CN111504282B - 一种流动超站仪模式地形测绘新方法及其系统 - Google Patents
一种流动超站仪模式地形测绘新方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种流动超站仪模式地形测绘新方法，属于测量技术领域。本发明的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，采用两个观测点后方交会测定测站，利用多点定向检查测站，确保了测站位置初始化的精度，也避免现有技术下连续支点造成的精度降低，而且不需要对中操作，实现了测站初始化的简单化和高效化，同时提升测绘成果质量。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，涉及测绘与地理信息科学领域，特别是一种流动超站仪模式地形测绘新方法。
背景技术
全站仪作为测绘地理信息单位最常用的设备之一，随着RTK设备的出现和完善，全站仪与RTK的结合出现了超站仪设备。革命性的设备出现，但普及和使用存在一定限制，特别是超站仪的设站位置，如果没有良好的卫星信号，则设备优势无法发挥。
参见图1，为现有的碎步测绘方法的站点布局示意图，超站仪(超站仪或全站仪结合RTK)的测绘模式是，先输入自身的坐标，再通过一个已知方向或已知点获得起算基准，即，先确定测站1，再支点测站2，最后测绘观测点1及待观测区域。该方法的特点在于必须获取测站处仪器的坐标，而全站仪设置的地方多是为了目视观测卫星信号不好的地方，因此测站的坐标获取也多受周边物体的遮挡难于获取。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种流动超站仪模式地形测绘新方法，克服传统支导线模式支站多，RTK技术结合度不高的弊端，实现了设站少，RTK设备利用率高的特点，结合无线传输技术及智能全站仪，实现了快速高效碎步测绘初始化。
本发明的原理如下：
空间定位原理实际上就是空间求交。对于两个球体相交，交点为一个圆；对于两个圆相交，交点为两个点；两个三维距离确定相交圆，三个三维距离确定两个交点，四个三维距离就可以唯一确定，基于此可以得到空间定位的基本条件是至少获取四个三维距离和四个对应已知点。因此，如果可以获取四个已知坐标和四个已知坐标分别到待测点的距离，同样可以在三维环境下确定待测点三维坐标。
对以上所需条件结合全站仪测量的特点，可以知道在测设三维距离的同时，全站仪也同时可以记录二维距离，同时隐含两个即知信息，即北方向(X-Y轴)和铅垂线方向(Z轴)方向，因此，所需要的四个三维距离和四个已知点坐标共计八个条件，可以通过两个点三维距离、二维距离和坐标计六个条件，以及待测点与已知点的北方向(X-Y轴)和垂线方向(Z轴)结合等不少于八个的显性与隐性条件，完成待测点的坐标计算。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种流动超站仪模式地形测绘新方法，包括以下步骤：
S1、设置仪器：在待测区域外选取两个以上观测点，在观测点处设置流动站RTK端；及，在待测区域内选取一个测站点，在测站点处设置全站仪，整平全站仪；
S2、流动站RTK端测绘观测点的绝对坐标并将其传递给测站点全站仪；
S3、测站点全站仪基于两个观测点的绝对坐标采用后方交会模式计算测站点的基准坐标；
S4、测站点全站仪基于测站点的基准坐标反测得观测点的检测坐标，对全站仪测得的检测坐标与RTK端测得的绝对坐标进行误差检验，满足精度要求后，再执行碎步测量。
其中，步骤S1中，流动站RTK端在观测点与全站仪之间可以相互通视观测并可以获取有效固定解，在流动站RTK端的上方或下方安装有反光棱镜；且每个流动站RTK端与测站点之间间隔的预设距离不低于30m。
作为一选项，步骤S3的具体内容如下：
S31、获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；具体如下：基于两个观测点的绝对坐标计算获得两个观测点之间的三维距离和平面距离；及，测量获得测站点到两个观测点的三维距离和平面距离；其中，平面距离为相应三维距离投影到水平面的距离；
S32、基于两个观测点的绝对坐标，以及测站点与两个观测点三点之间的平面距离，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；
S33、基于测站点与一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值I；
S34、基于测站点与另一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值II；
S35、将高程值I与高程值II进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取高程值I与高程值II的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标。
作为一选项，步骤S32的具体内容如下：基于两个观测点的绝对坐标，得到两个观测点的平面坐标及北方向信息；及，基于测站点与两个观测点三点之间的平面距离，结合平面及北方向信息的约束条件，依据三角形原理计算，获得测站点的平面坐标。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，用于全站仪与RTK设备的结合测绘模式，本发明方法通过对原有的支导线测绘模式的变革，减少了测站的设站数量，不需要全站仪对中和记录仪器高度，将原有测绘初始化时间直接减少近一半时间以上，同时采用两个观测点后方交会测定测站，利用多点定向检查测站，确保了测站位置初始化的精度，也避免现有技术下连续支点造成的精度降低，实现了测站初始化的简单化和高效化，同时提升测绘成果质量。
2.本发明的测绘方法采用无线传输技术传输数据，克服传统的超站仪中卫星导航定位设备与全站仪一体化，主测站必须对中整平，人工录入后视点坐标的弊端，变革传统的测站模式，提升效率达到一倍以上，结合智能全站仪自动接收数据并处理实现了快速高效碎步测绘初始化，同时具有方法简单、效率高、可靠性强、成本低的特点。
附图说明
图1是现有的碎步测绘方法的站点布局示意图。
图2是本发明的碎步测绘方法的站点布局示意图。
图3是本发明的碎步测绘方法流程图。
图4是本发明的棱镜与RTK端布置结构示意图。
图5是本发明的只约束距离的测站点平面坐标集合的平面示意图。
图6是本发明的测站点平面坐标唯一解的平面示意图。
图7是本发明的计算测站点平面坐标的示意图。
图8是本发明的计算测站点高差的示意图。
图9是本发明的碎步测绘系统的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
实施例1
参见图2，为本发明的站点布局示意图，本发明的一种流动超站仪模式地形测绘新方法是，先测绘观测点1和观测点2，然后反算测站位置，再观测待观测区域。
参见图3，本实施例的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，包括以下步骤：
步骤S1、设置仪器：在待测区域外选取两个以上观测点，在观测点处设置流动站RTK端；及，在待测区域内选取一个测站点，在测站点处设置全站仪，整平全站仪。
步骤S1中，可以先设置流动站，也可以先设置全站仪，或者同时设置。参见图1，以先设置流动站为例，先执行S11再执行S12。
其中，流动站RTK端在观测点与全站仪之间可以相互通视观测并可以获取有效固定解；固定解是通过相位测量得到的观测值，满足工程测量需求，一般误差在5厘米内。且，每个流动站RTK端(观测点)与全站仪(测站点)之间间隔的预设距离不低于30m，2个以上RTK端(观测点)按行业规则布设。且在流动站RTK端的上方或下方安装有反光棱镜；参见图4，三角代表棱镜，矩形代表RTK端，左侧图为棱镜在上方，右侧图为棱镜在下方，采用RTK接收端，在接收器的上方或下方安装有反光棱镜用于精密测距。参见图2，后述以2个观测点为例进行说明，当布设有3以上观测点时选取其中2个点执行步骤S2-S5操作。
步骤S2、流动站RTK端测绘观测点的绝对坐标并将其传递给测站点全站仪。
其中，绝对坐标指的是国家相关部门制定的具有统一起算标准的坐标系统下对应的坐标值。可采用WiFi或蓝牙等无线技术建立流动站RTK端与测站点全站仪的数据连接，自动将流动站RTK端的数据传输给测站点全站仪。
步骤S3、测站点全站仪基于两个观测点的绝对坐标采用后方交会模式计算测站点的基准坐标。具体内容如下：
S31、获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；具体如下：基于两个观测点的绝对坐标计算获得两个观测点之间的三维距离和平面距离；及，测量获得测站点到两个观测点的三维距离和平面距离；其中，平面距离为相应三维距离投影到水平面的距离；三维距离是垂高和水平距离的矢量和，也就是垂直高度平方加水平距离平方就是三维距离平方；前述两个步骤先后顺序可以根据实际情况而定。
S32、基于两个观测点的绝对坐标，以及测站点与两个观测点三点之间的平面距离，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标。
其中，步骤S32的具体内容如下：基于两个观测点的绝对坐标，得到两个观测点的平面坐标及北方向信息；及，基于测站点与两个观测点三点之间的平面距离，结合平面及北方向信息的约束条件，依据三角形原理计算，获得测站点的平面坐标。
参见图5，如果仅凭距离信息，根据三角形原理，三维环境下得到的解不唯一，而是以已知两点为轴线且以两条三维距离边约束的一个圆。图5中，测站一般指全站仪架设的点，因仪器架设在此对周边进行观测，相当于基准点因此称之为测站，即测量工作的基准站，即为测站点；伪站是在计算测站坐标的时候，因参数不足计算出来的多余的假解，需要排除，所有伪站集合为测站解圆。
借助平面的定义，则解算条件变成，两个已知点(观测点坐标)，作为边长的三个三维距离和二维距离，一个垂直方向信息，因此可以解算出两个解。
而且，根据平面测量坐标系的定义，已知两观测点坐标不仅确定距离信息，也同时确定了北方向信息，结合前述解算条件，即可确定解的唯一性，参见图6。
参见图7，定义投影到平面的观测点为A、B，投影到平面的测站点为C，组成平面三角形ABC，AB为c，AC为b，BC为a，A绝对坐标为(x0,y0,z0)，B绝对坐标为(x1,y1,z1)，则测站点C的平面坐标(x2,y2)的计算式如下：
S33、基于测站点与一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值I。
S34、基于测站点与另一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值II。
前述测站点的高程值I与高程值II均采用以下方法计算：
定义测站点的基准坐标为(x2,y2,z2)，观测点的绝对坐标为(x,y,z)，则测站点的高程z2的计算式如下：
其中，H为测站点和观测点的高差，S为测站点和观测点的三维距离，L为测站点和观测点的平面距离。
参见图8，S1为该观测点A和测站点C的三维距离，L1为A和C平面距离，则A和C的高差为
该观测点A的绝对坐标为(x0,y0,z0)，测站点C的基准坐标为(x2,y2,z2)，因此，测站点C的高程值I根据A的高程及A与C高差计算得到，计算式如下：
参照前述，同理可以得到高程值II。
S35、将高程值I与高程值II进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，理论上高程值I、II应该相同，如若它们差距较小，如在默认值3cm以内，则认为是均符合要求，然后，取高程值I与高程值II的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标。
步骤S4、测站点全站仪基于测站点的基准坐标反测得观测点的检测坐标，对全站仪测得的检测坐标与RTK端测得的绝对坐标进行误差检验，检测测站坐标的准确性，满足精度要求后，完成预处理操作，即可进入碎步测量环节。即，检验检测坐标与绝对坐标的偏差状况，看它们的偏差是否在限差内，如一般要求偏差不超过2cm。其中，基准坐标就是所要求的测站的绝对坐标值，是未来测量的基准；检测坐标即是用于检测该基准坐标是否错误等，是通过反测计算得到。其中碎步测量环节可采用现有技术，此处不再敖述。
如上述，本发明的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，重点在碎步测绘预处理环节，通过对原有的支导线测绘模式的变革，减少了测站的设站数量，将原有测绘初始化时间直接减少近一半时间，同时采用两个观测点后方交会测定测站，利用多点定向检查测站，确保了测站位置初始化的精度，也避免现有技术下连续支点造成的精度降低，实现了测站初始化的简单化和高效化，同时提升测绘成果质量。该方法应用于全站仪与RTK设备的结合测绘模式，具有高实用性，以及较高的应用前景。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例2给出了具体示例。
本实施例的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，包括以下步骤：
步骤1)选取地势平坦无遮挡物间隔一定距离的两观测点并测绘其绝对坐标。
地势平坦指的是全站仪可以观测到流动站RTK端的有效部分，无遮挡物指的是流动站所在位置可以获取有效固定解，两观测点之间距离取100米，设坐标为(2500000，2500000，0)，(2500000，2500100，0)，测点时间约3分钟。
步骤2)设置并整平全站仪。
全站仪直接在便于固定设备的且可以目视以上两点的地方进行整平，记录输入仪器高为1.2米，通过仪器激光对点设备，用红漆标识出仪器中心点，大小为0.3×0.3厘米，摆站时间为3分钟。
步骤3)通过无线传递技术，将测得坐标自动传递给全站仪。
通过蓝牙技术建立流动站RTK端与测站全站仪的数据连接，自动将流动站数据传输给智能全站仪，在步骤1)时即可同步完成。
步骤4)采用后方交会模式，求得全站仪坐标。
智能全站仪接收流动站数据，采用后方交会模式，测出距离两点的平面长度为100米，按照三角原理计算出测站点坐标为(2500029.289，2500050，0)。
步骤5)反测已知两观测点，检测坐标后进行碎部测量。
解算出测站点坐标(2500029.289，2500050，0)，此时流动站RTK端在观测点2上，反测流动站2坐标为(2500000.002，2500100.003，0)，检测测站坐标的准确性，即相比于(2500000，2500100，0)的偏差为(0.002,0.003,0)，在限差2cm内，满足精度要求无误后，即可进入碎步测量环节。
如上，以上累计时间约6分钟完成碎步测绘初始化；而按照传统模式摆站整平对中2次10分钟，定向2次6分钟，累计时间为约16分钟；新模式节约时间60％以上，测绘的复杂度降低一倍以上。
实施例3
在实施例1或实施例2基础，下述将说明本实施例的流动超站仪模式地形测绘系统，具体说明请参见实施例1或实施例2。
参见图9，本实施例的流动超站仪模式地形测绘系统，包括以下内容：
设置仪器模块：用于在待测区域外选取两个以上观测点，在观测点处设置流动站RTK端；及，在待测区域内选取一个测站点，在测站点处设置全站仪，整平全站仪；
测绘模块：用于流动站RTK端测绘观测点的绝对坐标并将其传递给测站点全站仪；
计算模块：用于测站点全站仪基于两个观测点的绝对坐标采用后方交会模式计算测站点的基准坐标；
误差检验模块：用于测站点全站仪基于测站点的基准坐标反测得观测点的检测坐标，对全站仪测得的检测坐标与RTK端测得的绝对坐标进行误差检验，满足精度要求后，再执行碎步测量。
其中，设置仪器模块中，流动站RTK端在观测点与全站仪之间可以相互通视观测并可以获取有效固定解，在流动站RTK端的上方或下方安装有反光棱镜；且每个流动站RTK端与测站点之间间隔的预设距离不低于30m。
计算模块的具体内容如下：
准备参数模块：用于获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；具体如下：基于两个观测点的绝对坐标计算获得两个观测点之间的三维距离和平面距离；及，测量获得测站点到两个观测点的三维距离和平面距离；其中，平面距离为相应三维距离投影到水平面的距离；
计算平面坐标模块：用于基于两个观测点的绝对坐标，以及测站点与两个观测点三点之间的平面距离，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；
计算高程值I模块：用于基于测站点与一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值I；
计算高程值II模块：用于基于测站点与另一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值II；
获得基准坐标模块：用于将高程值I与高程值II进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取高程值I与高程值II的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标。
计算平面坐标模块的具体内容如下：用于基于两个观测点的绝对坐标，得到两个观测点的平面坐标及北方向信息；及，基于测站点与两个观测点三点之间的平面距离，结合平面及北方向信息的约束条件，依据三角形原理计算，获得测站点的平面坐标。
如上述，本系统采用两个观测点后方交会测定测站，利用多点定向检查测站，确保了测站位置初始化的精度，也避免现有技术下连续支点造成的精度降低，实现了测站初始化的简单化和高效化，同时提升测绘成果质量。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明和例证，但这些描述并非用以限定本发明所要求保护范围，凡本发明所提示的技术教导下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利保护范围。
Claims (10)
1.一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置仪器：在待测区域外选取两个以上观测点，在观测点处设置流动站RTK端；及，在待测区域内选取一个测站点，在测站点处设置全站仪，整平全站仪；
S2、流动站RTK端测绘观测点的绝对坐标并将其传递给测站点全站仪；
S3、测站点全站仪基于两个观测点的绝对坐标采用后方交会模式计算测站点的基准坐标；其计算流程如下：首先，获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；其次，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；再次，依据三角原理计算获得测站点与两个观测点的高差，进而根据两个观测点的绝对坐标获得测站点的两个高程值；然后，将测站点的两个高程值进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取两个高程值的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标；
S4、测站点全站仪基于测站点的基准坐标反测得观测点的检测坐标，对全站仪测得的检测坐标与RTK端测得的绝对坐标进行误差检验，满足精度要求后，再执行碎步测量。
2.根据权利要求1所述的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于：所述步骤S1中，流动站RTK端在观测点与全站仪之间可以相互通视观测并可以获取有效固定解，在流动站RTK端的上方或下方安装有反光棱镜；且每个流动站RTK端与测站点之间间隔的预设距离不低于30m。
3.根据权利要求2所述的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容如下：
S31、获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；具体如下：基于两个观测点的绝对坐标计算获得两个观测点之间的三维距离和平面距离；及，测量获得测站点到两个观测点的三维距离和平面距离；其中，平面距离为相应三维距离投影到水平面的距离；
S32、基于两个观测点的绝对坐标，以及测站点与两个观测点三点之间的平面距离，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；
S33、基于测站点与一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值I；
S34、基于测站点与另一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值II；
S35、将高程值I与高程值II进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取高程值I与高程值II的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标。
4.根据权利要求3所述的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于：所述步骤S32的具体内容如下：基于两个观测点的绝对坐标，得到两个观测点的平面坐标及北方向信息；及，基于测站点与两个观测点三点之间的平面距离，结合平面及北方向信息的约束条件，依据三角形原理计算，获得测站点的平面坐标。
5.根据权利要求4所述的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于：定义投影到平面的观测点为A、B，投影到平面的测站点为C，组成平面三角形ABC，AB为c，AC为b，BC为a，A绝对坐标为(x0,y0,z0)，B绝对坐标为(x1,y1,z1)，则测站点C的平面坐标(x2,y2)的计算式如下：
6.根据权利要求3所述的一种流动超站仪模式地形测绘新方法，其特征在于：所述步骤S3中，测站点的高程值I与高程值II均采用以下方法计算：
测站点的基准坐标为(x2,y2,z2)，观测点的绝对坐标为(x,y,z)，则测站点的高程z2的计算式如下：
其中，H为测站点和观测点的高差，S为测站点和观测点的三维距离，L为测站点和观测点的平面距离。
7.一种流动超站仪模式地形测绘系统，其特征在于，包括以下内容：
设置仪器模块：用于在待测区域外选取两个以上观测点，在观测点处设置流动站RTK端；及，在待测区域内选取一个测站点，在测站点处设置全站仪，整平全站仪，记录全站仪的高度，标记全站仪的中心投影点；
测绘模块：用于流动站RTK端测绘观测点的绝对坐标并将其传递给测站点全站仪；
计算模块：用于测站点全站仪基于两个观测点的绝对坐标采用后方交会模式计算测站点的基准坐标；其计算流程如下：首先，获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；其次，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；再次，依据三角原理计算获得测站点与两个观测点的高差，进而根据两个观测点的绝对坐标获得测站点的两个高程值；然后，将测站点的两个高程值进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取两个高程值的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标；
误差检验模块：用于测站点全站仪基于测站点的基准坐标反测得观测点的检测坐标，对全站仪测得的检测坐标与RTK端测得的绝对坐标进行误差检验，满足精度要求后，再执行碎步测量。
8.根据权利要求7所述的流动超站仪模式地形测绘系统，其特征在于：所述设置仪器模块中，流动站RTK端在观测点与全站仪之间可以相互通视观测并可以获取有效固定解，在流动站RTK端的上方或下方安装有反光棱镜；且每个流动站RTK端与测站点之间间隔的预设距离不低于30m。
9.根据权利要求7所述的流动超站仪模式地形测绘系统，其特征在于：所述计算模块的具体内容如下：
准备参数模块：用于获取测站点与两个观测点三点之间的三维距离和平面距离；具体如下：基于两个观测点的绝对坐标计算获得两个观测点之间的三维距离和平面距离；及，测量获得测站点到两个观测点的三维距离和平面距离；其中，平面距离为相应三维距离投影到水平面的距离；
计算平面坐标模块：用于基于两个观测点的绝对坐标，以及测站点与两个观测点三点之间的平面距离，依据三角形原理计算获得测站点的平面坐标；
计算高程值I模块：用于基于测站点与一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值I；
计算高程值II模块：用于基于测站点与另一个观测点的三维距离和平面距离，依据三角原理计算获得测站点与该观测点的高差，进而根据该观测点的绝对坐标获得测站点的高程值II；
获得基准坐标模块：用于将高程值I与高程值II进行对比，满足其差值在高程误差预设值范围内条件后，取高程值I与高程值II的平均值作为基准值，结合测站点的平面坐标获得其基准坐标。
10.根据权利要求9所述的流动超站仪模式地形测绘系统，其特征在于：所述计算平面坐标模块的具体内容如下：用于基于两个观测点的绝对坐标，得到两个观测点的平面坐标及北方向信息；及，基于测站点与两个观测点三点之间的平面距离，结合平面及北方向信息的约束条件，依据三角形原理计算，获得测站点的平面坐标。
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