CN104316036B - 一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，其步骤如下：在整个测图区域内利用GPS技术测得两个以上公共点在成图坐标系下的坐标；将整个测图区域划分为n个作业块，相邻作业块间设置连接点；对于每一个作业块，通过自由设站方法，得到独立坐标系下的作业块成果图；利用连接点完成各作业块成果图拼接，得到过渡坐标系下的测图区域成果图；利用公共点，通过坐标转换，得到成图坐标系下的测图区域成果图。该方法所需GPS点少，免去了图根控制测量过程，测图工期短，特别适合城镇、山区等通视困难区域测图工作。

Description

一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法

技术领域

本发明属于测绘成图的技术领域，特别是一种应用于测绘工作的基于自由设站的多作业块拼装式测图方法。

背景技术

地形图测绘是测绘工作的最主要任务之一，其为建设规划、工程设计、资源管理提供了基础地理信息数据。

常规的测图技术主要分为控制测量和碎部测量两步进行。目前，控制测量一般采用导线形式布设图根点，再在图根点上架设全站仪进行碎部测量。但是，这种利用导线完成控制测量的方法也存在明显的缺点，主要表现为：

(1)导线点要求保存时间长，在人口较多的城镇容易遭到破坏；

(2)相邻导线点要通视，在人口、车辆众多的城镇地区，导线测量困难；

(3)需要布设的导线点多，工作量大，作业工期长，投入成本高；

(4)为了顾及导线测量方便，部分图根点点位不利于碎部测量开展。

随着GPS测绘技术的发展，利用实时动态定位技术(GPS-RTK)技术进行图根点测量逐步普及。相对导线测量技术，利用GPS-RTK技术布设图根点显示出了明显的优点：作业效率高，作业速度快，劳动强度低，点位绝对精度高，不要求点间满足光学通视，操作简便。但是，这种方法在使用过程中也存在着明显的不足：

(1)在城镇、山区等对卫星信号有遮挡环境下，GPS接收机可观测到的卫星数量较少，在很多地点不能实现实时高精度定位，进而使得图根点密度满足不了测图需求。

(2)由于要满足后期碎部测量时测站后视定向的要求，这些GPS-RTK图根点还需要形成对点，这进一步增加了利用GPS-RTK布设图根点的难度。

(3)GPS-RTK是单点测量，缺乏检核条件，出现粗差不能被发现。

为了回避GPS-RTK测量点间需通视的要求以及实现测站点便于观测更多碎部点的效果，在2009年02期的《东南大学学报(自然科学版)》上，论文“顾及已知点精度的自由设站算法及精度分析”给出了自由设站的测图方法。该方法是在一个便于观测更多碎部点的位置架设全站仪，在两个以上便于GPS-RTK观测且全站仪可视的点位上，利用GPS-RTK和全站仪均测得该点坐标，利用坐标转换进而得到其他各碎部点正确坐标。但是该方法只适用于一个测站范围内的测图，对于整个测区来说，需要利用GPS-RTK技术测量的点位依然很多。

对于测图方法，比较相近的发明是“一种数字测图方法”(申请号：200910117739)。该方法包括以下步骤：(1)分别启动全站仪、智能手机和接收装置；(2)智能手机搜索全站仪的蓝牙通讯设备，并与全站仪建立连接，设置通讯参数；(3)在全站仪上设置坐标，并进行现场测绘，得到描述地形的X、Y、Z坐标数据；将该坐标数据进行存储，并通过蓝牙传输至智能手机；(4)在智能手机上绘制测绘草图并保存为二进制格式，得到草图数据；(5)将草图数据压缩后，通过SMS或GPRS技术传输至接收装置；(6)将坐标数据压缩后通过SMS或GPRS技术传输至接收装置；(7)接收装置通过地形图绘制软件绘制，即可得到地形图。该发明可以实现远程实时高效传输坐标与草图数据、实时成图、测绘数据实时汇总，但该发明在碎部点坐标如何快速测量上没有给出方法。

随着社会的发展，在城镇、山区等通视条件不好区域的测图任务越来越多，对测图工期的要求越来越短。因此，迫切需要一种对GPS测量点数要求少、测图速度快、基于现有全站仪的测绘成图技术来满足现实需求。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，用于解决现有的测图方法无法实现快速测绘的技术问题。

技术方案：

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，整个测图区域内利用GPS技术测得两个以上公共点在成图坐标系下的坐标，还包括以下步骤：

步骤一、将整个测图区域划分为n个作业块，并且在相邻的作业块之间设置连接点；

步骤二、对于每一个作业块，分别利用全站仪自由设站法测得作业块内的碎部点、连接点和公共点在该作业块独立坐标系下的坐标，并成图得到作业块的成果图；

步骤三、任意选定一个作业块的独立坐标系作为过渡坐标系，利用连接点将“步骤二”所得各作业块的成果图进行拼接，得到整个测图区域在过渡坐标系下的成果图；

步骤四、利用公共点，将整个测图区域在过渡坐标系下的成果图通过坐标转换，得到整个测图区域在成图坐标系下的成果图。

进一步的，在本发明中，测区区域内作业块的划分一般以道路、围墙、河流等地物为界，作业块划分完成后，作业块个数n的具体值也即确定。

进一步的，在本发明中，连接点处于作业块边缘，属于相邻作业块共有；每个作业块的连接点不少于2个，整个测图区域内的连接点总数不少于2(n-1)个。

进一步的，在本发明中，“步骤二”中所述的全站仪自由设站法包括以下步骤：

步骤2.1、对于任一作业块，在便于观测的位置架设全站仪，假设测站点的坐标和北方向，形成该作业块独立坐标系；

步骤2.2、利用极坐标法测得测站可视范围内的碎部点、连接点和公共点在该作业块独立坐标系下的坐标；

步骤2.3、如果该作业块内还有需要测量的点位不在测站可视范围内，则利用支点的方法完成该作业块内剩余点位的测量。

进一步的，在本发明中，“步骤三”中对作业块成果图进行拼接的方法如下：

对于属于作业块i和作业块j的连接点p,其误差方程为(1)式

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{i,p}& -y_{i,p}\\ 0& 1& y_{i,p}& x_{i,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_i\\ b_i\\ c_i\\ d_i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{j,p}& -y_{j,p}\\ 0& 1& y_{j,p}& x_{j,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_j\\ b_j\\ c_j\\ d_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

(1)式中，(x_i,p、y_i,p)为连接点p在作业块i独立坐标系下的坐标，(x_j,p、y_j,p)为连接点p在作业块j独立坐标系下的坐标，为作业块i由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数，为作业块j由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数，(v_x，v_y)为连接点p分别在作业块i和作业块j内的坐标转换到过渡坐标系后的坐标差；

参照(1)式，列立出所有连接点的误差方程；并令其中某一个作业块s的坐标转换参数为

[a_s b_s c_s d_s]^T＝[0 0 1 0]^T (2)

则作业块s的独立坐标系即为过渡坐标系；

对于所有连接点的误差方程，利用最小二乘法解算出除作业块s以外其他各作业块由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数；

将点k在作业块i独立坐标系下的坐标(x_i,k、y_i,k)及作业块i由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数代入(3)式，得到点k在过渡坐标系下的坐标(x_k,s，y_k,s)

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{i,k}& -y_{i,k}\\ 0& 1& y_{i,k}& x_{i,k}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_i\\ b_i\\ c_i\\ d_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{k,s}\\ y_{k,s}\end{array}\right]---\left(3\right)$

参照(3)式，将除作业块s外各作业块中的全站仪所测点坐标转换到过渡坐标系下，实现整个测图区域内全部碎部点、连接点和公共点统一到过渡坐标系下，其中，各连接点在过渡坐标系下的坐标取相邻作业块转换结果的平均值。

进一步的，在本发明中，“步骤四”所述的坐标转换具体过程如下：

对于任一公共点q，其坐标转换误差方程为

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{q,s}& -y_{q,s}\\ 0& 1& x_{q,s}& x_{q,s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\end{array}\right]---\left(4\right)$

(4)式中，(x_q,s、y_q,s)为公共点q由全站仪测得的在过渡坐标系下的坐标，(x_q、y_q)为公共点q由GPS技术测得的在成图坐标系下的坐标，为过渡坐标系到成图坐标系的坐标转换参数，(v_x，v_y)为转换后坐标差；

参照(4)式，列立出所有公共点的坐标转换误差方程，利用最小二乘法求得转换参数[a b c d]^T；

将过渡坐标系下的各点坐标代入(5)式，得到成图坐标下的坐标

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{k,s}& -y_{k,s}\\ 0& 1& y_{k,s}& x_{k,s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中，(x_k,s、y_k,s)为测量点k在过渡坐标系下的坐标，(x_k、y_k)为测量点k在成图坐标系下的坐标。

有益效果：

本发明所述的一种应用于测绘工作的基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，打破现有的“先图根后碎部”的作业模式，将整个测图区域分解成多个作业块，每个作业块先利用自由设站完成测图，然后再利用数学的方法将各块拼装成一个整体，并通过坐标转换，得到成图坐标下的整个测图区域成果图。

这种方法具有很好的有益效果：第一，所需测量设备均是现在日常使用的GPS接收机和全站仪；第二，需要GPS测量的点位少，只需两个以上即可，极大缓解了在视空条件不佳区域的GPS测量压力；第三，由于所需GPS点少，GPS点位测量可采用具有检核条件、测量精度高的静态模式进行；第四，免去了图根控制测量的过程，可大大缩短测量工期；第五，作业块采用自由设站方式，更便于观测碎部点；第六，作业过程比较简单，复杂解算过程都可利用相应软件进行。

附图说明

图1为一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法技术流程图；

图2为各作业块测图过程技术流程图；

图3为某测图区域内作业块划分及连接点设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本实施例在南京市一区域内进行。该区域面积约1平方公里左右。

在整个测图区域内利用GPS技术测得3个公共点在成图坐标系下的坐标，分别为：

Q1(3530967.274，2230215.656)

Q2(3531009.277，2231159.961)

Q3(3530321.597，2231099.737)

如图3，将整个测图区域划分成A、B、C、D、E、F、G等7个作业块，作业块间共设置连接点13个，分别是L1～L13。其中Q1位于A作业块，Q2位于C作业块，Q3位于E作业块。

利用全站仪在作业块A内一便于碎部点观测的点位设站，假设测站坐标及北方向，形成作业块A的独立坐标系。利用极坐标法测得作业块A内的碎部点、连接点和公共点坐标。同法，完成其他各作业块内碎部点、连接点和公共点的坐标测量。

所测连接点和公共点坐标列入表1。

表1

利用(1)式列出各连接点在相邻作业块的坐标转换误差方程，并设作业块G的独立坐标系为过渡坐标系，即[a_G b_G c_G d_G]^T＝[0 0 1 0]^T。利用最小二乘法解得作业块A、B、C、D、E、F等作业块独立坐标系向过渡坐标系(作业块G的独立坐标系)进行坐标转换的转换参数，如表2。

表2

利用(3)式，根据表2中的转换参数，将各作业块中的碎部点、连接点和公共点在独立坐标系下的坐标转换到过渡坐标系下。连接点和公共点在过渡坐标系下的坐标如表3。

表3

连接点在过渡坐标系下的最终坐标取相邻作业块转换结果的平均值。将表3中结果整理，如表4。

表4

利用公共点由全站仪测得的在过渡坐标系下的坐标和GPS技术测得的在成图坐标下的坐标，根据(4)式列出各公共点坐标转换误差方程。利用最小二乘法解得由过渡坐标系到成图坐标系的转换参数为：

[a b c d]^T＝[276.345-194.331 0.996767051293 0.079964917104]^T。

再利用(5)式，将过渡坐标系下的碎部点、连接点和公共点等点坐标转换到成图坐标系下。连接点和公共点在成图坐标下的坐标如表5。

表5

通过上述方法完成作业块拼接和坐标转换，得到整个测图区域在成图坐标系下的成果图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，整个测图区域内利用GPS技术测得两个以上公共点在成图坐标系下的坐标，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤一、将整个测图区域划分为n个作业块，并且在相邻的作业块之间设置连接点；

步骤二、对于每一个作业块，分别利用全站仪自由设站法测得作业块内的碎部点、连接点和公共点在该作业块独立坐标系下的坐标，并成图得到作业块的成果图；

步骤三、任意选定一个作业块的独立坐标系作为过渡坐标系，利用连接点将“步骤二”所得各作业块的成果图进行拼接，得到整个测图区域在过渡坐标系下的成果图；

步骤四、利用公共点，将整个测图区域在过渡坐标系下的成果图通过坐标转换，得到整个测图区域在成图坐标系下的成果图。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，其特征在于：连接点处于作业块边缘，属于相邻作业块共有；每个作业块的连接点不少于2个，整个测图区域内的连接点总数不少于2(n-1)个。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，其特征在于，“步骤二”中所述的全站仪自由设站法包括以下步骤：

步骤2.1、对于任一作业块，在便于观测的位置架设全站仪，假设测站点的坐标和北方向，形成该作业块独立坐标系；

步骤2.2、利用极坐标法测得测站可视范围内的碎部点、连接点和公共点在该作业块独立坐标系下的坐标；

步骤2.3、如果该作业块内还有需要测量的点位不在测站可视范围内，则利用支点的方法完成该作业块内剩余点位的测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，其特征在于，“步骤三”中对各作业块成果图进行拼接的方法如下：

对于属于作业块i和作业块j的连接点p,其误差方程为(1)式

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{i,p}& -y_{i,p}\\ 0& 1& y_{i,p}& x_{i,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_i\\ b_i\\ c_i\\ d_i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{j,p}& -y_{j,p}\\ 0& 1& y_{j,p}& x_{j,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_j\\ b_j\\ c_j\\ d_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

(1)式中，(x_i,p、y_i,p)为连接点p在作业块i独立坐标系下的坐标，(x_j,p、y_j,p)为连接点p在作业块j独立坐标系下的坐标，为作业块i由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数，为作业块j由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数，(v_x，v_y)为连接点p分别在作业块i和作业块j内的坐标转换到过渡坐标系后的坐标差；

参照(1)式，列立出所有连接点的误差方程；并令其中某一个作业块s的坐标转换参数为

[a_s b_s c_s d_s]^T＝[0 0 1 0]^T (2)

则作业块s的独立坐标系即为过渡坐标系；

对于所有连接点的误差方程，利用最小二乘法解算出除作业块s以外其他各作业块由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数；

将点k在作业块i独立坐标系下的坐标(x_i,k、y_i,k)及作业块i由自身独立坐标系向过渡坐标系进行坐标转换的坐标转换参数代入(3)式，得到点k在过渡坐标系下的坐标(x_k,s，y_k,s)

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{i,k}& -y_{i,k}\\ 0& 1& y_{i,k}& x_{i,k}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_i\\ b_i\\ c_i\\ d_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{k,s}\\ y_{k,s}\end{array}\right]---\left(3\right)$

参照(3)式，将除作业块s外各作业块中的全站仪所测点坐标转换到过渡坐标系下，实现整个测图区域内全部碎部点、连接点和公共点统一到过渡坐标系下，其中，各连接点在过渡坐标系下的坐标取相邻作业块转换结果的平均值。

5.根据权利要求1所述的一种基于自由设站的多作业块拼装式测图方法，其特征在于，“步骤四”所述的坐标转换具体过程如下：

对于任一公共点q，其坐标转换误差方程为

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{q,s}& -y_{q,s}\\ 0& 1& x_{q,s}& x_{q,s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\end{array}\right]---\left(4\right)$

(4)式中，(x_q,s、y_q,s)为公共点q由全站仪测得的在过渡坐标系下的坐标，(x_q、y_q)为公共点q由GPS技术测得的在成图坐标系下的坐标，为过渡坐标系到成图坐标系的坐标转换参数，(v_x，v_y)为转换后坐标差；

参照(4)式，列立出所有公共点的坐标转换误差方程，利用最小二乘法求得转换参数[a b c d]^T；

将过渡坐标系下的各点坐标代入(5)式，得到成图坐标下的坐标

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x_{k,s}& -y_{k,s}\\ 0& 1& y_{k,s}& x_{k,s}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\\ d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中，(x_k,s、y_k,s)为测量点k在过渡坐标系下的坐标，(x_k、y_k)为测量点k在成图坐标系下的坐标。