毕业设计论文-数字测图的发展和应用.doc

数字测图的发展和应用摘要：近年来，全国经济发展迅速，各地基础建设加快，城乡规划的脚步也进一步推进。部分地区地形图由于没有及时更新，过于老旧，和实际地形已经产生较大差异。随着主流测量仪器全站仪和RTK技术越来越成熟，价格也越来越低，再加上最近全国地形测量工作的开展，数字测图的应用将越来越频繁。关键字：数字测图；全站仪；GPS；联合作业150 引言31 白纸测图与数字测图对比32 全站仪和RTK在数字测图中的差别32.1 全站仪简介32.2 RTK简介42.3 全站仪和RTK对比42.3.1 使用条件42.3.2 测量距离42.3.3 测量误差42.3.4 人力分配52.3.5 适用环境53 数字测图的野外作业53.1全站仪作业53.2 RTK作业53.3 全站仪与RTK联合作业104 数字测图发展瓶颈和前景114.1 发展瓶颈114.1.1 设备成本偏高114.1.2 数据缺乏统一性114.1.3 需要素质较高的作业人员114.1.4 测量时数据修改麻烦114.1.5 全站仪与RTK间缺乏互动114.2 数字测图的前景114.2.1全站仪技术创新完善114.2.2 网络CORS的普及114.2.3 无人机航测的发展和普及124.2.4 三维数字成图软件125 结论12参考文献：13致谢150 引言地形测量是用专业测量仪器对地球表面一定区域内各种地物地貌进行测定，确定其空间特征和几何形状，并绘制一定比例尺的地形图。传统的地形测量即图解法测图，一般是通过测量人员在野外用仪器进行观测某一区域的地形特征和空间位置，再按一定比例尺在白纸上绘制出来并标注符号，因此也称为白纸测图。伴随着计算机、磁盘储存技术的进步和测量设备的快速推广应用，以及测量界革命性技术创新-全站型电子速测仪的问世发展，为大比例尺地形测量注入一股蓬勃的动力，实现了测图的数字化和自动化，数字测图的时代已然来临。1 白纸测图与数字测图对比大比例尺地形图比例通常为1:5001：5000,地形图必须具备三要素：方向、比例尺、图例和注记。现在数字地形图多用数字编码代表地形地物符号，用数字形式的三维坐标表示某一点的位置，可在绘图软件上用编码连线标注等，实现地形图的数字化。与传统白纸测图相比，而今的数字测图有以下几点差别：保存快捷，分享便利。传统的图纸需要专门的图纸绘制，体积较大，存储不便，容易破损，分享一般只能靠复印件和图片，考验清晰度。而数字测图成图后在计算机中，存储便捷，可通过硬盘、U盘、电子邮件等实现资源共享，复件和原件信息一致，信息失真率低，不受空间环境影响。信息量大，分条明细。白纸测图的载体注定了其信息的局限性，很多东西无法再白纸上表现出来。而数字测图背靠计算机内存，可将大部分实地信息在图上标注出来，靠绘图软件的分层功能，操作者可从选取自己着重的信息，如：控制点、道路、建筑、边界、植被等将其输出，更具有针对性和条理性。紧随变化，与时俱进。白纸测图成果图一但确定，便难以修改。而现在各地区都进入飞速发展阶段，基础经济建设让地形一变再变，地形图的更新很有必要。数字测图数据储存在计算机中，可随时随地对变化地形进行修改，增删补缺。而且随着时代的发展，新的地物越来越多，但在数字测图在可直接导入该数据，能在飞速发展的时代潮流中紧随步伐，实时更新处理地形变化。比例切换，因地制宜。现在城市乡村都越来越重视格式布局、空间利用、生态环境等，因此规划的重要性不言而喻，而规划往往离不开一张内容详细准确真实的地形图。再加上现在很多部门对地形图比例尺要求不一，这就要求地形图能够灵活转化比例尺。传统白纸测图成图便固定比例，想要转变比例尺又得费时费力，而数字测图只需在绘图软件上转变比例尺即可，效率高下立判。数据精确，误差均匀。白纸测图将数据展到图上，容易受人为误差和载体的影响，手工制图的精度一般低于图上0.02mm，在1:500比例尺地形图中就是实地10cm的误差。而数字测图全站仪一般两站间误差都在5cm以内，RTK也可达到每公里厘米级单位误差，因此相对白纸测图来说，数字测图的精度明显要更高。节省时间，提高效率。传统白纸测图外业除了测量，还需要画草图，内业展点更是繁琐。而数字测图将地物地貌编码，可直接打点，在计算机中导入数据后可在制图软件上直接看到各点编码，了解各点代表的地物，可直接画图。大大减少了内外业的作业时间，还降低了操作人员的工作强度，提升了作业效率。2 全站仪和RTK在数字测图中的差别2.1 全站仪简介全站仪是全站型电子速测仪的简称，它集电子经纬仪、光电测距仪和微处理器于一体1。全站仪可自动对目标测距离、测角度，通过微处理器实现自动计算斜距、坐标增量、高差等，同时集数据采集、显示、储存、对比、输出于一体，并且可以实地放样，连接计算机后可达到成图自动化的效果。 全站仪一般会利用极坐标法来获得碎部点坐标，其测量原理为通过测站和另一已知坐标点定向，确定已知方向，然后再测定各待测点与该方向的角度及与测站间的距离，随之便可确定各待测点在地图中的位置。因此也可以说，the total station is an instrument, widely used in civil and environmental engineering,for flat and vertical angle as well as distance measurements2. 2.2 RTK简介RTK即实时动态差分测量，原理是基准站通过数据链实时将采集的载波相位观测量及测站坐标信息一同发送给流动站，流动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位3，得出测量点的坐标，也叫做动态GPS。在实际测量中，一般是采用采用一个基准站，若干个流动站，流动站接受卫星信号和基站载波相位信号，并进行差分处理。如果套用基站坐标数据，并转换坐标参数和投影参数则可得出测点的三维坐标和误差。正如很多人说的那样，the most important reason for using it is that this technique enables obtaining coordinates instantaneously and in the centimeter level accuracy4. RTK技术是GPS技术发展过程中令人振奋的一项新突破，使用RTK技术进行空间定位具有定位精度高、观测时间短、测站之间无需通视、操作简单和全天候作业等优点5，现普遍应用在数字测图领域。2.3 全站仪和RTK对比2.3.1 使用条件全站仪使用条件：光线。全站仪虽然可以测距、角度、高程坐标等，但观察全靠人眼寻找目标，因此对可见光的依赖性强，太强太弱都容易影响到观测结果。通视。一般来说，全站仪与观测目标中间必须通视，一但出现遮挡物，会影响人眼观察，人眼看不见或者看不清都容易造成目标丢失，即使瞄准也，也容易对全站仪激光造成干扰，影响数据精确。RTK使用条件：无需通视。RTK联机正常后只要能能接收卫星信号一般就能正常工作。如果接收不到卫星信号或者信号不佳，RTK的工作就会收到影响。无线连接。RTK主要有电台模式和网络模式这两种。基站的联系分别是无线信号和网络信号，因此对应的流动站分别是用基站外挂电台和手机卡联系。随着4G时代的到来，手机信号覆盖面积变大、网络信号加强、资费降低，使用RTK网络模式形成主流。2.3.2 测量距离全站仪测量距离：全站仪属于短距离测量，不过这个短是相对而言的。实际全站仪观测距离一般都能达到5001000米，过远的话目标会模糊不清，而且激光返回信号太弱，对测量其实没有意义。如果需要待测点距离很远，一般采取搬站的形式完成测量工作。RTK测量距离：RTK测量距离大多达能到15公里，再往后精度就会急剧下降。若是测量范围过大，难免要搬动基站。但CORS系统的出现，让RTK克服以往操作距离短的特点，将有效作业半径提高到了50km，并且精度进一步提高。2.3.3 测量误差全站仪的测量误差：在实际测量过程中，我们一般很难用一个站完成测区作业，需要多次搬站的配合，测量难免出现误差，随着搬站次数增加，误差累计也就越大，因此在测量时，再不是迫不得已的情况下，都不宜连续过多次支站。RTK的测量误差：RTK测量是靠基站与移动站间的载波相位信号进行差分比较，确定二者间的相对位置。由于移动站所测数据都是和基站数据对比得出的，又因为基站位置固定保持不变，所以移动站所测的每个点位数据误差都是相对于基站的，故而RTK测量一般都没有误差累计。但由于RTK在初始精度上低于全站仪，现在在处理高精度测量时，还是会选择用全站仪。2.3.4 人力分配全站仪的人力分配：全站仪通常都需要两个人或两个以上的配合，一个观测，另一个跑杆。在放样时，一般都要对讲机或者电话支持，由全站仪观测者对跑杆者指挥，效率较低。RTK的人力分配：RTK一般确定基站固定且安全不受外物干扰，只要一个人就可以完成测量工作。放样时可按手簿提醒的距离进行移动，效率较高。2.3.5 适用环境全站仪的适用环境：全站仪具备高精度、摆站灵便、自动记录。数据显示等特点，但其操作过程要求通视，容易受到地形和人为因素影响。而且全站仪测量需要一定数量的控制点，作业强大较大，花费的时间也比较多。测量地点一般在两端建筑较高的街道、巷子，野外测量也有使用，水平方向的遮挡对其精度影响较大。RTK的适用环境：RTK可全天候全地形作业、精度均匀、操作简单，并且其作业时不需要通视，只要连上信号，就可以独自一个人作业。但RTK信号容易受到高大障碍物、高压电线、较大湖泊影响，处于密集区域的多路径效应会使得GPS测量的精度大大降低6。作业也有一定半径，所以多用于天空开阔的野外，在城市街道中使用信号较差，容易出现浮动解甚至单点解，垂直方向的遮挡对其精度影响较大。3 数字测图的野外作业3.1全站仪作业野外测绘的直接需求来源于传统的对测量数据的需求7。传统测量方法一般都是先控制测量再碎部测量，从整体到局部，这在全站仪测量过程中也同样适用，操作流程一般是确定控制点，采集数据，绘图软件成图。在野外测图，最多的时间花在采集数据上，数据的好坏直接决定了成图结果的优劣。采集数据一般要三个要素：测点的三维坐标，数字测图是建立在坐标数据上的，没有坐标数据便不能定位各点位信息。测点的属性。绘图时不仅要知道测点的位置，还要知道测点代表的是地物还是地貌，继而才能正确作图。测点的连接关系。数字测图讲究点、线、面的结合，知道了连接关系才能将测点关联成具有形状的地物地貌等。在进行碎部测量时，一般都有一些小技巧提高测量或者绘图效率，如：依比例且规则的建筑一般测出三个点即可，第四个点可通过绘图软件自动画出。不规则的地形不要贪图省事，尽量多打几个点。数字测图是在计算机上成图，如果地形过于复杂而测点又少，那么很难将那片地形画出；纵然画出，也容易漏点和错点。对于具有一定规则的图块，建议按顺序测点，方便连接。如果发现点位问题，也容易排查，测图的分块最好以道路、河流为界，方便各测区图的施测和接边。随意分块容易造成接边混淆，部分作业人员会对测区少测或者多测，前者得返工，后者在测量时也浪费大量时间，都对测量进度产生较大影响。3.2 RTK作业现在作业多用中海达工程宝RTK，操作页面如下图3-1 中海达工程宝RTK操作页面图其中1、2、3、5项为平时重点使用项目，基本包括了碎部测量与各种放样功能，2.5版本更增加了向导功能，该功能可以教导新手从基础的新建项目到进行测量设置，因此重点演示怎么用1、2、3、5项菜单来完成一次测量工作。操作的过程通常如下：新建项目点击图 3-1中“项目”图标，显示项目的设置界面，如下图3-2图3-2 中海达工程宝RTK操作页面图点击图3-2中“新建”图标，建立一个新的文件夹，每次新建的文件夹一般以当时系统时间为默认文件名。设置参数点击图3-1第三项的“3.参数”，出现参数设置界面图3-3 中海达工程宝RTK操作页面图第一步是设置椭球，第一个源椭球为默认的“WGS84”，而当地椭球则要看工程具体情形来定，我国通常使用的椭球有两种，一种为“北京54”，另一种为“国家80”。实际工程要求哪个就选用哪个，点击小框后面下拉小箭头可以进行选择。然后设置投影，方法是：点击屏幕菜单栏上“投影”，界面显示出“投影方法”和一些投影参数，如下图图3-4 中海达工程宝RTK操作页面图工程通常用高斯投影，高斯投影又分为六度带、三度带，选则什么要视工程情况而定，比如工程实际需要三度带我们就设置三度带，不可随意选择。投影的参数设置完毕后，将后面的椭球转换参数、平面转换参数和高程拟合参数全部设置成无。连接GPS点击图3-1中的“2.GPS”图标,显示接收机图如下图3-5 中海达工程宝RTK操作页面图选择“连接GPS”，出现图3-6图3-6 中海达工程宝RTK操作页面图确认默认参数都无误后，点击“连接”，等待系统搜出各RTK机身码，如图3-7图3-7 中海达工程宝RTK操作页面图选择对应的机身码，等连接上仪器后，再回到主页面（参考图3-1）碎部测量点击图3-1的“5.测量”图标，跳出测量操作界面，如图3-8图3-8 中海达工程宝RTK操作页面图上图现在显示的是单点解，实际还有浮动解与固定解两种情况，一般要显示是固定解才可以进行测量。如果RTK手簿原来就设置过参数，并且在“项目”文件中导入坐标数据，那我们在使用时可以不必重新设置，在步骤直接套用该坐标文件即可，后面顺序不变。RTK在测定图根控制点时最好将点放在四周通视、不容易受人、车影响的地方，并且在测点处做好点之记，一般是用油漆、马克笔在地面、电线杆等醒目位置做标记，方便下次寻找控制点。与传统的测图方法相比,采用RTK技术能大大降低外业工作的强度,节约人力,节省费用,提高工作效率8。3.3 全站仪与RTK联合作业随着测量技术的发展，单一的测量技术越来越难以满足测量要求，全站仪与RTK技术经结合后，打破传统测量“先控制再碎部”的原则，只要RTK在手便可自由设置控制点，信号良好情况下，测定一个点的时间只要短短几秒钟，而且精度可达到厘米级，二者结合既免去了常规的图根导线测量 (更不用支站 )工作9，还让效率最少提升一倍。图3-9 全站仪与RTK联合作业图目前RTK技术的实践应用说明了RTK技术能够适应测绘的要求10，面对上方开阔无遮挡的情况（如大马路、桥梁上方、平坦山坡等），可用RTK快速测点，进行对应的数据采集；如果遇到对信号干扰比较严重的地方（如小巷、高楼下方、高压线旁等），则可用RTK在有信号地方放控制点后，用全站仪碎部测量，灵活支站。联合作业既化解了全站仪水平方向容易受遮挡问题，又化解了RTK垂直方向容易受遮挡问题，优势互补、简化流程，大大减少了频繁支站造成的精度流失，还能灵活增补图根控制点，大大提高了测量效率。随着测量设备硬件和软件价格不断降低，可以预见未来全站仪与RTK的组合将成为测量主流。4 数字测图发展瓶颈和前景4.1 发展瓶颈数字测图在当今科学技术、计算机水平、测量技巧的飞速发展下，已经成为测绘的主流技术并得到广泛应用。但金无赤足，数字测量也有其一定局限性。4.1.1 设备成本偏高虽然随着科学技术飞速发展，测量设备的价格已经大大下降，但相比模拟测量，数据测量设备价格还是偏高，全站仪一般5000 15000人民币，RTK价格民币，而且还对计算机及其外设有一定要求，前期投资较大。4.1.2 数据缺乏统一性全野外数字测图是建立在数字测图软件的基础上的，但现在行业内使用的测图软件由各测绘公司开发，侧重点不同，各有千秋，却也难以兼容，数据组织和结构也就有所差异，对成图规范性有一定影响。4.1.3 需要素质较高的作业人员数字测图打破传统白纸测图分工明确的特点，内外业一体逐渐成为主流，在节约了人力资源的同时，也要求作业人员需要有较高的要求。数字测图既需要技术员有熟练的外业测量仪器操作能力，还需要熟练掌握内业计算机绘图软件的使用。测量技术发展迅速、更新频繁，还要求测量人员具备一定的学习能力。4.1.4 测量时数据修改麻烦现在数字测量虽然仪器较多，但是在大比例尺数字地图、增量更新，特别是在城市建设所需的空间数据获取方面，全站仪数字测图方式仍是最主要的方式11，但全站仪大多还是处于按钮操作，触屏灵敏度方面也不是很让人满意。测量过程中一但数据出错，修改也较为麻烦。4.1.5 全站仪与RTK间缺乏互动全站仪与RTK联合作业，但其中的数据在野外却难以用有线或者无线方式共享，只能依靠手写口读，记录缓慢又容易出错。4.2 数字测图的前景4.2.1全站仪技术创新完善数字测量发展前景广大，在未来将伴随科技的进步多面开花。但现在测量数据传输还是多依赖于有线传输，极不方便，达不到实时作业的需求。为了很好地解决上述问题，可以引入无线数据传输技术，即实现 与测站分离，确保测点连线的实时完成，并保证连线的正确无误12。全站仪今后的使用必将更高效，更自动化和数字化，让外业工作更轻松。4.2.2 网络CORS的普及常规RTK作业一般还是“1+1”，即一个基站和一个流动站，限制了测量半径。CORS系统的出现和其网络搭设让RTK作业半径大大提高，而且在省内达到一定规模。随着全国对CORS网络的进一步建设，CORS系统将实现实时化和规模化发展。未来测图，RTK的使用将更加便捷，全国无缝接图也将成为可能。4.2.3 无人机航测的发展和普及数字测量和传统摄影测量结合后焕发新的活力，通过无人机航测获得数字影像，再用专用软件绘制成图，将原本繁重的野外测量任务移到了室内，而且航测具有全地形全天候作业、测量成本低、成图效率快、精度高等特点。但航测也具有一定的局限性：航测无人机起飞降落都存在一定风险，大型的无人机起飞更是需要到有关部门申请飞行；而且无人机在狭窄街道的图片容易受到棚子、楼房建筑的影响，测量成果的误差往往会比较大。4.2.4 三维数字成图软件随着数字测量的越发成熟，人们对数字测量的要求也越来越高，虽然现在数字成图软件还是以二维平面图为主，但现在市场上已经出现一批三维数字成图的客户，各绘图软件也纷纷加入三维成图功能。三维数字地形图摆脱了传统数字平面图单一面的缺憾，能多角度、多方面了解地形，对城市地形规划有着重大意义，三维数字成图在海洋、太空更是频繁使用，现在已经有部分城市开始着手三维数字城市的开展和建设，前景十分远大。5 结论通过以上分析，可以看出随着全站仪功能多样化、RTK技术成熟、CORS网络布设、航测无人机价格降低，数字测图将向着多元化发展，不再仅仅局限于单一作业，联合作业必将越来越频繁。从出现到发展，测量的脚步没有停歇，随着对测量技术不断完善，新的技术、机器也将不断研发，未来的数字测图将更加智能化、数字化和自动化。参考文献：1 潘正凤, 程效军, 成枢等. 数字测图原理与方法M. 武汉. 武汉大学出版社, 2013, 141.2 Lauryna iaudinyt, Kenneth Thomas 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