毕业设计（论文）-基于全站仪的大比例尺数字测图方法及应用浅析.doc

龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目：基于全站仪的大比例尺数字测图方法及应用浅析 专 业： 测 绘 工 程 班 级： 2011级测绘2班 学 号： 2011092634 姓 名： 肖炜彬 指导教师： 陈美智 职称： 高级实验师 资源工程学院基于全站仪的大比例尺数字测图方法及应用浅析资源工程学院 测绘工程专业2011092634 肖炜彬 指导教师 陈美智【摘要】随着计算机技术在测绘领域的普遍使用与迅速发展，传统的测图方法越来越不能满足现代测绘的需要，数字测图方法逐渐成为各个测绘单位的主要测图方法。其中，大比例尺数字测图方法在测图精度、测量费用、测图时间等方面具有较大优势，在实际的工程建设中应用较多。通过数字测图方法获取的数字化地图有着传统纸质地图所不具备的优势，在高速发展的电子信息时代背景下，数字化地图将有着更加重要的地位。本文主要阐述以全站型电子速测仪作为野外数据采集设备并运用计算机软件-南方CASS成图系统进行内业成图作业模式的大比例尺数字测图技术，然后简要说明测量过程中存在的一些问题，最后对大比例尺数字地形图在工程建设中的相关应用进行分析。【关键词】大比例尺；数字测图；数字地形图；CASS目录1.绪论11.1课题探讨的背景11.2课题探讨的意义11.3课题探讨的内容12.大比例尺数字测图技术概述12.1大比例尺数字测图野外数据采集12.2大比例尺数字测图内业数据处理23.大比例尺数字测图实例分析43.1项目概述43.2导线控制网的设计、选点和埋石43.3导线测量工作流程43.4碎部点的采集43.5 CASS7.0内业成图作业54.大比例尺数字测图的常见问题分析74.1控制测量过程中的常见问题74.2数字精度方面的常见问题74.3整饰质量问题85.数字地形图的应用85.1数字地形图概述85.2数字地形图应用分析86.结束语11致谢12参考文献131. 绪论1.1课题探讨的背景随着电子速测仪等测量仪器在测绘领域中的渗透与发展，地形图测绘逐渐走向数字化。自从上世纪70年代电子速测仪的产生后，大比例尺数字化测图技术得到了应用与发展。80年代初期，全站型电子速测仪的出现，大比例尺数字测图技术从而得到进一步的应用。传统测图的方法是在确定出所测地物地貌特征点的空间坐标后，按照一定的比例尺以及相关图例符号将所测特征点展绘在空白的图纸上，这种测图方法俗称为“白纸测图”，其中经纬仪平板测图方法比较常见。在当今信息技术高速发展的时代，这种测图方式因其精度低、工序多、劳动强度大等因素，已难以适应社会经济建设发展的需要1。为了适应工程建设的需求，从而使数字测图技术得到了发展。相对于传统的测图方法来说，数字测图方法在自动化程度、精度、效率、实时性以及保存条件等方面都具有较大的优势。目前，数字测图成为主要的地形图测绘手段逐渐取代传统测图方法而广泛应用于工程建设中。1.2课题探讨的意义数字测图是一种机助成图方法，即借助了计算机技术存储和处理地形信息，使得数据的传输、处理、共享更为方便。随着数字化技术的不断成熟，大比例尺数字测图与南方CASS的结合使用，体现出了计算机数字化成图的优势。在这种形势下，对大比例尺数字测图方法的了解和掌握是每个测绘工作者的必修课。为了适应测绘形势和更好地开展测绘工作，对基于全站仪的大比例尺数字测图方法作一个简单的探讨。1.3课题探讨的内容本文首先对大比例尺数字测图技术流程作简要概述，然后结合龙岩学院测图实例对大比例尺数字测图方法进行分析，理论联系实际，对基于全站仪的大比例尺数字测图方法工作流程作一个整体的叙述。接着对大比例尺数字测图工作过程中存在的一些问题做简要分析, 最后说明在南方CASS数字成图软件支持下的大比例尺数字测图成果-数字地形图的一些相关应用。2.大比例尺数字测图技术概述目前，在工程建设中用的比较多的是大比例尺数字测图技术，是因为它所测得的大比例尺数字地形图能够更加详细地描述实地的地物地貌情况。其中，在实际测量工作中主要是采用采集数据快、测量效率高的全站仪测量方法。全站仪测图的方法是利用极坐标法来确定待测点的三维坐标，测量结束后，将全站仪记录的观测数据导入计算机，然后使用南方CASS数字成图系统软件进行内业成图工作。大比例尺数字测图流程如图2-1所示：内业数据处理大比例尺数字测图外业数据采集控制测量碎部测量图2-1大比例尺数字测图流程2.1大比例尺数字测图数据采集2.1.1控制测量1）平面控制测量布设控制网应遵循“分级布网，逐级控制”的原则，其次还应保证精度、密度和规格符合要求。首级控制网布设一级导线控制网，再利用全站仪对布好的控制网进行图根点加密。一级导线测量的基本技术要求见表2-1。表2-1一级导线测量基本技术要求2导线等级导线的长度（km）导线平均边长（km）测距中误差（mm）测角中误差（）测距相对中误差测回数J2相对闭合差方位角的闭合差（）一级40.51551/3000021/1500010n全站仪采用电磁波测距的原理，从测站点到待测特征点的距离可以较远，且观测数据的精度较高。对图根控制点的分布密度要求不高，主要通过测区的通视条件情况来确定。一般情况下，在通视条件较好的测区，图根控制点可以布设少一些；反之，通视条件较差的测区，图根控制点的布设应该适当地有所增加，以达到控制测区、便于测量的效果3。在平面控制测量过程中，为了利于数据的解算，可以在手簿上记录测量原始数据（角度、边长、仪器高、棱镜高等）。为了提高工作效率，在图根点的测量中可采用“辐射法”和“一步测量法”。辐射法是指在通视条件良好的等级控制点上，利用全站仪测量坐标的方法，进行全方位的多次观测，从而一次性测量确定出多个图根控制点。采用这种测量方法在测站上能直接得出图根控制点的坐标，避免了复杂的平差计算过程。一步测量法是指在同一个测站上，先后采集图根导线数据和碎部点坐标数据，即同时进行了图根导线和碎部测量工作。这种方法节省了搬站和整置仪器的一些时间，在一定程度上提高了外业观测工作的效率4。当然，这种测量方法也有着明显的缺点，主要是图根控制点观测数据出错导致碎部点采集的时间浪费，所以在工作过程中要认真仔细对待，避免不必要的麻烦。2）高程控制测量一般情况下, 水准测量是实现高程控制测量的主要方法。水准测量是根据测区及附近的已知水准点的高程数据来布设水准路线到各个待测控制点。闭合、附合、支水准路线是三种常见的水准路线布设方式。而在地形起伏较大的测区，直接用水准测量的方法测量高程难以实现，也可以采用全站仪三角高程测量的方法进行。2.1.2碎部测量在测量工作中，碎部点通常是指描述地物地貌的特征点。碎部测量是将仪器架设在已知控制点上，进行对中整平及定向等操作后，对地物地貌特征点（即碎部点）进行采集的测量工作5。利用全站仪进行碎部测量的原理是：一个测量员手持棱镜对中杆准确立于碎部点上，然后仪器操作员由全站仪测取棱镜中心的平面坐标（即碎部点的平面坐标），利用三角高程测量的原理，全站仪快速计算出碎部点的高程，从而获取了一个碎部点的三维坐标。2.2 大比例尺数字测图内业数据处理一般情况下，全站仪在白天采集的数据要在当天晚上或第二天完成内业绘图工作，以免造成数据丢失或给绘图工作带来不便。内业数据处理的主要工作包括数据传输、展点绘图、图形修饰以及图幅修饰等内容。本文主要是以南方CASS7.0软件为例进行介绍。2.2.1数据处理前期准备工作数据处理的前期准备工作主要是全站仪的数据传输。在CASS软件中，在图2-2所示窗口内选定仪器型号，通讯口，波特率，保存文件位置等信息进行数据格式转换；经CASS7.0转换后的数据格式为“点号，编码，Y坐标，X坐标，Z坐标”，该格式为CASS的展点格式，如图2-3所示。图2-2 CASS数据传输窗口图2-3 数据格式示例2.2.2南方CASS7.0成图作业打开CASS软件后，首先进行展点，即将全站仪所测数据点号展在工作区中。然后利用草图和CASS7.0的地物编辑菜单中的各地物进行对点号连接，最后绘制出地物图形。3.大比例尺数字测图实例分析3.1项目概述为了巩固和扩展所学知识和增强解决实际问题的能力，本专业在2013年9月2日至10月5日期间统一组织了数字测图实习工作，以期获得比例尺为1：500的数字地形图。龙岩学院数字地形图的测绘分为十个小组，以第十小组测量为例（测区为同心楼周边），阐述数字测图过程。此次实习的地点在龙岩学院校内及周边环境，地势较为平坦，交通条件较为便利，气候条件适宜。在校内有诸多教学楼、运动场馆等地物和坡、坎、小山坡等地貌。3.2 导线控制网的设计、选点和埋石在搜集和了解有关成果资料之后，进行野外踏勘和在图上设计出合理可行的方案，布设出测区的导线控制网。导线的用途、测区的地物地貌等条件决定了所布设导线的等级和布设形式。在进行导线设计和选点时，应考虑已知点和待测点的分布情况，使导线网的布设形式符合相应的布设形式要求。此次导线网的布设中，根据已知的K4、K5控制点，采用一级环形闭合导线网布设测区的导线控制网。其中，控制点位的选定应符合下列要求：（1）为了能使整个测区有控制点的控制，控制点要有适宜的密度而且均匀分布；（2）为了保证观测工作的顺利进行，选定的相邻控制点之间应该有良好的通视条件；（3）控制点在通视良好的条件下，应保证视野开阔，便于碎部测量的开展；（4）为了使测量仪器和标志的安置和保存方便，控制点位应该避免选择在土质疏松之处；（5）导线应尽量选设等边直伸形状；（6）在保证控制点位长期保存的前提下，控制点位要选择在目标明显、便于寻找的地方等。此次控制测量选点以同心楼及周边为中心，布设了B1-B26以及K4、K5在内的闭合导线网。以已知点K4、K5点作为定向边，T1-T10布设次级图根控制网。在选定的点位上，应按规范规定埋设永久性中心标石。站标可因地制宜地选用钢标、木标或混凝土标等。这次测量采用钢钉作为测量标志，要求标形端正稳固。3.3 导线测量工作流程3.3.1导线网的观测工作导线网的观测工作包括水平角观测、距离测定、垂直角观测等，全站仪工作过程中，通过仪器观测的基本信息和三角高程测量公式得到观测点的三维坐标。其主要工作流程为：（1）首先将全站仪架设在一个控制点，对中整平后量取记录仪器高i，同时将棱镜架设在相邻的两控制点上后记录棱镜高（目标高）v；（2）在全站仪的基本测量模式中，使用测回法，分别用盘左L、盘右R照准目标棱镜进行观测，并记录水平角、垂直角、斜距、平距等基本信息；（3）通过计算出水平角、竖直角以及竖盘指标差检核是否超出限差。如果超出限差，立即进行重新测量；如果未超出限差，则计算出方向角、垂直角；（4）重复上述步骤，直至导线网观测完成。3.3.2导线网的内业处理导线网的内业处理主要是计算导线网角度闭合差、坐标增量X，Y、坐标增量改正数、导线相对闭合差以及最终确定控制点坐标。一般采用坐标的正反算公式等相关公式进行计算，也可运用平差易软件进行计算。其中，三角高程的计算公式为：H=Dtan+i-v（D为平距，为水平角，i为仪器高，v为目标高）。3.4碎部点的采集测量前分配好测图人员工作，使用全站仪作为碎部点采集设备，测图人员各司其职。将全站仪架设在图根控制点上，在对中整平、定向等操作后，开始碎部点的采集。在设站的过程中要进行以下几个方面的检查，见表3-1全站仪设站检核。表3-1全站仪设站检核序号检核内容检核目的1仪器及参数设置避免因仪器及参数设置而导致测量数据出错2已知点、定向点的点号及坐标避免坐标与点不对应及抄写坐标时出错等3检核点的点号及坐标避免设站点和定向点的坐标正确而检核点坐标错误，误导设站各项检查确定无误后，即可开始准备碎部点的采集。3.4.1碎部测量作业流程（1）开始测量前，绘图员要对一个测站周围的地物地貌等分布情况作一个大致的了解并绘制出地形草图，为观测开始后在草图上标注测量碎部点的位置和点号做准备6；（2）观测员将仪器架设在测站上并对中整平，录入已知数据、量取仪器高，做好定向的相关准备工作；（3）观测员和跑镜员配合作好定向工作，在检查无误后，开始碎部点采集工作；（4）在一个测站上的碎部点采集完并且确认无误后，将全站仪搬迁到一测站，按上述步骤继续进行碎部点的采集工作，直至完成碎部测量作业任务。3.4.2碎部测量细节问题（1）在绘制地形草图时，应保证地物地貌相对位置准确描述、图面清晰，并在图上标明所测量碎部点的属性信息，以供内业工作的编辑和处理图形时使用7；（2）在进行一个测站上的碎部点采集时，应尽量避免观测过程中的误操作、触碰仪器等因素而造成测量数据错误；（3）在碎部点采集工作过程中，在一个测站上能观测到的点应尽量观测，而观测不到的点可利用其与已测碎部点的相对位置推算出或者下一测站再进行观测。3.5 CASS7.0内业成图作业打开南方CASS7.0成图系统进入主界面如图3-1所示。图3-1 CASS7.0主界面点击工具栏上的“绘图处理”-“展野外测点点号”，将所测量的碎部点文件主界面上，如图3-2所示。（在实际成图工作中，在每个测量文件绘图完成后，才进行下一文件的展绘，避免各点号的错乱）图3-2展野外测点点号然后通过测图过程中所绘制的草图，根据测量的地物地貌点号依次次连接完成。并对地物地貌名称、性质等进行标注，标注后如图3-3所示。图3-3龙岩学院同心楼周边测区各个小组测量完成后，根据所测区域的重叠部分进行图形的拼接，最终获得龙岩学院1：500数字地形图，如图3-4所示。图3-4龙岩学院1：500数字地形图4.大比例尺数字测图的常见问题分析大比例尺数字测图有着细致且繁琐的操作过程，因其涉及的工序较多，比较容易引起误差。为了提高数字测图工作效率和成果质量，测图员在开始测图之前必须先形成作业流程，在测图施工过程中依照作业流程严格操作。下面就实际工作中的产生的一些常见问题进行分析8。4.1控制测量过程中的常见问题控制测量是大比例尺数字测图工作的基础，在控制测量的实际作业过程中，会经常出现以下几个方面问题：（1）不合理的控制点点位选择，导致不满足低等级的控制测量以及数字测图外业工作的需求。此外，不合理点位选择也不利于控制点的保存和观测；（2）在进行标石的埋设时，未按照相关规范和标准的要求进行操作，导致标石、点之记等原始记录填写不规范等问题较为突出；（3）原始观测数据记录不完整或错误。其主要原因是在缺乏科学、全面的设计方案的同时，测图员不熟悉相关的规范，放松了对控制测量的相关要求，从而导致了测量成果的缺陷。4.2 数学精度方面的常见问题数字地形图成果不合格的主要原因是其数学精度方面不符合限差要求，即衡量数字地形图质量的指标（平面位置精度和高程精度）超限。4.2.1平面位置精度的常见问题(1)控制点以及测站点的平面位置存在较大的偏差，不符合实际测图工作的需要；(2)测量人员在测图工作中，可能会发生草图绘制出错和误判定向点、觇标点和测站点位置等问题；(3)由于观测条件较差和仪器不稳定等因素， 在出现测量错误的点后没有进行及时的核实、补测或删除；(4) 当测量发生错误时，在下一测站测量时没有测绘出与上一测站的公共点，导致不能及时发现和快速纠正；(5)数字地形图成图之后，相关的测图员没有对现场进行检查和核对等。4.2.2高程精度的常见问题(1)仪器高的量取错误或取值准确性较低；(2)当觇标高不准确或觇标高改变时，未及时对仪器的记录值进行改正，或测绘员在测量过程中进行手工记录数据发送错误时，没有及时对数据作更正；(3)在某些地形特征点上未采集到高程，导致了自动生成的等高线走向与实际值之间存在了误差；(4)数字地形图在成图后，未进行及时的检查与核实，对自动生成的等高线未及时处理，导致容易引起等高线形状走样等问题。(6)地形图中缺少斜坡、坎高变化等信息；(5)所采集的高程点密度未达到规范要求等。4.3整饰质量问题数字地形图中规范地使用的符号、注记和线划等就是数字地形图整饰质量的体现。比较经常发生的整饰质量问题有以下几个方面：(1)地形图所使用的符号规格不正确或不统一；(2)地形图中的数字、文字的注记不规范；(3)地形图图廓整饰内容相关信息不完整或表示错误；(4)其最为常见的问题是线划的衔接不规范；(5)等高线没有交代清楚，或存在着错绘、漏绘的问题；(6)在使用方向性地貌符号时，方向的标示出现错误。(7)在使用图式库之外的地物地貌符号时，要在对其进行说明后使用。以下四个方面问题是产生整饰质量问题的主要原因：（1）测绘员缺乏最基本的地物地貌的知识；（2）对于图式和相关规范掌握的程度不够；（3）对于不同比例尺地形图基本要求理解不够清晰；（4）没有很好的领会所测绘地形图的特殊要求。5.数字地形图的应用5.1数字地形图概述数字地形图是以磁盘等为存储介质储存在计算机上的地形图（如龙岩学院1：500数字地形图）。计算机技术在测绘工作中的普遍使用，使得数字地形图测绘的精度和速度得到提升，从而取代了原本在纸质地形图上的量测工作。在南方cass等软件的支持下，通过数字地形图可以轻松获取点的三维坐标、两点间距离、直线方位角以及两点间坡度等地形信息9。此外，数字地形图还可以按一定方向绘制断面图以及进行土石方量的计算等。下文就数字地形图的一些应用作简要分析。5.2数字地形图应用分析5.2.1量取图上点的坐标值在数字地形图图廓的四角上标有实地坐标值。如图5-1所示，要在地形图上求p点坐标，在p点所在方格内，通过p点作平行于X轴和Y轴的直线eg和fh，依据地形图比例尺求得af和ce的长度，则Xp=Xa+afYp=Ya+ae图5-1量取图上点的坐标值此外，在CASS7.0软件中打开需要量测的数字地形图，通过工具栏中的“工程应用”-“查询指定点坐标”功能，直接查询出点p的平面坐标。在工具栏的“工程应用”中还有线长、实体面积、表面积等查询功能10。5.2.2利用数字地形图进行土石方量的计算与原有计算土石方量方法相比，使用数字地形图计算土石方量，在工作效率和计算精度等方面都有显著的提高。如今，一些具有土石方量计算功能的软件逐渐出现并应用于测绘领域中，其中有代表性的是南方测绘仪器公司研发的CASS成图系统11。以下在CASS7.0软件中对DTM法和方格网法计算土石方量的方法作简要说明：下面以应用全站仪对龙岩学院桃林地形测定为例说明DTM法和方格网法计算土石方量并进行分析。外业观测数据如图5-2所示。图5-2全站仪桃林测量数据将全站仪桃林测量数据导入CASS7.0中，如图5-3所示。图5-3数据导入结果（1） DTM法土石方量计算DTM模型的建立：南方CASS7.0软件中，在工具栏中选择“等高线”-“建立DTM”，选择桃林坐标文件生成DTM模型，如图5-4所示。图5-4桃林DTM模型打开CASS7.0工具栏中的“工程应用”的“DTM法土方计算”，选择“根据图上三角网”的“根据建立好的三角网”选项，设置高程396m为目标高运行，其结果如图5-5所示。图5-5 DTM法土方计算结果（2）方格网法土石方量计算在DTM三角网的基础上，用复合线画出桃林的边界，选择“工程应用”工具栏中的“方格网法土方计算”，选择高程数据文件、输入目标高程396m，计算结果如图5-6所示。图5-6方格网法土方计算结果综上所述，两种土石方量计算所得结果相差比较大，桃林场地地面高程变化较小，因此方格网法计算土方量比较合理。通常，平整土地采用的方法根据实际情况而确定：当平整场地高程变化较大时采用DTM方法，因为所建立的DTM模型接近实际地形且计算误差较小；当平整场地高程变化较小时采用方格网法，因为方格网法使所平整场地各处的土石方量数据较为合理。6.结束语当今的工程建设中，大比例尺数字测图方法和大比例尺数字地形图被广泛应用。本文通过大比例尺数字测图方法以及数字地形图的相关论述，旨在对大比例尺数字测图技术操作流程有更加深刻的认识和理解，为今后从事大比例尺数字测图工作奠定基础。此外，随着电子计算机科学技术的不断发展和完善，大比例数字测图技术也随着不断发展，其实现方法也变得更加多元化、智能化，更多的使用诸如GPS RTK等电子仪器，减少了地形测量的工作量，使地形测量工作变得更加快捷、简便。致谢本论文是在陈美智老师的悉心指导下完成的，在论文的写作过程中，陈美智老师的辛勤付出给予了我很大的帮助。陈老师的平易近人、求真务实、积极进取的人生态度也深深的影响着我。借此机会，向陈老师表示衷心的感谢。还有本论文涉及到的学者们，感谢他们的研究文献给予了我的启发。感谢资源工程学院的辅导员和老师们在大学四年期间在学习和生活上给予我大量的帮助。还有感谢一起走过大学生活的同学们，因为有了你们的支持和帮助，让我在生活中解决困难的同时得到了成长。感谢我的父母和亲朋好友，他们的深切关怀和大力支持是我顺利完成大学学业的动力。大学学业即将完成，感谢所有帮助和支持我的人。我将带着老师们、家人的期望和鼓励，走向人生的新阶段！参考文献1 潘正凤 程效军 等.数字测图原理与方法M.武汉：武汉大学出版社，20092 中国有色金属工业总公司.工程测量规范M.北京：中国计划出版社，20013 张凤举 张华海 赵长胜 孟鲁闽 卢秀山.控制测量学M.北京：煤炭工业出版社，19994 陈冬晖，张忠坤.大比例尺数字测图技术概述J.测绘与空间地理信息，2013，36（4）：2105 杜秀新.浅谈数字测图外业工作J.测绘与空间地理信息，2012，35（9）：2046 王瑞甫.数字化地形图外业的施测方法J.2011,187 汪仁银.数字化测图探讨J.四川水利，20088 李作勋.大比例尺数字测图及常见问题分析J，20129 张正禄 等.工程测量学M.武汉：武汉大学出版社，200510 吴迪.南方CASS7.0在地形测量中的应用J.城市建设理论研究，2013（15）11 沈铭 肖建红 张勤丽.浅析基于南方Cass软件的土方量计算J. 资源环境与工程,2012,26Based on large scale of total station digital mapping and application simple analysisResource engineering institute Major in Engineering of Surveying and MappingNo. 2011092634 Name:Xiao Weibin Supervisor: Chen Meizhi【Abstract】Along with the computer technology widely used in the field of surveying and mapping and the rapid development of the traditional mapping method is more and more cannot satisfy the need of modern surveying and mapping, digital map