基于智能全站儀的機載精密三角高程測量系統設計與實現

鄒進貴，朱勇超，徐亞明

(1. 武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079)

一、引 言

三角高程測量方法觀測簡單、靈活，受地形限制較小，但是由于儀器的精度限制和大氣折光、地球曲率等因素的影響，三角高程測量的精度問題一直是制約其發展的瓶頸問題。近年來，隨著測繪技術的進步及測量儀器的發展，尤其是高精度測量機器人的出現，三角高程測量的精度在理論上有了新的提升空間。許多專家相繼提出了三角高程測量代替高等級水準測量的可能，筆者通過利用兩臺高精度測量機器人，經加裝改進，實現了同時對向觀測，削弱了大氣折光、地球曲率等因素的影響。通過對測段按偶數邊進行觀測，無需量取儀器高和覘標高，有效避免了由此帶來的測量誤差，可以達到二等水準測量的精度要求。

二、精密三角高程測量觀測方程

1. 儀器對棱鏡單元的觀測方程

圖1為儀器觀測棱鏡單元的示意圖，P1、P2兩點的高程分別為H1和H2。

圖1 儀器觀測棱鏡示意圖

由佩利年在《理論大地測量學》中提出的嚴密計算公式可得P1、P2點的高差的計算公式為

(1)

式中，D1,2為P1點觀測P2點的斜距；Z為P1點對P2點觀測的天頂距；i為儀器高；v為目標高；ε1為照準方向上的垂線偏差分量；εc為測線沿線垂線偏差分量均值；K1為P1到P2點的積分折光系數；S為P1、P2點經氣象改正后的斜距在參考橢球上的投影；R為P1、P2點的平均曲率半徑；B1、B2、Bm分別為P1、P2的緯度和平均緯度。

整理式(1)，可得

即

(2)

式中，h12為儀器物鏡中心到棱鏡中心的高差。

2. 儀器對儀器單元的觀測方程

如圖2所示，P1、P2兩點的高程分別為H1和H2。

P1、P2點的高差的計算公式為

(3)

圖2 對向觀測示意圖

式中，D1,2、Z1,2分別為P1觀測P2點低棱鏡所獲得的斜距和天頂距；D2,1、Z2,1分別為P2觀測P1點低棱鏡所獲得的斜距和天頂距；Δd1、Δd2分別為P1、P2點兩處儀器的棱鏡互差。令ΔP1、ΔP2分別為相應的兩處儀器低棱鏡中心至儀器中心的距離，h12為P1點儀器中心到P2點低棱鏡中心的高差，h21為P2點儀器中心到P1點低棱鏡中心的高差，h1,2為P1儀器中心到P2儀器中心的高差，于是有

h1,2=(H2+i2)-(H1+i1)=ΔP1-h21=h12-ΔP2

(4)

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

若i為偶數，則

Di,i-1cosZi,i-1)-Mi-1,i-Ni-1,i

(6)

若i為奇數，則

Di,i-1cosZi,i-1)-Mi-1,i-Ni-1,i

(7)

3. 總觀測方程

精密三角高程測量高程傳遞過程如圖3所示。

圖3 高程傳遞示意圖

根據儀器對棱鏡觀測單元和儀器對儀器對向觀測單元的推導，可以得出精密三角高程測量總的觀測方程為

B0)2cos2B1,0-(Bn-Bn-1)2cos2Bn,n-1]

(8)

式中，第一項為概略高差；第二項為轉點改正項；其余為起、末點改正項。

三、機載精密三角高程測量系統設計

為了保證高質量、高效、便捷地完成測量任務，系統必須具備良好的性能。首先要求利用該系統進行高程測量，須滿足國家二等水準測量的精度要求；其次要求野外觀測值必須實時得到記錄和基本解算，以免在出現故障時丟失數據；最后從系統開發角度出發，該系統必須具有良好的用戶接口，能夠方便地進行移植，而且當用戶進行不當操作時，該系統能夠進行相應的錯誤處理，給予提示或警告，且不影響系統正常運行。

考慮到該系統將用于野外數據采集且數據處理需要兩臺儀器的數據，因此系統將分為兩個部分：數據采集單元和數據解算單元。數據采集單元運行于智能全站儀上；數據解算單元運行于PC機上。

1. 數據采集單元

筆者運用Geo C++開發語言，在TS30測量機器人平臺上設計并開發了機載精密三角高程測量數據采集程序。數據采集單元集成了多測回自動觀測、數據自動檢核、自動重測、數據預處理、數據評定等功能，可使外業數據采集更加高效和便捷。

數據采集程序執行自動化測量的函數調用機制如圖4所示。通過按下“測量”功能鍵啟動測量，測量完成即自動重載OnTargetPointMeasFinished()獲取觀測值并且在該函數中啟動下一次測量。

圖4 自動測量過程函數調用機制

2. 數據解算單元

本測量系統的數據解算單元運行于PC機上，該單元利用C++語言編寫，可以運行在Windows 7/XP/2000/98等操作系統下。將兩臺儀器的觀測數據拷貝到PC機上后可以直接利用該程序進行解算，獲取數據結果并且對數據結果進行精度評定。該單元主要包括項目管理、數據導入與數據預處理、數據查看、數據計算、解算結果輸出等功能。

四、機載精密三角高程測量系統實現

1. 數據采集軟件的實現

筆者運用Geo C++開發語言，在機載開發平臺上進行了系統開發。機載精密三角高程測量系統菜單選項實現主界面如圖5所示。

圖5 程序菜單選項主界面

(1) 作業項目的管理

根據系統的設計，該單元的主要功能是新建作業、選擇已有作業及刪除作業的功能，并且在指定路徑下創建初始觀測值文件。作業項目管理實現界面如圖6所示。

圖6 作業管理程序界面

(2) 測量參數的設置

參數設置包含3個頁面，在參數設置單元，利用Geo C++的Tabbed頁面形式,參數設置實現界面分別如圖7所示。

圖7 測量參數設置界面

(3) 數據采集的控制

數據采集是機載程序實現的主要功能，也是機載程序設計的目的。為了實現數據采集的自動化，進行多測回自動化觀測、數據自動檢核及自動存儲等功能，筆者在軟件設計的基礎上，利用Geo C++開發語言實現了該單元。系統實現自動搜索、自動照準、自動測量的部分源代碼如圖8所示。

圖8 自動測量部分源代碼

數據采集功能實現如圖9所示。其中，圖9(a)主要控制測量流程、顯示測量進度并且集成高低棱鏡數據檢核功能；圖9(b)主要進行自動化觀測，而且集成棱鏡單元觀測數據檢核功能。

圖9 數據采集界面

2. 數據處理軟件

數據處理軟件采用C++語言在Visual Studio 2010平臺上進行開發，主要實現項目管理、數據的導入導出、數據預處理、數據查看、結果輸出等功能。

五、系統的應用

按照精密三角高程測量的理論，對兩臺裝載有筆者開發的機載精密三角高程測量軟件PTriLevel的全站儀進行必要的加裝。并配備一套可以安裝高低棱鏡的棱鏡桿，在某地區進行了實際應用，路線如圖10所示。

圖10 路線圖

表1 測段高差成果表

表2 閉合環成果表

經過計算，本次測量每千米偶然中誤差計算結果為0.48 mm，符合國家二等水準測量的精度要求。

六、結束語

筆者設計并開發了基于徠卡智能全站儀的機載精密三角高程測量數據采集軟件，提高了工作效率。其中數據采集模塊多測回自動觀測、數據檢核、自動重測等功能，大大提高了野外數據采集效率。該軟件的設計思路不僅適用于精密三角高程測量，也同樣適用于其他測量系統的設計，為下一步研究的開展打下了基礎。

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