全站儀遙控測圖系統的設計與實現

蒲朝旭，余代俊，鄭平元

(成都理工大學現代工程測量技術及應用研究所，四川 成都 610059)

1 引 言

地形圖測繪是地理信息數據建立及工程建設中的一項重要工作，其測圖方法經歷了從模擬測圖到數字測圖兩個階段，目前的數字測圖主要有全站儀數字化測圖、GPS數字化測圖等。傳統的全站儀數字化測圖的工作模式[1～4]一般是(2人～3人)：在進行野外測量時，1人手持棱鏡選擇待測點，1人操作全站儀照準待測點棱鏡進行碎部點的測量，并將所測的碎部點坐標存儲到儀器中。待測量完成收工回到室內，利用專業繪圖軟件將全站儀存儲的碎部點導出并展繪，進而連點繪圖，而這些碎部點之間的關系或地物之間的關系則需要通過野外測量時繪制的現場草圖來確定，草圖的準確度基本決定了測圖的質量，在此草圖則顯得尤其重要。

目前，客觀記錄反映碎部點間關系的方法主要有草圖法[5～7]和編碼法：草圖法是在進行野外碎部點測量時，讓第三人跟隨持棱鏡的跑尺員，根據其測點順序、碎部點類型、現場情況、點位關系以及測量點號等信息將測量現場草繪至記錄紙上，人手緊張時，也可讓跑尺員自己繪制。編碼法是全站儀操作員在將測得的碎部點存儲于儀器前，先對該碎部點進行編碼分類后再存儲，以方便室內連點繪圖時有據可依。

雖然兩種方法都能反映碎部點間的連接關系，但各有利弊。草圖法雖能將現場情況比較準確地草繪到記錄紙上，但其工作效率不高，繪制煩瑣，容易造成測量點與實際記錄點不同步，甚至需要一人專門繪制草圖，增加了測圖成本。編碼法雖然能提高跑點效率、節省草圖繪制人員，但當碎部點距測站較遠時，常存在儀器操作員無法看清測點類型或無法清楚判別出碎部點點間關系的情況，從而導致編碼錯誤，以致影響后期內業成圖；測點編碼的過程也降低了測量速度。

因此，為解決這兩種方法存在的不足，本文提出一種能夠精確測繪且效率高的全站儀遙控測圖系統。

2 系統原理

全站儀遙控測圖系統主要包括全站儀、棱鏡、PDA、數據傳輸裝置等以及相關配件[8～12]，如圖1所示。

圖1 全站儀遙控測圖系統工作原理

全站儀是用于測量碎部點坐標的儀器，在該系統中，要求全站儀要能夠具有數據輸出功能，即在測量完一個碎部點之后，立即將數據通過全站儀配置的接口進行數據輸出。

棱鏡與傳統測量的棱鏡一樣，在此處要求在棱鏡的對中桿上，加設一個類似RTK對中桿配套的手簿托架裝置，該托架用于安置PDA。

PDA作為電子繪圖手簿，要求PDA能夠具有強對比度，方便野外測量時強光下能夠看清屏幕。同時要求PDA具有觸摸功能或者可以利用觸摸筆進行操作，并且PDA能夠安裝第三方繪圖軟件，系統選擇Windows Mobile、Android、IOS等均可，該PDA需要具有藍牙通信或者串口通信功能，方便數據傳輸。

數據傳輸裝置是該系統的核心，它由遙控終端A和遙控終端B組成遙測系統，遙控終端A和遙控終端B間可進行無線數據通信，該系統的作用距離能夠達到數百米，完全滿足碎部測量外業作業距離要求。其具體工作原理如圖1所示。圖中的傳輸都要求能夠雙向通信，并且是全雙工的工作模式。

從圖1可以看出，該種作業模式只需要2人即可。1人在全站儀處進行儀器操作，另1人在棱鏡處選擇待測點位進行測量，并將測量的碎部點及時地在PDA上連點繪圖。

其主要工作過程為：

(1)在測量之前，根據圖1的方式，將遙控終端A與全站儀連接，利用數據線將遙控終端B與PDA連接，并且將遙控終端A與遙控終端B進行頻率配對；

(2)根據碎部測量作業模式架設儀器，并進行相關測站操作，完成碎部測量的準備工作；

(3)跑尺員持棱鏡根據碎部點測量要求選擇待測點進行立鏡；

(4)觀測員利用全站儀對棱鏡進行照準觀測，此時所測碎部點坐標經全站儀數據輸出端口將數據傳輸至遙控終端A；

(5)當遙控終端A接收到數據之后，立即將數據通過無線方式發送至遙控終端B；

(6)當遙控終端B接收到數據之后，立即將數據接收，并傳輸至PDA；

(7)當PDA接收到碎部點數據之后，即時將數據展繪到屏幕上，此時跑尺員即可根據實際的現場情況對所測點進行連線繪圖，同時對數據和圖形進行實時保存；

(8)循環(3)～(7)步，完成所有碎部點的測量和繪圖。

通過該種方式，跑尺員能夠根據現場情況利用精確坐標進行實時繪圖，該圖能實時客觀反映現場情況，避免了錯誤的發生，同時也省時省力，效率高效。

3 系統實現

根據前面所述系統原理，結合系統實現的具體要求對遙控測圖系統進行了實現[13～15]，并申請獲得了國家專利授權[16]。

3.1 硬件選擇

硬件是該系統實現的關鍵，故必須對硬件在外觀、性能等方面有一定的要求。

遙測終端A和遙測終端B的外殼為全鋁外殼，尺寸為180 mm×100 mm×20 mm，自帶電池，具有體積小，靈敏度高，抗干擾能力強，透明傳輸，功耗低，傳輸距離遠的特點。同時，均采用高性能的無線射頻集成電路卡(IC卡)以及高速微控制單元(MCU)相結合的無線通信模塊，帶RS232異步傳輸標準接口。

PDA控制器必須具有觸摸屏，能夠通過觸摸筆或手觸方式實現指令的收發，同時具有高對比度屏幕等。

3.2 軟件選擇

該系統的軟件主要指PDA中的繪圖軟件，本次選擇的繪圖軟件是南方測繪公司的測圖精靈，利用測圖精靈能夠實現碎部點的實時展繪，并且將碎部點連點成圖。同時還能將圖形導出成DXF交換格式，便于在電腦端進行編輯。

3.3 實現效果

結合前面對全站儀遙控測圖系統原理的介紹，與儀器廠商合作對本系統進行了實現，實物圖如圖2所示。

圖2 全站儀遙控測圖系統實物圖

圖2中，左邊部分為儀器端，全站儀架設在腳架上，并將遙控終端A鉤掛固定在腳架上。右邊部分為移動端，由跑尺員手持對中桿及全站儀配套棱鏡，并將遙控終端B和PDA利用托架固定在對中桿上，方便繪圖和攜帶。遙控終端A和遙控終端B均配置了移動電源，能夠保證遙控終端供電充足，同時還有指示燈，能夠指示當前終端的工作狀況。

該系統能夠方便地移植到其他型號或品牌的全站儀上使用，同時為了讓PDA達到工業標準的要求，還能擴展使用GNSS手簿代替PDA，以方便外業使用。

4 系統優勢

為驗證本系統的適用性及作業效率等，選擇一塊包含建筑、道路、植被等地物的區域作為試驗區，本試驗區的大小約為 200 m×200 m，將外業數據采集至內業成圖整個流程的主要過程進行對比，見表1(注：本表格中數據對比只針對當前所用試驗區，其他試驗區可能會存在一定的差異)。

本文方法與草圖法作業模式對比結果 表1

表1從兩種作業模式的外業數據采集、內業成圖、圖形正確率等方面進行了對比，從表中可以看出本文方法在內業成圖時間和繪圖正確率上具有明顯優勢，在外業數據采集上所花費的時間比傳統模式高，這是由于本文方法在進行測量的過程中需要實時繪圖，并及時進行實地驗證。

綜上所述，本系統與全站儀常規測量方法相比具有以下優勢：

(1)避免繪圖錯誤。由于常規方法的PDA由全站儀操作員或站立全站儀旁的第三人手持，若碎部點距離測站較遠，非常容易看錯碎部點間的連接關系而繪錯圖形；

(2)測量速度快。傳統測圖方法中的工作主動方實為全站儀操作員，持棱鏡者雖能主動選擇待測點位，但無法及時看到測量圖形結果，因此，哪些點已測過，需要加測哪些點，而致使選點可能重復或點位選擇欠佳，進而降低作業速度和成圖質量。遙測系統非常好地克服了該缺點；

(3)即時繪成標準圖，減少內業工作量，減少作業時間。常規方法所繪圖形一般需通過持棱鏡者與草圖繪圖員或全站儀操作員在內業進行溝通核對，作再繪加工，而遙測系統因為基本無差錯，所以內業所花時間極少或沒有；

(4)節約人力。常規方法一般需要2人～3人，遙測系統只需2人。

5 結 語

本文分析了傳統全站儀草圖法地形圖測繪的不足之處，結合無線通信技術及計算機技術，提出了全站儀遙控測圖系統，并對該系統從系統原理、系統實現、系統效果以及優勢等方面進行了詳細介紹與分析，通過試驗充分證明該系統能夠滿足精確、快速的測圖需求。

在以后實際應用中，還可以根據具體作業設備和測圖軟件的不同，對該系統進行改進，以使其能夠更方便、快捷，同時降低系統的冗余性。