CN101586950A - 一种山区碎部的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山区碎部的测量方法，首先用全站仪测定待测量隐蔽地形的三个制高点1、2、3的空间坐标，并通过数据传输模块将该三个坐标实时传输到控制器；然后在待测量隐蔽地形的任一点用测距装置测定该位置到制高点1、2、3的斜距，并实时传输到控制器，控制器利用空间距离后方交会计算法计算出该碎部点的空间坐标位置。该方法提出从在未知点出观测已知点反求自身坐标，克服了地形条件复杂的影响，无需进行频繁的搬站，无需进行精确对中与整平，无需定向以及设置测站参数，就能实时计算出隐蔽地形特征点的空间位置，大大减少了在山区丘陵等复杂地区的工作量，提高了工作效率。

Description

一种山区碎部的测量方法

技术领域

本发明属于测绘技术领域，涉及一种测量的方法，特别涉及到一种冲沟或者丘陵等重复遮挡地形碎部测量方法及其装置。

技术背景

在传统的山区或丘陵地形测量中，通视困难地区的测量一直是一个难以解决的问题，通常采用的方法有搬站法、目估法、或者皮尺标尺配合丈量法，以上各种方法均存在着缺点：1)在山区频繁搬站，首先需要用控制测量的方法测出隐蔽地区图根制高控制点的坐标，然后花一定时间搬动仪器到该控制点，进行对中、整平、定向、输入测站参数等工作。而一个测站又只能够测设小部分地形。所以需要频繁的搬站，工作效率大大降低；2)利用目估法来测定隐蔽地形特征点时，其估计的距离和角度精度都很低，很难达到测图的要求；3)利用已知制高点标尺和皮尺配合进行测量时，由于皮尺的丈量距离有限以及地形中树木等阻挡限制，导致地形特征点无法快速有效的得到其空间位置。

所以在山区或丘陵地形测量中传统方法受地形等因素的限制，且工作量大，自动化程度低，精度不高，因此实现快速、高精度的隐蔽地形特征点的测设，成为本领域科技人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题与缺陷，本发明的目的在于提供一种山区碎部测量方法，该方法能够在全站仪无法直接测定待测量地形的条件下快速、有效、高精度的测量出来待测量数据。

实现上述发明的目的的技术方案是：一种山区碎部测量方法，首先用全站仪测定待测量隐蔽地形的三个制高点1、2、3的空间坐标，并通过数据传输模块将该三个坐标实时传输到控制器；然后在待测量隐蔽地形的任一点用测距装置测定该位置到制高点1、2、3的斜距，并实时传输到控制器，控制器利用空间距离后方交会计算法计算出该碎部点的空间坐标位置；

所述的空间距离后方交会计算法，如下：

S1、S2、S3分别为待测量隐蔽地形的任一点到三个制高点之间的观测斜距；φ12、φ13、φ23分别为S1与S2、S1与S3、S2与S3的夹角；

设|A|、K1、K2、K3分别为辅助计算量

$\left|A\right|=\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{12}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+\cos {\mathrm{\φ}}_{12}\cos {\mathrm{\φ}}_{13}\cos {\mathrm{\φ}}_{23}-2}$

K₂＝(D² ₁₂+S² ₁-S² ₂)/2  K₃＝(D² ₁₃+S² ₁-S² ₃)/2  K₁＝(S₁S₂S₃)|A|

将1点平移到坐标原点，则各个点的坐标分别为1(0，0，0)、2(X2，Y2，H2)、3(X3，Y3，H3)、P(XP，YP，HP)，

其中(X2，Y2，H2)＝(x2-x1，y2-y1，h2-h1)，(X3，Y3，H3)＝(x3-x1，y3-y1，h3-h1)

则有 $\left\{\begin{array}{c}{X}_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}(\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|H_P-\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|)\\ Y_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}(\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|H_P-\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|)\\ H_P=\frac{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|K_1+\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|+\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|}{{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|}^2}\end{array}\right.$

最后得到待测量隐蔽点的坐标x_P＝X_P+x₁  y_P＝Y_P+y₁  h_P＝H_P+h₁。

本发明的山区碎部测量方法与传统方法有截然不同，传统方法都是从已知坐标位置点进行观测来获得未知位置点坐标。所以要获得隐蔽地区地形特征点坐标，必须要进行先测量出图根控制点坐标，然后再搬站该图根点，接着进行对中、整平、定向、设置测站参数然后才能进行观测。这几项工作需要花费一个熟练的测工至少15分钟时间，还不包括搬站所花费的时间，而在地形破碎且重复遮挡的丘陵地区，该传统方法需要频繁搬站，每站智能观测少量地形点，所以工作效率受到很大限制。

本发明的测量方法克服了上述缺陷，从未知位置的隐蔽地形点对已知坐标的制高点进行观测，而且根据地形观测的精度要求，首先不需要频繁搬站，其次不需要进行严格的对中整平工作，最后不需要定向和设置测站参数，这节省了测量时间，大的提高了测量效益。

附图说明

下面结合发明人给出的附图和具体实施例对本发明山区碎部测量方法做进一步的详细说明。

图1为本发明山区碎部测量方法的原理图。

图2为本发明山区碎部测量方法在测量过程中仪器安置及观测示意图。

图3为本发明山区碎部测量方法的空间距离后方交会计算法示意图。

具体实施方式

图1为本发明山区碎部测量方法的原理图，一种山区碎部测量方法，首先用全站仪测定待测量隐蔽地形的三个制高点1、2、3的空间坐标，并通过数据传输模块将该三个坐标实时传输到控制器；然后在待测量隐蔽地形的任一点用测距装置测定该位置到制高点1、2、3的斜距，并实时传输到控制器，控制器利用空间距离后方交会计算法计算出该碎部点的空间坐标位置。

下面以LAICA TPS1200全站仪为例说明输出的情况徕卡全站仪是通过GSI接口协议与外设进行数据通讯的。GSI接口是同步、半双工的串口接口。其标准与RS232C是一致的。徕卡GSI数据记录格式是徕卡专用的数据记录格式，它是由字索引十测量数据构成一个测量数据块，一行记录由一个或者多个数据块组成。

例如：110001+000000A1  81.324+00851208  82.324+0056391983.324+00220518以上数据中，110001+000000A1中的11表示测量点号的字索引，用于标识该数据块，“+”之后为测量点号A1，81.324+00851208中的81表示目标点东坐标的字索引，00851208表示该点的东坐标是851.208，82.324+00563919中的82表示目标点北坐标的字索引，00563919表示该点的北坐标是563.919，83.324+00220518中的83表示目标点高程的字索引，00220518表示该点的高程是220.518

全站仪测量数据的无线传输

本发明采用上海兆富通信技术有限公司开发的ZF02P无线数传模块，克服了目前市场上流行的红外传输方式的距离短、方向性强；蓝牙方式的距离近、价格高；GSM方式的运行费高等缺点。采用433M ISM民用波段，在室外空旷地区传输距离达1200米。

基于ZF02P芯片的无线数传模块提供了2个数据通信端口，即：固定为TTL电平的UART串行口COM1和可选择RS-232或RS-485接口方式的COM2。由于全站仪的数据通信端口符合RS-232C标准，故根据徕卡TPS1200全站仪数据通信端口的引脚定义，直接将全站仪与无线数传模块的COM2对接即可。掌上电脑与无线数传模块接脚原理同上。

现在基本上国内外所有系列的全站仪具有一套完整的双向数据通信指令，可以通过向其数据通信端口发送已定义的通信指令，控制全站仪工作而获取相应格式的数据信息。同时，由于全站仪具有多种工作参数和串口通信设置方式，因此，在进行数据采集与无线数据通信前，需根据实际情况对全站仪进行设置。设站、开机进入全站仪设置选项：在输出或接口参数中选择外部设备(Out)；在RS-232C format参数设置，选择波特率(Bandrate)为9600；偶校验位(Parity bit)为没有校验(No)。通过上述操作后，全站仪随即可以通过其串口与外部设备进行数据交换。

测距模块的设计与连接

本发明采用深圳量子通科技有限公司的RF100-905-270激光测距模块，该测距模块精度高，稳定性好适用于野外目标，不需要特定反射板，测距可以达到300米其工作方式为：外接9V直流电源时即可开始测距和监控，每秒输出1个测量结果；数据通过RS232接口输出，波特率为9600bit/S，通讯协议格式为“DA XX XX EE”，其中XX XX表示测量的数据(例如测量距离是120M，则输出“DA 01 20 EE”，若没有结果则输出“DA 00 00 EE”)。

有2个接口：3芯航插接口是电源及报警信号接口，9芯标准串口是RS232接口。我们直接将掌上电脑的COM3接口与其相连。掌上电脑发出指令“DA 40 52 EE”到测距模块即可启动测距功能，测距模块通过串口返回测量结果“DA D0 XX XX XX XX XX EE”第一个XX表示数据类型：其中0：没有目标被测量；1：距离(m)；2：速度(m/s)。XX XX XX XX表示测量结果：16位整数和16位小数。

测距仪端设计与连接

首先在隐蔽地区制高位置选择三个点，用强制对中杆安置反射棱镜到这些位置；在全站仪一端观测制高点坐标，RS232接口会自动通过无线数传模块将这些坐标发射出去；在掌上电脑一端与COM1口相连的无线数传模块接收到这些坐标后会存储到指定位置；将在掌上电脑一端与COM2口相连的测距模块瞄准对应制高点测出其距离，并存储到指定位置；点击交会计算按钮，掌上电脑上的软件模块会自动计算出该地形特征点坐标，见图2。

本发明掌上电脑部分设计的目的是为了通过无线模块将全站仪传输来的三个制高点坐标保存，同时对应保存测距模块测定的隐蔽地形特征点到这三个点倾斜直线距离。再通过改进的距离后方交会公式进行运算，得到隐蔽地形特征点的坐标。

为达到以上目的，本发明所述控制器以包括主频在66MHZ以上的32位微处理器CPU、存储器RAM 16-256M、ROM 16-256M和240×320液晶显示屏，采用WindowsCE操作系统的掌上电脑为平台，还包括两个RS232接口或者一个TTL一个232接口用于连接无线模块和测距模块。通过有线电缆与之进行相连，实现测绘数据的采集。

适用于编程的距离后方交会算法，如图3，制高点分别为1、2、3其中S1、S2、S3分别为隐蔽地形特征点到三个制高点之间的观测斜距。φ12、φ13、φ23分别为S1与S2、S1与S3、S2与S3的夹角，这些角成为空间测边交会的交会角。

为编程简便起见引入辅助量|A|、K1、K2、K3

$\left|A\right|=\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{12}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+\cos {\mathrm{\φ}}_{12}\cos {\mathrm{\φ}}_{13}\cos {\mathrm{\φ}}_{23}-2}$

K₂＝(D² ₁₂+S² ₁-S² ₂)/2  K₃＝(D² ₁₃+S² ₁-S² ₃)/2  K₁＝(S₁S₂S₃)|A|

为编程计算简便起见，先将1点平移到坐标原点，则各个点的坐标分别为1(0，0，0)、2(X2，Y2，H2)、3(X3，Y3，H3)、P(XP，YP，HP)。

其中(X2，Y2，H2)＝(x2-x1，y2-y1，h2-h1)，(X3，Y3，H3)＝(x3-x1，y3-y1，h3-h1)

则有 $\left\{\begin{array}{c}{X}_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}(\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|H_P-\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|)\\ Y_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}(\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|H_P-\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|)\\ H_P=\frac{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|K_1+\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|+\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|}{{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|}^2}\end{array}\right.$

最后得到隐蔽地形特征点的坐标

x_P＝X_P+x₁  y_P＝Y_P+y₁  h_P＝H_P+h₁。

Claims (1)

1.一种山区碎部的测量方法，其特征在于，首先用全站仪测定待测量隐蔽地形的三个制高点1、2、3的空间坐标，并通过数据传输模块将该三个坐标实时传输到控制器；然后在待测量隐蔽地形的任一点用测距装置测定该位置到制高点1、2、3的斜距，并实时传输到控制器，控制器利用空间距离后方交会计算法计算出该碎部点的空间坐标位置；

所述的空间距离后方交会计算法，如下：

S1、S2、S3分别为待测量隐蔽地形的任一点到三个制高点之间的观测斜距；φ12、φ13、φ23分别为S1与S2、S1与S3、S2与S3的夹角；

设|A|、K1、K2、K3分别为辅助计算量

$\left|A\right|=\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{12}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_{13}+{\cos \mathrm{\φ}}_{12}{\cos \mathrm{\φ}}_{13}{\cos \mathrm{\φ}}_{23}-2}$

K₂＝(D² ₁₂+S² ₁-S² ₂)/2  K₃＝(D² ₁₃+S² ₁-S² ₃)/2  K₁＝(S₁S₂S₃)|A|

将1点平移到坐标原点，则各个点的坐标分别为1(0，0，0)、2(X2，Y2，H2)、3(X3，Y3，H3)、P(XP，YP，HP)，

其中(X2，Y2，H2)＝(x2-x1，y2-y1，h2-h1)，(X3，Y3，H3)＝(x3-x1，y3-y1，h3-h1)

则有 $\left\{\begin{array}{c}{X}_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}\left(\begin{array}{c}\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|\end{array}{H}_P-\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|\right)\\ Y_P=\frac{1}{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}\left(\begin{array}{c}\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|\end{array}{H}_P-\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|\right)\\ H_P=\frac{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|K_1+\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& K_2\\ Y_3& K_3\end{array}\right|+\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|\left|\begin{array}{cc}{K}_2& X_2\\ K_3& X_3\end{array}\right|}{{\left|\begin{array}{cc}{X}_2& Y_2\\ X_3& Y_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{Y}_2& H_2\\ Y_3& H_3\end{array}\right|}^2+{\left|\begin{array}{cc}{H}_2& X_2\\ H_3& X_3\end{array}\right|}^2}\end{array}\right.$

最后得到待测量隐蔽点的坐标x_P＝X_P+x₁  y_P＝Y_P+y₁  h_P＝H_P+h₁。

Images