（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于gps与pda的网络数字测图系统研究.pdf

论文题目：基于g p s 与p d a 的网络数字测图系统研究 专业：地图制图学与地理信息工程 硕士生：辛兵厂 指导教0 5 张耀民 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着计算机与测绘技术的飞速发展，基于嵌入式计算机、无线网络技术及g p s 定位 技术的移动地理信息数据采集系统己趋于成熟。与传统的野外空间数据采集方式相比， 移动地理信息数据采集系统不仅携带方便，而且减少了人力及物力资源，更重要的是采 集的数据是“现测现显的，大大提高了工作效率。本文基于g p s 和g i s 技术的地理信 息数据采集手段，利用移动地理信息数据采集方法和网络地理信息系统技术，以面向地 理信息对象的思想，研究和设计了基于g p s 与p d a 的网络数字测图系统，并初步实现了 系统雏形。 当前的移动地理信息数据采集系统大都是基于单机模式的，一般不存在与服务器的 交互，因此即使地理信息数据采集工作完成后，回到室内后还需要将数据转到地理信息 数据库，不能做到多用户采集数据和处理数据的并发性和协同性。论文针对此种情况， 使用a r c g i ss e r v e rm o b i l es d k 在以g p s 与以w i n d o w sm o b i l e5 0 为操作系统的p o c k e t p c 型的p d a 为硬件平台上研究设计了移动数字测图系统，并可以充分使用p d a 的无 线通讯功能( 如g p r s ) 将采集的数据实时的发送到服务器端的s d eg e o d a t a b a s e 空间 数据库。论文首先对系统框架所涉及的关键技术进行了了解与研究，然后对系统框架进 行了研究与设计和实现。 论文对于地图测绘、管网数据采集和资源调查等数字测图作业，具有一定的应用价 值。 论文成果与创新点主要体现在以下几点： 1 ) 实现了多移动数据采集终端“现测现显 的协同测图作业模式，实现了移动终 端与服务器端地理信息数据的同步。 2 ) 采用新的空间数据采集方式，不需要以固定的图幅划分数据采集工作区，只需 从服务器端下载已测数据边缘部分，就可以接着边缘部分进行数据采集。 关键词：网络测图；移动测图；数字测图；g p s ；p d a 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fd i g i t a ls u r v e y i n ga n dm a p p i n gi nn e t w o r k b a s e do ng p sa n dp d a s p e c i a l t y ：c a r t o g r a p h y a n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ：x i nb i n g c h a n g i n s t r u c t o r ：z h a n gy a o m i n a bs t r a c t 7 s in a t u r e ) t s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec o m p m e ra n ds u r v e yt e c h n o l o g y ，t h em o b i l eg i sd a t a c o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dc o m p u t e r , w i r e l e s sn e t w o r ka n dg p sp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r e d c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lg i sf i e l dd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s ， m o b i l eg i sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi sn o to n l ye a s yt oc a r r yb u ta l s or e d u c et h eh u m a na n d m a t e r i a lr e s o u r c e s ，t h em o r ei m p o r t a n tt h i n gi st h a tt h ed a t ac o l l e c t e di s ”m e a s u r e di s s i g n i f i c a n t ”，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ew o r ke f f i c i e n c y t h i sp a p e rb a s e do nt h ei d e at h a t g i sd a t aa c q u i s i t i o nm e a n sb a s e do ng p sa n dg i st e c h n o l o g y , m a k eu s eo ft h eg i sd a t a c o l l e c t i o nm e t h o d sa n dn e t w o r kg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g y ，埘廿lt h e o b j e c t - o r i e n t e dt h i n k i n go fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ，d e s i g n e dad i g i t a l n e t w o r km a p p i n g s y s t e mf r a m e w o r kb a s e do ng p s a n dp d a ，a n dr e a l i z e di n i t i a lp r o t o t y p eo ft h es y s t e m t h ec u r r e n tm o b i l eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb a s e do n s t a n d a l o n em o d e ，w h i c hg e n e r a l l yh a sn oi n t e r a c t i o nw i t ht h es e r v e r , t h ed a t aa l s on e e dt o t r a n s f e rt ot h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s ea f t e rt h eg i sd a t aa c q u i s i t i o n ，s oi tc a nn o t c o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t aa tt h es a n l et i m eb ym a n yp e o p l e g i v e nt h ed e f i c i e n c i e so ft h e c u r r e n ts y s t e m ，t h i st h e s i su s e st h ea r c g i ss e r v e rm o b i l es d kt od e s i g nt h em o b i l ed i g i t a l m a p p i n gs y s t e mi nh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do ng p sa n dp o c k e t p c ，o n et y p eo fp d a 诵t h t h ew i n d o w sm o b i l e5 0o p e r a t i n gs y s t e m ，a n ds e n d st h ec o l l e c t e dd a t at ot h es p a t i a ld a t a b a s e s d eg e o d a t a b a s er e a l t i m ei ns e r v e r - s i d e ，m a k i n gf u l lu s eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n s ( s u c ha sg p r s ) o fp d a t h et h e s i sf i r s ti n v e s t i g a t e st h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e d i nt h ef r a n l eo ft h es y s t e m ，t h e nd e s i g n st h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m f o rt h em a p p i n g ，p i p en e t w o r kd a t aa c q u i s i t i o na n dr e s o u r c e ss u r v e ya n do t h e rd i g i t a l m a p p i n go p e r a t i o n s ，t h ep a p e rh a sac e r t a i nv a l u e t h em a i nr e s u l t sa n di n n o v a t i o no ft h i st h e s i sa l ea sf o l l o w i n g ： 1 ) t h ed e s i g na c h i e v e d ”m e a s u r e di ss i g n i f i c a n t ”i nt h em o b i l ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a lb y m a n yp e o p l ea tt h es a m et i m e ，m o r ei m p o r t a n t l y ，a n dr e a l i z e dt h ec a p a b i l i t yo f s y n c h r o n i z i n gd a t at r a n s f e rb e t w e e nt h em o b i l et e r m i n a l sa n dt h es e r v e r - s i d e 2 ) t h i st h e s i su s ean e ww a yo fg i sd a t aa c q u i s i t i o n , w h i c hd o e sn o th a v ef i x e dm a p st o i n c r e a s ed a t aa c q u i s i t i o ni n t ot h ew o r ka r e a , b u tj u s td o w n l o a d se d g ep a r t so fd a t af r o mt h e s e r v e r ，a n dt h e ng i sd a t aa c q u i s i t i o nc a l lb es t a r t e dn e a rt h ee d g ep a r to fd a t a k e y w o r d s ：n e t w o r km a p p i n gm o b i l em a p p i n g d i g i t a ls u r v e y i n ga n dm a p p i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mp e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储签及厂醐：叶。占 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名彳点厂 指导教师签名： 一引胄f 日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景及意义 从古到今，无论在什么时候测绘科学的发展与人类历史发展进程中的政治、经济、 军事和文化的发展都有着密切的关系。因而测绘技术也会随着人类社会的历史进程而不 断的发展。从以前的基于平板的模拟测图到现在的基于全站仪、g p s 的数字成图无不体 现着测绘科学质的提高。数字测图技术无疑是当前地理空间信息数据获取的主要手段， 所以数字测图已成为当前迅猛发展的地理信息产业的重要组成部分。 数字测图系统是以计算机为核心，连接测量仪器的输入、输出设备，在硬、软件的 支持下，对地面地形空间数据进行采集、输入、编辑、成图、输出、管理的测绘系统【l 】。 数字测图由于空间数据源的不同，数据采集所采用的仪器和方法也不同，主要有三种t 野外数据采集，原图数据采集，数字摄影。原图数字化从时效性和精度方面无法与野外 实测相媲美，航片数据采集对于小区域测图或建立小型g i s 系统而言，成本价值难以承 受，因此，在空间数据采集、动态更新，特别是在城市建设所需的大比例尺空间数据获 取方面，野外实测的地位是不可动摇的。 g p s 定位技术为野外数字测图提供了有力、高效的保证。由于g p s 定位技术具有 高精度、全天候、测站点无需保持通视等优点。所以g p s 定位技术已基本取代传统方 法用来建立平面控制网，而且利用g p s 可以快速准确的测定图根点、碎部点的坐标和 高程1 2 。极大的提高野外数字测图的工作效率。因此，可以预见基于g p s 定位技术的 数字测图将成为地理信息数据获取技术的主要趋势。 在人类社会活动中，人们所接触到的信息中约有8 0 与地理位置和空间分布有关。 空间信息作为全球变化与区域可持续发展研究提供获取时空变化信息的技术方法、为政 府部门提供空间分析和决策支持和为普通大众提供同常信息服务的功能越来越引起人 们的重视。所以空间数据的采集与实时更新就成为空间数据采集工作的重要任务。 掌上电脑( p d a ) 是近年来发展迅速的移动式便携计算机，内置强大的嵌入式w i n d o w s c e 操作系统，提供内嵌式开发环境用以程序设计。掌上电脑不仅具备良好的软硬件可扩 充能力，同时还具备移动性，这为g i s 数字测图带来了极大的方便性和实用性【3 l 。而且 p d a 的g p r s 无线通讯网络技术的不断发展为空间数据的实时更新提供了保障，这样野外 的数字测图成果可以通过网络实时的传回空间数据库服务器，供用户使用。 论文尝试以p d a 与g p s 接收机为终端，利用a r cg i ss e r v e rm o b i l es d k 开发包研 究设计了以p d a 与g p s 接收机为终端进行野外数字成图并通过p d a 的g p r s 功能将 野外数字成果实时的传回空间信息数据库的网络数字测图框架，使空间信息数据库数据 西安科技大学硕士学位论文 的实时性达到了最高，这就为空间数据用户、政府部门的空间分析和决策支持以及大众 日常的地理信息服务的更新提供了重要的保障，因此论文的研究对于空间信息数据的快 速获取及数据实时更新具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 数字测图技术的发展 数字测图首先是由机助地图制图开始的。机助地图制图技术酝酿于2 0 世纪5 0 年代。 到7 0 年代末和8 0 年代初自动制图主要包括数字化仪、扫描仪、计算机及显示系统四部 分，数字化仪数字化成图成为主要的自动成图方法。2 0 世纪5 0 年代末，航空摄影测量 都是使用立体测图仪及机械连动坐标绘图仪，采用模拟法测图原理，利用航测像对测绘 出线划地形图。到6 0 年代就有了解析测图仪。8 0 年代末、9 0 年代初，又出现了全数字 摄影测量系统。大比例尺地面数字测图，是2 0 世纪7 0 年代在轻小型、自动化、多功能 的电子速测仪问世后，在机助制图系统的基础上发展起来的。 8 0 年代初到1 9 8 7 年为第一阶段，我国主要是引进外国大比例尺测图系统的应用与 开发及研究阶段。 1 9 8 8 1 9 9 1 年为第二阶段，这一阶段研制成功了数十套大比例尺数字化测图系统， 并都在生产中得到应用。 1 9 9 1 1 9 9 7 年为总结、优化和应用推广阶段，提出了一些新的数字化测图方法。 1 9 9 7 年后为数字测图技术全面成熟阶段，数字测图系统成为g i s ( 地理信息系统) 的一个子系统。我国测绘事业开始进入数字测图时代。 近几年随着g p s 测量技术的不断发展和推广，地面数字测图得到了再一次飞跃性 发展。利用g p sr t k ( 实时动态差分) 技术和基准站g p s 接收机，通过数据链将其观 测值及测站坐标信息一起发给移动站g p s 接收机，移动站不仅接收来自基准站的数据， 还直接接收g p s 卫星发射的数据，组成相位差分观测值，进行实时处理，实时给出厘 米级的定位结果。若将g p sr t k 与电子平板测图系统连接，就可现地实时成图，避免 测后返工。r t k 观测时间短，并能实时给出点位坐标，实现一步法数字测图，显著地提 高了开阔地区数字测图的劳动生产率。随着r t k 技术的不断发展和系列化产品的不断 出现，基于g p s 的数字测图系统将成为地面数字测图新的里程碑，标志着地面数字测 图技术的新篇章，并将会在许多地方取代全站仪数字测图。 1 2 2 移动g i s 的发展现状 移动地理信息系统是g i s 在嵌入式的系统基础上面向专业领域的应用拓展，它利用 今天计算机领域最前沿的发展趋势：移动计算和无线通信技术，改变地理信息的处理方 2 1 绪论 式，并且与地理信息服务紧密联系在一起，是技术、信息、服务的集成【4 i 。进入信息时 代的2 1 世纪后，移动g i s 得到了飞速的发展，特别是基于移动g i s 的位置服务市场发 生了巨大的变化，在美国，高精度位置服务市场在2 0 0 5 年有了长足的进展，到2 0 0 7 年 底，美国期望占领全球将近5 0 的高精度位置服务市场。在位置服务全球领先的韩国与 日本，市场进一步细化和延伸，两国的位置服务市场进入了新一轮的发展阶段，在欧洲 市场，随着3 g 网络的成熟，欧洲位置服务市场开始加速成长，在中国2 0 0 6 2 0 0 8 年问， 市场的增长率保持在1 5 0 ，移动g i s 比较典型的开发领域为野外数据采集和车载导航 与定位的应用，但大多数应用为后者，而野外数据采集的应用相对较少。 1 3 基于p d a 与g p s 的网络数字测图概况 随着现代测量技术的迅速发展，传统的数字测图系统使用起来不但采集速度慢，效 率不高，而且成图还需要在室内完成，所以工作持续的时间比较长，不能满足当前地理 信息建设对数据实时更新的要求1 5 1 。虽然具有数据采集功能的移动g i s 可以采集坐标 点，但是大多数都不能成图，或者可以在在移动终端成图但又不能实时将数据传送回服 务器端供用户使用。论文提出的网络数字测图框架主要是在以p d a 与g p s 为硬件设备， 在w i n d o w sm o b i l e5 0 的平台上利用a r c g i ss e r v e rm o b i l es d k 开发移动终端的测图系 统，在服务器端，使用a r c g i ss e r v e r 将建立好的空间数据库发布为地图服务，在客户 端，使用以g p s 与p d a 为硬件的移动终端进行野外测图，并将成图好的数据通过p d a 的g p r s 通讯功能实时传回服务器端的空间数据库，实现野外数字化系统的一体化作业， 既节省了人力、物力资源，更加节省了作业时间，提高了野外数字化测图工作的效率。 1 4 论文的主要研究内容 论文首先提出了基于g p s 与p d a 的网络数字测图移动终端的设计思路，然后对数 字测图原理及进行了阐述，接着研究了基于g p s 与p d a 的网络测图移动终端的系统设 计及关键技术问题的解决方法，然后对空间数据库进行了设计，最后形成了网络数字测 图终端的系统框架，实现了论文的目的。 论文内容的具体分布如下： 第一章，阐述了题目的背景及国内外的发展状况。 第二章，对数字测图原理进行了全面的研究。 第三章，对基于g p s 与p d a 的网络测图系统的相关原理与技术问题进行了研究。 第四章，对空间数据库进行了设计。 第五章，对基于g p s 与p d a 的网络测图系统的实施进行了全面的研究与论述。 第六章，对论文做了总结并对文中涉及的技术的发展趋势进行了展望。 最后为致谢与文献参考部分。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 1 数字测图概述 2 数字测图原理 2 1 1 数字测图的产生和特点 传统的地形测量是利用测量仪器对地球表面局部区域内的各种地物、地貌特征点的 空间位置进行测定，以一定的比例尺并按图示符号绘制在图纸上，即通常所称的白纸测 图。这种测图方法的实质是模拟法或图解法测图，在测图过程中将测得的各类观测值， 用模拟方法转化为图形，在这种转化过程中数字的精度由于受缩距、刺点、绘图、图纸 伸缩变形的影响会大大降低，而且工序多、劳动强度大、质量管理难。在当今的信息时 代，一纸之图已难承载诸多图形信息，变更、修测也极不方便，难以适应当前经济建设 的需要。 随着科学技术的进步和电子技术的迅猛发展及其向各个领域的渗透，以及电子经纬 仪、光电测距仪、全站型电子速测仪、g p sr t k 技术等先进测量仪器和技术的广泛应用， 促进了地形测量向自动化和数字化方向发展，于是数字测图技术应用而生。数字测图实 质上是一种全解析机助测图方法，在地形测量的发展过程中它应该是一种带有根本性的 技术变革，这种变革的主要表现在：图解法测图的最终成果是地形图，图纸是地形信息 的唯一载体；数字测图地形信息的载体是计算机的存储介质( 磁盘或光盘) ，其提交的 成果是可供计算机处理、远距离传输、多方共享的数字地图软盘或数据。通过数控绘图 仪可输出数字地形图。另外，地形信息还可以作为地理空间数据的基本信息之一，它是 迈向信息化时代不可缺少的地理信息系统的重要组成部分。 数字地图是以数字形式存储在磁盘或光盘上，用以表达地物、地貌特征点的空间集 合形态。数字测图与图解法测图相比，以其特有的高自动化、全数字化、高精度的显著 优势而具有无限广阔的发展前景，具体表现为： ( 1 ) 实现了大比例尺测图的高度自动化 图解法测图的工作方式是手工作业，从野外测图到地形原图的绘制以及地形图在各 个部门的实际应用等，都无不倾注了测绘工作者的劳动和心血。数字测图从野外数据采 集、数据的计算机处理，直到数控绘图仪输出数字地形图，以及向用图者提供可处理的 数字地图软盘，整个测图过程实现了测量工作的内外业一体化、自动化。所以数字测图 具有自动化程度高、劳动强度小、所绘制的地形图规范、精确、美观等优点。 ( 2 ) 实现了大比例尺测图的数字化 由软盘提供的地形信息以数字化的形式存储了地物、地貌的各类图形信息和属性信 4 2 数字测图原理 息，可以远距离传输、处理和多用户共享；可以自动提取点位坐标和高程、两点间的水 平距离以及方位角等；通过接口可以将数字地图传输给c a d 使用；可以配合各类软件 的性能方便的进行各种功能处理( 如分层处理) ，绘出各类相应的专用图( 如地籍图、 房产图、管网图等) ；还可以对所存储的局部信息进行更新( 如房屋拆迁和扩建、变更 地籍或房产、道路的建设等) ，以保证数字地形图及各类专用图的现势性。 ( 3 ) 实现了大比例尺测图的高精度、低耗费 数字测图采用全站型速测仪( 全站仪) 测量，其数据作为电子信息在自动传输、自 动记录和存储，以及计算机处理、成图等全过程中，测量原始数据信息的精度基本上没 有损失，从而可获得与仪器测量同精度的测量成果。实践表明：按大比例尺地形图平面 位置的精度标准，采用数字测图在图根点上直接测量细碎点相对邻近图根点平面位置的 精度一般不大于0 0 2 0 m ，数字地形图的成图精度一般不大于图上0 1 l m m ( 取数控绘图 仪综合绘图精度为图上0 1 m m ) 。 2 1 2 数字测图系统 数字测图系统是以计算机为核心，连接测量仪器的输入、输出设备，在硬件、软件 的支持下，对地面地形空间数据进行采集、输入、编辑、成图、输出、管理的测绘系统 ( 图2 1 ) 。 地形数捌莱镟 ( 艘、软件) 数搀：处锲b 成罔 ( 硬、软件) 绘阉和输h i ( 艘、软件) 图2 1 数字测图系统( 据高升祥等) ( 一) 地形数据采集 数字测图系统由于空间数据来源不同、数据采集所采用的仪器和方法也不同，主要 有以下几种方式： 1 野外数据采集 用全站仪在野外采用编码进行数据采集和草图绘制，利用各种记录器记录，将数据 输入计算机进行数据处理和图形处理，经过屏幕编辑后，由数控绘图仪输出数字地形图， 这种测图方法称全野外地面数字测图。所采集的数据还可以绘制成不同比例尺的地形图 或其他专用图，也可以进入数据库或专用g i s 。由于采用全站仪直接测定细部点具有很 高的精度，所以地面数字测图是几种测图方法中精度最高的一种，也是目前城市大比例 尺数字测图中最主要的测图方法。 2 原图数据采集 在已进行过测图工作的测区，有存档的地形原图( 办称底图) ，原图数据采集是先 进行原图的数字化，而后将采集的数据输入计算机。主要应用与计算机存档、图纸更新、 5 西安科技大学硕士学位论文 修图，也是航测数字化成图的一个工序。在建立该区的g i s 或进行工程c a d 时，它是 数据录入的重要手段。原图( 底图) 数字化的方法有数字化仪数字化和扫描数字化两种。 3 数字摄影测量 以航空摄影获取的航片作为数据源，即利用测区的航空摄影测量获得的立体像对， 在解析测图仪上或在经过改装的立体量测仪上采集地形特征点自动传输到计算机内，经 过软件处理，自动生成数字地形图，并由数控绘图仪输出。这种测图方法成为航空数字 测图。应当指出：利用航空数组测图进行大比例尺地形绘制和更新，也是当前城市地形 测量的重要手段和先进方法。它可以提供数字的、影像的、线划的等多种成图成果，还 可以直接进入g i s ，这也将是城市g i s 数据获取的主要方法。我国目前城市较大的面积 的大比例尺航空摄影测图多为几年一次，在利用新的航测数据建立g i s 以后，只要用野 外数字测图系统作为g i s 地形数据的更新系统，用地面测绘的数字图作局部更新，即可 以保证g i s 地形数据的现势性。 所以，广义的数字测图系统应该( 如图2 2 ) ：采集地形数据输入计算机，由机内的 成图软件进行处理、成图、显示、屏幕编辑，输出符合规程、图式要求的数字地形图。 图2 2 广义的数字测图系统( 据高井祥等) ( 二) 地面数字测图模式 目前国内外数字测图主要有两种模式： 1 数字测记模式 野外测记、室内成图。用全站仪测量、电子手簿记录，使用的电子手簿可以是全站 仪原配套的电子手簿，也可以是自己开发的袖珍电子手簿，或直接利用全站仪具有的存 储器和存储卡作为记录手簿，配以画有标注测点点号的人工草图，室内将测量数据从电 子手簿中传输到计算机中，用成图软件，根据编码系统并参考草图编辑成图。 2 电子平板测绘模式 野外测绘、实时显示，现场编辑成图。所谓电子平板测绘模式全站仪+ 便携机+ 相应测图软件，即将全站仪与装有成图软件的便携机联机在测站上用全站仪实测地形 6 2 数字测图原理 点，测图软件既有与全站仪通讯和数据记录的功能，又可以进行现场实时成图和图形编 辑( 修改、补充、删除等) ，在计算机显示屏上( 相当于平板仪的平板) 显示点位和图 形，进行编辑后将其存盘。这种测图模式有内外业高度的自动化，现场即可将高精度的 数字地形空间信息在显示屏上显示所测之地形图，可现场与实地对照，如有错误即可及 时纠正。 2 2 数字测图的野外数据采集 2 2 1 数字测图野外测量数据采集的内容 采用数字测图方法时，数字化成图的主要工序应包括：数据采集、数据处理、图形 处理与成果输出。数据采集是整个数字测图的基础和依据，所以无论是传统方法还是数 字测图，此工序都是非常重要的一个环节。数据采集是利用全站仪在野外对成图信息进 行采集。采集的数据载体为全站仪的存储器和存储卡；也可以是电子手簿或各种袖珍计 算机或便携机。采集的数据可通过外接电缆直接输入计算机。野外数据采集的内容包括： 图根控制测量，细部测量以及其它专业测量( 如地籍、管线测量等) 。 2 2 2 野外数据采集原理 ( 一) 地形点位描述 传统的地形图测绘首先是建立测图控制，根据测图控制点测定细碎部点的三维坐 标，然后由绘图员按坐标( 或方向与距离) 将点展绘在图纸上，根据跑尺员的报告和实 地观察将所测细部点以其表示的实际地物或地貌位置或图式符号进行描绘，最后整饰成 一幅地形图。所以一幅地形图的绘制实际上是逐点测绘的最终成果。野外实际测定地形 点的空间位置是地形图最基本的原始信息，按测量学的定义，测量的基本工作就是测定 点位，它一般是通过测量水平角、竖直角( 或高差) 、距离间接确定。数值测图是将野 外采集的成图信息( 各类细部点的信息及与成图有关的各种信息) 通过计算机软件自动 处理( 自动识别、自动检索、自动连线、自动调用图式符号等) ，经过编辑，最后自动 绘制出所测的地形图( 数字地形图) 6 1 。因此必须对地形点同时给出点位信息和图形信 息，以便计算机识别与处理。数字测图中对地形点的描述必须同时具备三类信息： ( 1 ) 测点的三维坐标信息； ( 2 ) 测点的属性信息，即地形点的类属及特征信息。绘图是必须知道该点是什么 点，是地物点，还是地貌特征点，有什么特征等； ( 3 ) 测点的链接关系，据此可将相应的点连成一个地物。 上述三类信息中前一项是点的定位信息，后两项表示点的图形信息。测点的点位信 息是用测量仪器通过野外测量获取的测定的三维坐标x ，y ，h 。在进行野外测量时， 7 西安科技大学硕士学位论文 对所有测点按一定规则进行编号且在测图系统中是唯一的，根据点的编号可以自动提取 点为坐标。测点的属性是以地形编码表示的，在数字测图系统中必须有一套完整的地物 编码来代替地物的属性，即地物名称和相应的图式符号。测点的连线信息是指计算机可 以通过测点的连接信息识别点与点的对应关系和以什么线型( 直线、曲线、圆弧线等) 连接。通过以上介绍，根据外业采点的有关地形信息，计算机便可以进行点的有效连接， 按所对应的图式符号编码，利用测图系统中的图式符号库，从中调出与该编码对应的图 式符号，就可以将数字地形图绘制出来。 ( 二) 地形编码方法 地形编码是用来说明地形点的属性信息，以便于计算机识别地形点是哪一类特征 点，用什么图式符号来表示等。为此数字测图系统必须设计一套完整的地物编码来代替 地物的名称和代表相应的地形图图式符号。地形图的地形要素按l ：5 0 0 、1 ：1 0 0 0 、1 ： 2 0 0 0 地形图图式( g b t 7 9 2 9 1 9 9 5 ) | 7 1 已将其依据属性归为l o 大类，编入的图式符号有 4 1 0 多个，按独立要素约有6 0 0 多个。对于不同的数字测图软件系统来说，就是要根据 所设计的数据结构制定各自的编码方式。 ( 三) 图形信息的分层 对地形图的图形信息进行分类，存放在不同的“层 上，以目前地形编码设计中广 泛采用的处理方法。也就是说把野外采集来的图形信息按其属性进行分类，并存放在不 同的层面上。地形图的图形信息是这些不同层面上的属性信息叠置的结果。这样做会给 图形信息处理带来很大的方便，一方面在图形信息输入时，按不同层面进行操作，比较 简单，图形显示时，可以只显示必要的层面，清晰、直观，加快了图形处理的速度。另 一方面，在编制不同用途的专题图时，可以通过关闭某些不需要的层面，添加一些专业 用途的图形信息层，即可得到各种专用图，同时也便于图的缩放处理。 按1 ：5 0 0 、1 ：1 0 0 0 、1 ：2 0 0 0 地形图图式以地形要素的归类顺序，这1 0 个图形 信息层依次是：1 层为测量控制点；2 层为居民地；3 层为工矿企业建筑和公共设施；4 层为道路及附属设施；5 层为管线及桓栅；6 层为水系及附属设施；7 层为境界；8 层为 地貌及土质；9 层为植被；1 0 层为注记。也可以用顺序的阿拉伯数字( 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ， 6 ，7 ，8 ，9 ，o ) 表示这1 0 个信息层的序号。 2 3 数字测图的最新发展 随着g p s 接收站的全面建成和发展，g p s 技术在普通测量与工程测量的应用己成 为现实，2 0 世纪9 0 年代出现的载波相位差分技术，又称r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 实 时动态定位技术，这种测量模式是位于基准站( 已知的基准点) 的g p s 接收机通过数 据链将其观测值及站坐标信息一起发给流动站的g p s 接收机，流动站不仅接收来自参 考站的数据，还直接接收g p s 卫星发射的观测数据组成相位差分观测值，进行实时处 8 2 数字测图原理 理，能够实时提供测点在指定坐标系的三维坐标成果，在2 0 k m 测程内可达到厘米级的 测量精度。若与电子平板测图系统连接，就可实现实时成图。实时差分观测时间短，并 能实时给出定位点坐标，实现一步数字测图，而随着r t k 技术的不断完善和更轻小型、 价格更低廉的r t k 模式g p s 接收机的出现，g p s 数字测图系统将成为地面数字测图技 术的又一个新的里程碑，它以其特有的无可比拟的优势将在开阔地区最终代替全站仪数 字测图。 9 窒茎：兰奎兰竺圭茎竺尘圭 3 基于g p s 与p d a 的网络测图系统原理及相关技术 3i 系统原理 佳川g p s 接收机妖得坐标位，以操作系统为w i n d o w sm o b i l e5 0 的p d a 为运行平 台，通过p d a 中口连接g p s 接收机j 。获取p 柏、值，进“人比例尺数字删图时，g p s 测 目模式可采用r t kg p s 方式，测点的世拓值从流动站g p s 获取，测点完后直接实时成 罔，最后通过p d a 的g p r s 尤线功能将数据成粜发送年空i i j 数掘库服务器，实现地理 信息数槲的来蜓、处理及使川一时川上的l ，4 一肚。 32 系统结构 1 始协i k 时，先使用移动终端连接服务器j 从服务器端下载地图空间数据席模 扳，然后测目】作，f ：始，连j 。 的采集h 标点坐枷；，“个要豢时琢采集完成后，需要填 i 新乍成对缘的墉性信息，然后保存神：终端的数捌缓存r 1 ，结束作业时将新生成的数据 发服务器端数捌库，系统总体物胖结构( 如i 划3 1 ) 与逻辑结构( 如图3 2 ) 如下： 刚31 系统框架物理结杜j 睁妇 销 一 下拇一 3 基于g p s 与p d a 的网络测图系统原理及相关技术 图3 2 系统框架逻辑结构 3 3 系统的功能模块 由于嵌入式系统的资源有限，所以功能不能过多，为了提高工作效率，功能只要满 足系统的需求即可。为了减轻系统的负荷，增强系统处理速度，功能可以根据具体的需 求灵活定制，系统功能主要分为以下几个模块( 如图3 3 ) ： 数 字 绷 陶 移 动 终 端 地图鼹示功能 溯翻功能 数辫编辑功能 数舔查砌功能 数据 ：传b 卜 裁功艟 图3 3 功能模块 3 4 系统实施路线 系统依据设计思想主要通过以下几个步骤来实现( 如图3 4 ) ：首先是环境的搭建， 西安科技大学硕士学位论文 包括服务器端与移动终端的配置，接下来是系统空间数据库的构建，主要是图层的划分， 要素几何类型、要素属性字段、要素对象之间的关系的设计以及坐标系统的确定等。然 后是制作使用空问数据库结构生成的地图模板，在制作过程中需要对地图符号做定制， 接着发布移动终端可以访问的基于地图模板的地图服务，当这些工作结束后，服务器端 的工作基本结束。最后是移动终端的功能的开发，实现系统设计的目标。 图3 4 系统设计路线图 3 5 关键技术原理及方法 3 5 1g p s 定位原理与测图模式 ( 1 ) g p s 定位原理 g p s 定位的基本原理就是测量学中的测距交会原理，g p s 卫星发射测距信号和导航 电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用g p s 接收机在某一时刻同时接收到三 颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点( 即接收机天线中心) p 至三颗以上g p s 卫星 的距离并解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位 置【引。如图2 2 ，设在时刻f 。在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星墨， s 2 ，s 的距离p 。，p 2 ，, 0 3 ，通过g p s 电文解译出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分 别为( x ，l ，z ，) ，产1 ，2 ，3 。用距离交会的方法求解p 点的三维坐标( x ，y ，z ) 的观 测方程为( 公式3 1 ) ： p 篓三姜三妻；| 三 三三y y ；i i 三；三三z z i c31yz z ， ；= ( x 一2 ) 2 + ( ，一2 ) 2 + ( z 一2 ) 2 ( 3 ) i 房= ( x x 3 ) 2 + ( 1 ，一3 ) 2 + ( 一3 ) 2l 1 2 3 基于g p s 与p d a 的网络测图系统原理及相关技术 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值是不断变化的，需要实施 的由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫 星的坐标值，进行测站点的定位。 依据测距的原理，其定位原理与方法主要分为：伪距定位，载波相位定位以及差分 g p s 定位等。对于待定点而言，根据其运动状态可以将g p s 定位分为静态定位与动态 定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，将g p s 接收机安置于其上，观测数分 钟乃至更长时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台g p s 接收机分别 置于两个固定不变的待定点上，则通过一定的观测时间，可以确定两个待定点的相对位 置，这叫做相对定位。动态定位至少需要一台接收机处于运动状态，测定的各观测时刻 运动中的接收机的点位( 绝对点位或相对点位) 。 1 ) 伪距测量 伪距法定位是由g p s 接收机在某一时刻测出的四颗以上g p s 卫星的伪距以及已知 的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。所测伪距就是由 卫星发射的测距码信号到达g p s 接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于 卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距 离p 7 与卫星到接收机的几何距离p 有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。 2 ) 载波相位测量 原理 利用g p s 卫星发射的载波为测距信号。由于载波的波长( 入厶= 1 9 0 3 c m ，入厶= 2 4 4 2 c m ) 比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量 定位精度。载波相位测量的观测量是g p s 接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振 参考信号的相位差。以驴i f ( f 。) 表示k 接收机在接收机钟面时刻“时所接收的，卫星载波 信号的相位值，驴。( f 。) 表示k 接收机在钟面时刻f 。时所产生的本地参考信号的相位值， 则k 接收机在接收机钟面时刻，。时观测，卫星所取得的相位观测量可写为： ：( ) = 纨( ) 一( 气) ( 3 2 ) 通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值。实际测量中，如果对整周进 行计数，则自某一初始取样时刻( “) 以后就可以取得连续的相位测量值。 如式( 3 - 3 ) ，在初始“时刻，测得小于一周的相位差为a f a o ，其整周数为职，此时 包含整周数的相位观测值应为 1 3 殳 ，o州州州 + ) )o “ 九0 o 九“ i i 一 一 0 ， m m 吣 西安科技大学硕士学位论丈 接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差妒( r ) ，并利用整波计数器记 录从f 。到，时间内的整周数变化量砌f ( 缈) ，只要卫星s ，t a t 。到，之间卫星信号没有中断， 则初始时刻整周模糊度卅就为一常数，这样任意时刻卫星s ，到k 接收机的相位差为 ：o f ) = 纸( t i ) 一州( ，) + 名+ i n t ( q ，) ( 3 4 ) 载波相位观测量是接收机天线和卫星位置的函数，只有得到了他们之间的函数关 系，才可以从观测值中求解接收机的位置。 设在g p s 标准时刻l (