基于實時定位數字地形圖外業(yè)質檢系統的設計與實現

陸克，唐寧，李運健

(廣西壯族自治區(qū)自然資源產品質量檢驗中心，廣西 南寧 530023)

1 引 言

隨著測繪地理信息事業(yè)的高速發(fā)展，數字正射影像、數字三維模型等數據成果在國民經濟建設和社會建設中的應用越來越廣泛，逐漸改變測繪地理信息行業(yè)的方向[1]。然而，在城市規(guī)劃、工程建設、不動產管理、農林業(yè)、軍事地理信息系統建設等領域，數字地形圖應用仍然占據著主導地位，是各行業(yè)不可或缺的基礎資料之一。數字地形圖的質量關系到各領域規(guī)劃設計、工程建設、運營管理階段等工作的進度和質量，也成為關乎我國社會經濟健康發(fā)展的重大問題。地形圖數據質量控制是數字地形圖管理與完善的關鍵，是集管理與技術為一體的綜合性工作，同時也是一項艱巨而又復雜的系統工程。在地形圖數字化作業(yè)過程中，需要針對各個環(huán)節(jié)進行嚴格控制和檢查，采用有效的技術手段進行校對，對提高地形圖數據質量具有十分重要的意義。當前，數字地形圖平面精度和高程精度檢測常用方法為：使用GNSS-RTK或全站儀在野外采集用于平面精度和高程精度的地物點，并將點位標記在紙質回放地形圖上；回到內業(yè)再量測標注點的圖上坐標和高程值，與儀器野外采集的坐標和高程進行對比，計算中誤差，最終完成數字地形圖平面精度和高程精度的檢測[2]。此種方法檢查工作銜接無序、實時性差、操作復雜、效率較低，且點位管理不靈活，很容易出現統計錯漏。在數學精度檢查和記錄的過程中，容易產生人為因素主觀錯誤，且難以在現場察覺和更正，造成數學精度損失等問題。因此如果能實現GNSS接收機與系統的通信，實時獲取平面坐標和高程采集結果，再指定對應圖上點位，便可實現數字地形圖的實時化、準確化、信息化平面精度和高程精度檢測，將極大提升質檢效率。

2 系統總體目標與總體框架

數字地形圖外業(yè)質檢系統以《GBT24356-2009測繪成果質量檢查與驗收》標準規(guī)定10大項42類傳統測繪產品和《GBT 18316-2001數字測繪產品檢查驗收規(guī)定和質量評定》標準規(guī)定的4類數字測繪產品的驗收檢查及質量評定工作的管理為要求[3，4]，在實現數字地形圖無損高性能符號化顯示的基礎上，連接了GNSS接收機與系統的通信，實時獲取平面坐標和高程采集結果，再指定對應圖上點位，便可實現數字地形圖的實時化、準確化、信息化平面精度和高程精度檢測，極大提升質檢效率[5，6]。總體設計了具備完整質檢業(yè)務邏輯的地形圖內外業(yè)一體化質檢系統，包括任務管理、質檢方案生成、自動化檢查、一體化評價、一鍵式報告輸出、數學精度實時檢測、地理精度快速巡查等多項功能。

3 系統設計

3.1 系統設計的原則

系統的設計主要是根據功能需求以及用戶要求來進行人性化設計，如圖1所示。首先是利用CORS系統進行高精度實時定位，然后連接平板電腦，通過Android組件的交互巡查環(huán)境進行外業(yè)巡查檢查，包括問題標注、要素坐標、照片插入、距離測量、動態(tài)繪制等形成巡查意見和精度結果；最后通過交互巡查環(huán)境與內業(yè)作業(yè)相結合，將地形圖導入進行質檢方案定制，并進一步自動化檢查，從而實現錯誤定位、地圖瀏覽、問題標注、要素查詢等功能。

圖1 設計路線

3.2 系統的功能設計

為了使系統滿足高精度定位要求，達到與紙質圖紙接近的使用體驗，界面以接近全屏的方式顯示數字地形圖，利用平板電腦進行數據高清無損顯示。系統操作界面與核心功能模塊如圖2、圖3所示。

圖2 系統操作界面

圖3 系統核心功能模塊

(1)精度點管理功能模塊

為達到與紙質圖紙接近的使用體驗，界面以接近全屏的方式顯示數字地形圖。左側菜單設置精度點管理功能模塊包括點采集、刪除點、編輯點等，可實現數字地形圖質量檢查的實時采集、實時檢查；右側設置采集點界面，實時播報采集點坐標的信息。滿足外業(yè)系統人機作業(yè)要求，比傳統外業(yè)紙質巡查更具有現勢性。

(2)圖層管理功能模塊

新建圖層，打開圖層、管理圖層，這種圖層管理方法有益于歷史數據的存儲與調用，在平板上操作簡單，時效性快。

(3)量測功能模塊

在數字地形圖上提供坐標、高程、長度、面積等量測功能，為檢測數字地形圖成果提供直接工具。通過設置精度閾值，可在現場評價數字地形圖的數學精度，并輸出質檢記錄。外業(yè)質檢工作快人一步，一鍵獲取，真正實現了自動化檢查。

(4)RTK設置功能模塊

RTK設置功能主要是解決平板與RTK連接獲取實時坐標問題，包括基本參數設置、儀器連接、測量設置、坐標數據等，實現普通手簿連接功能。

4 系統的關鍵技術

4.1 多系統平臺下數字地形圖高性能無損符號化顯示與交互技術

系統采用CAD控件作為數字地形圖內外業(yè)一體化質檢系統的DWG顯示交互、二次開發(fā)平臺。該控件支持Windows、IOS、Android等多種平臺，契合了需同時在Android平板上進行外業(yè)檢查和Windows平臺上進行內業(yè)檢查的數字地形圖內外業(yè)一體化質檢系統的開發(fā)需求，內外業(yè)系統使用同一套控件從系統底層保證了內外業(yè)系統的一體化，在關鍵的“空間搜索”上使用了復雜度極低的算法，并且使用匯編優(yōu)化，可以處理50萬級的實體，圖形的顯示和處理效率得到極大的提高。

4.2 北斗CORS高精度定位設備與系統實時通信技術

我國的北斗衛(wèi)星導航技術發(fā)展迅猛，基于北斗系統的高精度GNSS設備，采用無線藍牙、WIFI等技術集成于定位設備中，實現定位裝備與PC、平板電腦等終端的實時交互，可實時獲取GNSS設備厘米級高精度定位結果。利用GNSS接收機與系統的實時通信技術，實時獲取GNSS接收機點位采集結果，再指定對應圖上點位，可實現數字地形圖數學精度檢測的實時化、信息化，大大提高了質檢效率。

5 系統的功能與實現

5.1 實時圖根控制測量精度檢測

現場采集圖根控制點點位，并與圖根控制測量成果進行關聯比對，實時計算圖根控制測量成果與實地檢測的誤差值，當出現粗差時，報警提示檢查人員進行復核[7]。當滿足檢測數量要求后，可計算出圖根控制測量平面和高程誤差的粗差率、平面位置中誤差及高程中誤差，實現現場對圖根控制測量精度的評價。

5.2 實時地物點平面精度檢測

現場采集地物點點位，并與成果圖的點位實時對應，形成精度檢測點對，實時計算成果與實地檢測的誤差值，當出現粗差時，報警提示檢查人員進行復核。當滿足檢測數量要求后，可計算出圖幅平面誤差的粗差率和點位中誤差，實現現場對每幅圖平面位置精度的評價。平面點精度采集及平面精度信息分別如圖4、圖5所示。

圖4 平面點精度采集 圖5 平面精度信息

5.3 實時地物點高程精度檢測

現場采集地物或地形特征點高程，將高程點內插到成果圖上，形成精度檢測點對，實時計算成果與實地檢測的誤差值，當出現粗差時，報警提示檢查人員進行復核。當滿足檢測數量要求后，可計算出每幅圖高程誤差的粗差率和高程中誤差。高程點精度采集及高程精度信息分別如圖6、圖7所示。

圖6 高程點精度采集 圖7 高程精度信息

5.4 現場邊長精度檢測

現場量取地物點間距，對應圖上位置進行標記和記錄，形成精度檢測點對，現場計算成果與實地檢測的誤差值。當出現粗差時，報警提示檢查人員進行復核。當滿足檢測數量要求后，可計算出每幅圖的粗差率和間距中誤差。距離精度采集及距離精度信息分別如圖8、圖9所示。

圖8 距離精度采集 圖9 距離精度信息

5.5 地理精度巡查

系統可針對各類錯誤在圖上進行標注，內容包括錯誤類型、錯誤等級、錯誤個數、錯誤描述，對圖上標記也可進行刪除、查找、編輯等操作，實現對數字地形圖地理精度巡查記錄與錯漏分類，并對其地理精度進行評價，極大地提高了檢查的工作效率，同時也確保了地理精度質量元素檢查的真實性和可靠性。

5.6 現場樣本照片采集

在地理精度巡檢及數學精度檢測過程中，可通過設備實時定位技術及拍照功能，獲取現場照片或地物的樣本特征[8，9]。以拍攝現場照片的方式記錄檢查存在的典型問題，為外業(yè)檢查工作收集證據，有效避免與作業(yè)單位的事后爭端等問題，確保了各項檢查工作的真實性、可追溯性。

5.7 外業(yè)軌跡記錄

可定位檢查人員所在位置并對檢查人員軌跡做記錄。GNSS導航定位裝置與平板電腦的實時交互技術，能將檢查人員當前位置及行進軌跡進行記錄，有利于對各級檢查工作的監(jiān)督，避免弄虛作假，確保各級檢查的真實性、合理性及有效性。同時，監(jiān)管部門還可以對生產部門項目實施“兩級檢查、一級驗收”制度的實行情況進行有效監(jiān)督[10]。

5.8 檢查數據導出

外業(yè)檢查完成之后，可導出外業(yè)檢查意見記錄表、數學精度統計表、軌跡記錄、照片數據等檢查結果，用于最終質檢報告的編寫。數字地形圖外業(yè)質檢系統功能與實現如圖10所示。

圖10 數字地形圖外業(yè)質檢系統功能與實現

6 結 論

本文以測繪地理信息數字地形圖質量檢查為切入點，探討基于我國的北斗CORS高精度導航定位技術，無線藍牙、WiFi等通信技術集成于Android移動平臺，形成高效快捷的數字地形圖外業(yè)質檢系統，外業(yè)無紙化檢查、信息化數據獲取，全面提高數字化地形圖的質量檢查的工作效率及可靠性，主要取得以下成效：

(1)解決衛(wèi)星-GNSS接收機-平板電腦的實時通訊問題，實現同一臺平板電腦，對南方、中海達、華測以及自主研發(fā)的好測GNSS接收機等設備的兼容，數字地形圖數學精度檢測的實時獲取。

(2)可實現外業(yè)現場導入不同品牌全站儀及不同數據格式的數據，并計算點位誤差、粗差率等信息，最終獲得每個圖幅的點位中誤差。取代以往外業(yè)獲取數據，到內業(yè)才能獲取點位精度的模式。

(3)解決軌跡跟蹤記錄及樣本點采集問題，能表現一、二查的檢查內容的真實性和數量型范圍，對前序檢查實現監(jiān)督，兩級檢查和檢查驗收可實現溯源。

(4)優(yōu)化檢查工作流程。除在密集的居民區(qū)地物點點位精度檢測以外，可實現“一人一設備”外業(yè)檢查的全部工作。

(5)采用最新的檢查方法和手段，摒棄傳統紙筆檢查模式，全面提高數字地形圖的質量檢查的工作效率及可靠性。比如：網絡RTK+安卓平板電腦、5G信號、基于第三方軟件無損讀取CAD的數據格式，更適合最新技術人員的日常作業(yè)模式，體現了檢查驗收工作的與時俱進。