CN104931015A - 基于dtm数据模型的横断面自动成图系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DTM数据模型的横断面自动成图系统与方法，系统包括：基准站以及移动站，基准站用于跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，移动站用于接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据，以获取测量区域内原始地形三维坐标；采集单元，用于建立测量区域的数据模型；处理单元，用于生成横断面图。本发明的优点是：结构简单，包括基准站以及移动站，采集单元和处理单元实现自动成图，可以快速地获取测量区域的三维坐标，减少了工作强度，提高了野外工作效率，提高了横断面测量精度，能够更好地计算出此区域的开挖土方量，从而降低生产成本。

Description

基于DTM数据模型的横断面自动成图系统与方法

技术领域

本发明属于地质测量技术领域，特别地，涉及一种基于DTM数据模型的横断面自动成图系统与方法。

背景技术

随着国家高速公路的发展，其新项目多集中在交通不方便、地形地貌较为复杂的省份，高速公路线性走向尽量避免农田、村庄，减少耕地的侵占，线路走向布设区域的地形地貌较为复杂，这种情况对于横断面测量方法及横断面成图方法提出了更高的要求，目前中标施工单位中标路线一般较长，多则几十公里，也给横断面测量方法和成图方法提出了更高的要求，能够在较短的时间内完成区域内横断面测量也有了新的挑战。传统横断面测量方法有水准仪皮尺法、横断面仪法、经纬仪视距法，在测量中桩高程及地形变坡点高差，尤其遇到地形较为复杂的冲沟地形等，就遇到瓶颈，不能高精度地反映地形地貌的变化。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其能够快速准确地获取复杂地形的三维坐标。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，包括：基准站以及移动站，所述基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，所述移动站包括一台或若干台接收机，设置在各待定点上，所述基准站用于跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站用于接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据，以获取测量测量区域内原始地形三维坐标；采集单元，用于选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程；以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；处理单元，用于将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理；输出单元，用于根据处理单元的计算结果自动生成横断面图。

本发明的另一目的在于提供一种基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，包括：步骤一，将基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，将包括一台或若干台接收机的移动站设置在各待定点上，所述基准站跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据；步骤二，选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程；以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；步骤三，将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理；步骤四，根据计算处理结果自动生成横断面图。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

结构简单，包括：基准站以及移动站，基准站用于跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，移动站用于接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据，以获取测量测量区域内原始地形三维坐标；采集单元，用于建立测量区域的数据模型；处理单元，用于生成横断面图。实现方便，可以快速地获取测量区域的三维坐标，减少了工作强度，提高了野外工作效率，提高了横断面测量精度，能够更好地计算出此区域的开挖土方量，从而降低生产成本。

附图说明

图1为本发明的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统的结构示意图；

图2为本发明的基于DTM数据模型的横断面自动成图方法的流程图；

图3为图2所示方法的实施例建立的DTM数据模型示意图；

图4为图2所示方法的实施例自动生成的横断面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参照图1，本发明的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统包括：基准站以及移动站101，所述基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，所述移动站包括一台或若干台接收机，设置在各待定点上，所述基准站用于跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站用于接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据，以获取测量测量区域内原始地形三维坐标；采集单元103，用于选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程，以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；处理单元105，用于将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理；输出单元107，用于根据处理单元的计算结果自动生成横断面图。

优选地，在各类地物的定位点上安放流动站，待仪器的状态固定后输入各类地物相应的属性编码进行保存，然后根据计算机程序按照属性编码对各类地物进行相应的表示。采用基准站及移动站采集具有受天气因素影响小，测图精度高，无需考虑控制点见的通视问题优势，对于开阔区域的独立地物和现状地物可以直接观测，精度可达1-3cm。

优选地，地形特征点的位置及网形可在1∶1～5万比例尺的国家基本图上进行设计，保证相邻点间互为通视。

优选地，地形特征点的选取也可不以点间通视为必要条件，可以先按需要选定点位，在来组织图形，为便于观测和使用，可选择在交通方便容易到达的地方，与此同时，在选点过程中应按所需密度来进行布点。

优选地，所述网络框架采用三边形组成的网形，为增加多个观测值，还需加测对角线。

优选地，所述网络框架也可采用有多个多边形闭合环组成，且相邻闭合环之间依边连接的图形，每条边代表两台接收机在该边两端点上同步连测所得的一个独立基线向量。

优选地，基准站以数据传输速率大于等于9600bit的标准实时向移动站发送信息，基准站把观测值及测站已知坐标通过数据链发送到移动站，移动站不仅采集观测数据，而且通过数据链接收到基准站数据，并在移动站上形成差分观测值后，实时求出移动站厘米级精度坐标。

优选地，移动站可处于静态也可处于动态，可以在一个固定点上进行初始化后进入动态工作，也可以在动态条件下进行初始化。

优选地，求解原始地形三维坐标的算法可采用模糊度函数法、FARA法和组合搜索算法。

优选地，所述选取的地形特征点的高程值与周围求得曲面拟合值不一致。为了提高精度，最好选两个以上均匀分布测区的点，利用最小二乘法来求解转换参数，能有效控制测区以及保证足够的精度，可以利用Bursa模型求解转换参数来进行坐标转化。

请参照图2，本实施例还提供一种基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，包括：S100，将基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，将包括一台或若干台接收机的移动站设置在各待定点上，所述基准站跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据；S200，选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程；以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；S300，将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理，S400，根据计算处理结果自动生成横断面图。

以下为通过计算机软件进行的具体实施例：该实施例以CAD方式先绘制横断面图纸的成果样图，然后使用系统提供的定义功能为每一个图形元素指定其对应的关键字。

优选地，所述关键字覆盖了所有可能在横断面图纸中出现的每一种元素，从桩号、路基各组成部分的标高、边坡坡率、边沟尺寸、砌护厚度、图纸的编码。从每一个图形元素的线型、颜色、图层到宽度，以及每一个标准元素的字体样式、字体高度、颜色、图层、标注位置。

请参考图3和图4，下面本发明以具体实施例进行描述：

第一步：设置好参数后进行原始地形三维坐标测量，得到原始测量数据格式如下：点号，，Y坐标，X坐标，H高程。

举例如下：1，，490432.634，4539238.074，1282.537

2，，490423.318，4539260.289，1282.374

3，，490422.457，4539262.35，1283.243

优选地，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，所述算法为： $Z=\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i{H}_i\right)/\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i\right),$ 其中，(Xi，Yi，Hi)，i＝1，...n，为被插值点P(X，Y，H)附近的一组参考点坐标。

第二步：将原始测量三维坐标数据导入计算机软件中，步骤如下：

展野外测点点号：打开计算机软件，点击绘图处理→展野外测点点号(选择合适的比例尺)→在输入坐标数据文件名对话框中选取相关的文件名点打开。

展高程点：点击绘图处理→展高程点→在输入坐标数据文件名对话框中选取和展野外测点点号一致的文件名点打开→确定。

确定边界线：利用多段线命令对要计算土方范围的边界点位进行连接并且进行闭合(在命令栏中输入字母C进行闭合)。

建立DTM：点击等高线→建立DTM→选择建立DTM的方式→由图面高程点生成→确定→在命令栏里输入数字2→直接选取高程点或控制点。

导出DTM数据模型dwg格式。

第三步，在计算机软件中建立数模，设置设计要求参数，步骤如下：

优选地，横断面设计支持各种路幅型式和宽度变化，支持整体式与分离式断面，支持城市道路多块板断面，支持统一项目不同路幅宽度及组成的多次变换，支持多级填挖方边坡变换，支持折线与弧线型边坡，支持矩形、梯形及浅碟形边沟与排水沟，支持路基结构层与垫层变换。

优选地，设计步骤包括：1、平、纵断面设计；2、利用设计向导生成宽度、超高、参数控制文件；3、路基设计计算；4、横断面设计；5、修改、绘制横断面设计图；6、计算土方工程数量表。

项目→新建项目。

建立一个目录文件夹。

打开电子图(CAD.dwg文件类型)。

确定各个图层的状态需要进行什么约束{(等高线/约束点)、(地形点/地形点的)}。

然后关闭图形，不进行修改

数模→数模组管理→新建数模→确定→关闭。

数模→三维数据读入→DWG或DXF格式→找到刚打开的电子图读入将等高线设为约束线→地形点设为地形点→点击开始读入。

①数模→三角构网②数模→网格显示→显示所有网格→确定。

打开CAD图将两个窗口都三维动态观察下(通过窗口菜单来实现转换)可以省略图形过大时会出现问题。

CAD视图→三维视图→视点预置→设为平面图。

数模→数模组管理→保存数模→(找到文件夹采用与之相同的命名)→保存→保存数模组→(步骤同上)→最后左点击选中数模组→点击打开数模→关闭。

设计→主线平面设计→在边缘处找点失去(同道堪的选线)→点击后→点插入→是→(大致再选取三个点，然后同道堪的步骤，不需要修改半径及前后缓和曲线长度)→点存盘→是→计算绘图。

项目→设计向导→下一步(多次重复下一步)自动计算超高加宽→完成。

数模→数模应用→纵断面插值→开始插值→保存(可以在项目→项目管理器里查看)。

数模→数模应用→横断面插值→选取绘制三维地面线及输出组数(其他默认)→开始插值→保存(可以在项目→项目管理器里查看)。

设计→纵断面设计→计算显示→确定。

设计→纵断面设计→选点→在图上选一个个点{(左边起)再接着插入几个点(如道堪纵断面设计)最后一个右边缘}→点击实时修改对纵坡顶修改→存盘→计算显示→删除纵断面图。

设计→路基设计计算→点击...→保存→搜索全线→确定→计算。

第四步，利用计算机软件自动生成横断面图及土石方计算表。设计→横断面设计图→选中土方数据文件→点击...→保存→绘图控制→(选中记录三维数据、插入图框、绘出路槽图)→计算绘图→保存。

试验

点号，，Y坐标，X坐标，H高程：

1，，490432.634，4539238.074，1282.537

2，，490423.318，4539260.289，1282.374

3，，490422.457，4539262.35，1283.243

根据算法： $Z=\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i{H}_i\right)/\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i\right),$ 其中，(Xi，Yi，Hi)，i＝1，...n，为被插值点P(X，Y，H)附近的一组参考点坐标。

所得的误差值见表。

由此可见，本发明实现了精度很高的发明效果，提高了横断面测量精度，从而能够更好地计算出此区域的开挖土方量。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，包括：

基准站以及移动站，所述基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，所述移动站包括一台或若干台接收机，设置在各待定点上，所述基准站用于跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站用于接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据，以获取测量测量区域内原始地形三维坐标；

采集单元，用于选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程；以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；

处理单元，用于将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理；

输出单元，用于根据处理单元的计算结果自动生成横断面图。

2.如权利要求1所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，所述输出单元包括：

第一设计模块，用于进行平、纵断面设计；

控制模块，用于利用设计向导生成宽度、超高、参数控制文件；

第一计算模块，用于进行路基设计计算；

第二设计模块，用于进行横断面设计；

绘图模块，用于修改、绘制横断面设计图；

第二计算模块，用于计算土方工程数量表。

3.如权利要求2所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，所述选取的地形特征点的高程值与周围求得曲面拟合值不一致。

4.如权利要求1所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，所述算法为： $Z=\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i{Z}_i\right)/\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_i\right)$ 其中，(xi，yi，zi)，i＝1，...n，为被插值点P(x，y，z)附近的一组参考点坐标。

5.如权利要求1所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图系统，其特征在于，所述数据链包括无线电台，无线通信网络或有线网络。

6.一种基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，包括：

步骤一，将基准站设置在测量区域内坐标精确的已知点上，将包括一台或若干台接收机的移动站设置在各待定点上，所述基准站跟踪载波相位测量，同时通过数据链将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态进行发送，所述移动站接收GPS信号进行载波相位观测，同时通过数据链接收来自基准站的载波相位差分数据；

步骤二，选取测量区域内一定数量地形特征点的平面位置和高程；以所述地形特征点为网络框架，根据一定算法在所述网络框架中内插高程点，以建立测量区域的数据模型；

步骤三，将测量区域的横断面设计要求参数进行输入，对所述测量区域的数据模型进行计算处理；

步骤四，根据计算处理结果自动生成横断面图。

7.如权利要求6所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，所述步骤四包括：

a.平、纵断面设计；

b.利用设计向导生成宽度、超高、参数控制文件；

c.路基设计计算；

d.横断面设计；

e.修改、绘制横断面设计图；

f.计算土方工程数量表。

8.如权利要求7所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，所述选取的地形特征点的高程值与周围求得曲面拟合值不一致。

9.如权利要求6所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，所述网络框架采用由多个多边形闭合环组成，且相邻闭合环之间依边连接的图形，每条边代表两台接收机在该边两端点上同步连测所得的一个独立基线向量。

10.如权利要求9所述的基于DTM数据模型的横断面自动成图方法，其特征在于，所述步骤三的计算处理包括对坡度和坡向分析，地表粗糙度的计算，地表曲率的计算，谷脊特征的计算。