全站仪，是指可向用户开放操作系统及开发接口的新型全站仪。

一、系统技术研发

1. 系统功能设计

一体化数据采集与测设系统的研发立足于笔者所在单位单位现有作业模式，既需要能够满足数字化测图的高强度数据采集，又能针对工程测量作业进行智能化数据处理，同时要求对各种全站仪具有较强的通用性。在功能设计方面，要求人机交互模式简单实用，尽量降低用户输入强度和人工干预程度，实现高度自动化。基于上述要求，本文的研发和应用选择以市面某款常见全站仪为例，其操作系统为Windows CE，配备改进型EDM、远距离无线通信设备，胜任大规模高强度测绘任务，且仪器提供了通信接口与应用程序实时互操作。开发所选择的编程语言为C#，其优势在于基于.NET Framework的程序可直接运行于PDA或Windows CE等智能设备上，适用当前主流的全站仪设备且非常便于程序移植。

系统的总体设计思路为：①功能全面，应涵盖外业测绘的常用工作内容，如散点采集、导线测量、坐标测设、数据检核等；②采用结构化、模块化的设计思想进行开发，便于根据测绘需求及时增加或调整功能，也可提高系统的升级维护性；③面向流程的分层次设计，系统内的交互界面层、核心功能层、接口控制层等既互相隔离又相互联通，通过智能判别用户输入直接关联到相应的功能模块，实现各模块之间的协同作业，如可以同时实施导线测量和碎部采集作业。

系统总体设计示意图1所示，其功能模块主要包括：

(1) 用户交互与输入

该模块在对全站仪原有物理键盘作功能配赋的基础上，结合功能需要设置部分软键盘。模块的功能包括：①实时监控用户输入并判断当前测量工作的状态，关联执行相关功能模块；②允许用户从移动存储设备导入导出坐标数据和观测记录数据等。

(2) 全站仪接口控制

该模块负责与仪器底层的硬件交互，根据其他模块的需求，向底层硬件发送不同格式的命令，解析返回值并反馈调用的模块。该模块不需要界面在后台运行，通过预定义接口直接操作仪器功能，确保了各类全站仪的技术通用性。

(3) 散点采集

该模块通过判断用户输入信息，结合流水线式工作流程，以极坐标形式快速进行数据采集与记录，并驱动仪器进行相应操作。

(4) 导线测量

根据用户操作及观测记录信息，自动判断导线走向，发现有闭合导线则自动或手动进行平差计算，并保存和显示平差结果供调用。

(5) 数据检核预处理

根据用户预定规则来定制对所采集数据的检核和处理，实时发现不合格数据予以剔除或提示重测。同时，可对测量成果进行后台预处理，方便直接提交下一阶段的内业工作。

图1　系统总体设计示意图

2. 系统主要功能实现

(1) 外业数据采集功能

外业数据采集的数据量大、强度高，为提高程序实用性、降低平台硬件要求，系统的数据采集模块采用仿DOS交互，虚拟键盘和物理键盘相结合监测用户输入。如，用户输入导线点名和觇标高，则驱动仪器进行导线测量，并对观测数据进行各项指标检核，不满足规范要求则提示重测，满足规范要求则记录观测数据。角度闭合差通过后，导线计算过程中按简易平差模式对坐标增量闭合差按下式进行调整

(1)

式中，fx、fy分别为导线纵、横坐标增量闭合差。

若用户输入的是地物属性代码，则认为当前为碎部点测量，驱动仪器进行半测回测量并记录观测数据。为加快数据采集操作速度，系统还设置了默认观测参数值和快捷键等操作方式，若地物属性和觇标高与上次一致，则按仪器右侧快捷按钮一次即可继续按现有参数进行快速测量。同样，在参数输入状态下，如不输入参数直接按回车键，系统也会默认调取前次观测参数。

数据采集作业流程如图2所示，某种默认的观测数据采集记录格式如下：

图2　外业数据采集流程图

1,11,1.603

序号,设站点,仪器高

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

序号,目标点,觇标高,盘左水平角,垂直角,斜距,盘右水平角,垂直角,斜距

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

序号,地物编码,觇标高,盘左水平角,盘左垂直角,盘左斜距

(2) 工程坐标测设功能

坐标测设也是工程测量中的常见工作之一，它需要把建筑物、构筑物、控制点的平面位置和高程，按设计要求以一定的精度布设于现场，以衔接和指导各工序的施工。坐标测设功能的开发充分考虑了智能化作业，自动提醒测量人员放样并进行精度检测。模块流程如图3所示。

图3　坐标测设流程图

其界面采用无标题栏窗口的形式，在数据采集模式下按右方向键可直接切换至坐标放样模块。为提高放样效率，全部待放样点均采用下拉列表框，且自动按照距离当前设站点的远近排序，距离最近的点排在最前，方便测量人员选取。放样点选取后，系统自动反算两点间的水平距离与坐标方位角

(2)

(3)

测量员按显示在用户界面上的目标方向及距离提示，旋转仪器至目标方向后按测距按钮测量平距，并根据测量结果前后动态调整棱镜。方向和距离都满足放样精度要求时即可指挥定桩，系统自动记录当前坐标数据并在下拉列表中将该点标记为已完成作业，避免重复选择。

二、系统应用测试

一体化数据采集与测设系统开发完成后，在广州某公园1∶500数字化地形图测量项目中与几种传统作业方式进行了对比测试。在作业人员和地物复杂程度相同的情况下，都要求输入地物属性编码进行碎部采集，详细对比情况见表1。

表1　3种不同采集作业模式的应用测试对比

测试结果表明，与全站仪直接测量的传统作业模式相比，本系统作业效率提高了一倍以上；与全站仪加装PC-E500的测量模式相比，本系统作业效率提高了约43%。且系统的稳健性、易用性得到了验证，极大地降低了作业强度。

广州某特大桥扩建工程测量项目中，需对83个用地界桩进行现场放样。按传统作业模式，需先进行图根控制测量，再导出观测数据进行导线平差计算。由于现场施工遮挡严重，还需根据地形图进行放桩设计和坐标反算后才能再回到施工现场进行放桩工作。采用本系统进行测量，导线观测闭合后自动进行平差计算，无需繁琐的数据处理就能够现场测设，并且可直接根据施工通视情况动态调整测、放点，按距离远近依次作业，如图4所示。项目工期由3天缩短到2天，效率提高30%以上，且作业过程实现了流程化、交互化，减少了人工干预。

三、结束语

外业测量是测绘作业中的关键环节，本文所设计的一体化数据采集与测设系统较好地结合当前数字化测绘生产的具体需求，功能覆盖了外业的主要工作内容，既满足高强度数字化测图的数据采集，又能针对工程测量进行智能化数据处理，兼具数据检核和简易平差功能，真正做到了随测随算、随输随放。