测绘仪器的发展现状和发展趋势.doc

现代测绘modern surveying and mapping第 26 卷第 1 期2003 年 2 月vol . 26 ,no . 1feb. 2003测绘仪器的发展现状和发展趋势唐记城(江苏省测绘局物资器材供应站 ,南京 210013)摘 要 测量学是一门在人类实践中诞生的学科 ,它的发展离不开测绘仪器 ,测量学的发展进程也是测绘仪器的创造 、变革的历程 ,测绘仪器的发展可分为机械仪器 、光学仪器 、电子仪器等 ,现阶段测绘仪器正处在机械仪器 、光 学仪器时代向电子仪器时代过度的阶段 ,本文就测绘仪器的发展 、现状 、和趋势谈几点个人的看法 。关键词 测绘 仪器 现状 趋势中图分类号 : p 204文献标识码 : c南方测绘仪器公司生产的电子经纬仪测角精度均在在 5左右 。1 . 1 . 2电磁波测距仪随着各种新颖光源 ( 激光 、红外光等) 的相继出 现 ,物理测距技术也得到了迅速的发展 ,出现了以激 光 、红外光和其它光源为载波的光波测距仪和以微 波为载波的微波测距仪 ,通称为电磁波测距仪 。电磁波测距仪的出现 ,是测距方法的革命 ,从而 开创了距离测量的新纪元 。与传统的钢尺或基线尺 的量距相比 ,它具有精度高 、作业迅速 ,受气候 、地形 影响小等优点 。电磁波测距仪的发展很快 ,世界上 第一台测距仪于 1947 年由瑞典 aga 公司制成 , 该厂生产的 aga - 8 激光测距仪一般被认为是第一代 测距仪的代表 。这类仪器的测程一般为 20 - 60km 。 由南非 1954 年开始研制 ,1957 年正式生产的微波测 距仪 ,也属于第一代电磁波测距仪 , 在良好的条件 下 ,其测程可达 66 - 80km 。第一代测距仪虽然测长边比较精确 , 但体积大 、笨重且造价昂贵 。20 世纪60 年代中期 ,电子产品的小型化和小型发光二极管 的研制成功 , 为第二代测距仪的设计提供了条件 。 第二代测距仪是一种小型 、轻便的仪器 , 而且耗电 少 ,操作简便 ,但测程较短 ,一般为 0 . 5 - 5km ,测距的中误差为正负 2 - 10mm + 0 . 5 - 5ppm。相干激光 引入光波测距仪后 ,就产生了第三代测距仪 。这类 仪器 十 分 轻 便 , 耗 电 少 、读 数 方 便 , 测 程 为 5m -60km ,精度高达正负 5mm + 1ppm。目前 , 测距仪正 在向小型 、自动 、多功能的方向发展 。将测距仪通过接合器 ,安装在光学经纬仪或电子经纬仪的望远镜 支架上 ,以形成组合型仪器 ,是半全站型记录或电子 速测仪的发展开端 。从 80 年代起 ,我国科研单位举 行了联合公关 ,在 80 年代中期 ,已研制出了第一台1 现代测绘仪器的发展和现状1. 1 传统测绘仪器从20 世纪 50 年代起 , 测绘仪器朝着电子化和 自动化 方 向 发 展 。首 先 是 测 距 仪 器 的 变 革 , 1948 年起陆续发展起来的各种电磁波测距仪 ,因其能直 接用来精密测量远达几十公里的距离 ,因而使得大地测量定位方法除了采用三角测量外 ,还可以方便 地采用精密导线测量和三边测量 。大约与此同时 , 出现了电子计算机 , 并很快被应用于测量学中 , 这 不仅加快了测量计算的速度 ,而且还改变了测绘仪 器和方法 ,使测绘工作更为方便和精确 ,随后 ,相继发展起来的空间技术 、卫星遥感技术等在测绘仪器 生产中的应用 ,已构成现代测绘仪器发展的主要特 征 。1 . 1 . 1 电子经纬仪60 年代以来 ,随着近代光学 、电子学的发展 ,使 角度测量向自动化记录方向改进有了技术基础 ,从而出现了电子经纬仪等自动化测角仪器 。电子经纬仪在结构及外现上和光学经纬仪相类似 ,主要不同 点在于读数系统 ,它采用光电扫描和电子元件进行 自动读数和液晶显示 。电子测角虽然仍旧是采用度盘来进行 ,但不是按度盘上的刻划 ,用光学续数法读 取角度值 ,而是以度盘上取得电信号 ,再将电信号转 换成角度值 。电子测角的度盘主要有编码度盘 、光 栅度盘和动态测角度盘三种形式 。因此 ,电子测角 也就有编码度盘测角 ,光栅度盘测角和编码度盘结合测角 , 以 及 动 态 测 角 等 四 种 形 式 。如 瑞 士 克 恩 ( kern) 厂的 e1 型和 e2 型电子经纬仪采用光栅度 盘 ,德国 optonj 于 1978 年生产的 elta - 2 型电子速 测仪 ,采用的是编码度盘 ,而现在主流速测仪的测角厂与德国 aga 公司合 作 , 组 装 生 产 了 aga - 112 、aga - 114 等型号的测距仪 ,在 90 年代初常州第二 无线电 厂 推 出 了 大 地 系 列 的 测 距 仪 , 标 称 精 度 在5mm + 5ppm 。1 . 1 . 3全站仪全站型电子速测仪是一种集测角 ,测距 、计算记 录于一体的新型测量仪器 。它不是简单的测距仪与 电子经纬仪的集成 ,而是在整个系统当中安装了一个集成度很高的带有固体存贮器的计算器 ,对观测 的结果进行处理 ,进行数据的计算 ,存贮和交换 ,在 实际应用中 ,只要将各种固定参数 ( 如测站坐标 、仪 器高 、仪器照准差 ,指标差 、棱镜参数 、气温 、气压等) 预先置入仪器 , 然后照准目标上的反射镜 , 启动仪 器 ,就可获得水平角 、水平距或目标的 x、y、z 坐标 , 且这些观测值都已经过多项改正 ,并显示在仪器的 显示屏上 ,记录在随机的存贮器或外置的电子手簿 当中 ,并利用随机的软件进行预处理 ,内业时直接传 输到 pc (个人电脑) 中 ,使整个流程自动化 ,大大提 高了作业的精度和效率 。自 60 年代德国生产出第 一台电子速测仪以来 ,电子速测仪有了飞速的发展 。 特别是在中央处理单元 ( cpu) ,内置软件和通迅上 有了长足的进步 ,并且出现了所谓“测量机器人”,即 单人电子速测仪 ,它能够自动跟踪反射器 ,进行自动 测量 , 如 早 些 时 候 geotrohcs 公 司 推 出 的 geodme2 ter400 和最 新 型 的 蔡 司 马 达 驱 动 自 动 跟 踪 全 站 仪 elta s 系列的仪器 。从 90 年代起 ,国内南方测绘仪 器公司开始生产的电子经纬仪测角精度均在在 5 左右 。1 . 1 . 4电子水准仪随着数字技术的发展 ,几十年来人们探求的精 密水准测量自动化 ,在 90 年代初有了突破 。自 1990 年徕卡公司第一台数字电子水准仪问世 ,徕卡公司 和蔡司公司相继成功地将数字电子水准仪推向市场 ,实现了水准标尺的精密照准 ,标尺分划读数和视 距的读取 、数据储存和处理等数据采集的自动化 ,从 而减轻了水准测量的劳动强度 ,提高了测量和成果 质量 。目前的主流产品有徕卡的 na2002 、na3003 , 蔡司 dini20 、dini10 ,拓普康的 dl - 101 、dl - 102 等 数字电子水准仪 ,它们的光学系统都采用了光学自 平水准仪的基本形式 ,具有典型的交叉吊带补偿器 , 也可以象光学水准仪一样使用 。标尺采用条码分 划 ,代替人们眼睛的是光电二极管阵列 。在水准测 量中 ,条码的像通过一个分光器 ,将光线分成两束 , 一束转射到传感光电二极管阵列上 ,另一束转射到 观测镜上 。信号的分析和处理采用了相关方法 ,将 存贮在仪器内的基准码与传感器阵列的图象信号进行比较 ,仪器与标尺之间的高差即是标尺条码象的位移量和因仪器一标尺间距离而产生的条码象的大 小的相关函数 。将仪器的调焦透镜位置参数作为相 关搜索的初始值 ,求出最佳相关 ,即可求出高差 。电子水准仪自动记录 ,重量轻 ,大大降低了观测员的劳 动强度 ,节省了人力 ,提高了观测速度 。目前国内尚 未有国产电子水准仪 。在光电测量仪器蓬勃发展的今天 ,除了大量出 现的种类繁多的测距仪 ,全站仪等以外 ,还出现了诸如激光经纬仪 、激光准直仪 、激光水准仪等光电测量 仪器 。1 . 2 现代测绘仪器以上所述的测量仪器 ,始终没有脱离对地面的 依靠 , 观测方法的本质没有改变 。自以 1957 年 10 月 ,世界上第一颗人造地球卫星的成功发射 ,给测量 学的发展和测绘仪器的发展带来了意义深远的大变革 。最初 ,人们只是当卫星作为一个照准目标 ,进行 联测 ,如前苏联根据对“人 造 地 球 卫 星”2 号 与“先锋”1 号卫星的观测资料 ,推出较准确的地球扁率为1 :298 . 24 ,大地水准面在比极隆起约 10m ,在前极处 下陷约 30m 。1958 年底 ,美国海军武器实验室 ,着手 建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统 ,即“海军导航 卫 星 系 统 ”( navy navigation satellite system - nnss) 。该系统中 ,卫星的轨道都通过地极 ,故也称“子午 ( transit ) 卫星系统”。1964 年该系统建成 , 随即在美国军方启用 ;1967 年美国政府批准该系统解 密 ,并提供民用 。子午卫星系统有其明显的缺陷 ,该系统卫星数目少 ( 5 - 6 颗) ,运行高度低 ,从地面站观测到卫星的时间间隔较长 ,无法提供连续地实时 三维导航 。为了解决以上问题 ,1973 年美国国防部便开始组织海陆空三军 ,共同研究建立新一代卫星 导航系统的计划 。这就是目前所称的“授时与测距导航统/ 全球定位系统”navigation system piming andranging/ global positioning system - navstr/ gps) ,通 前简称为“全球定位系统”( gps) 。全球定位系统有很多显著的特点 ,如 :全球地面连续覆盖 、功能多 、精 度高 、实时定位等 。1982 年第一代测量型无码 gps接收和 macrometer v - 1000 的出现 , 为 gps 精密定位技术在测量工作中的应用 , 展现了广阔的前景 。与此同时 ,一些国家和地区也发展了和正在发展自己的卫星定位系统 。如前苏联的全球导航卫星系统 ( global navigation satellite system - glonass) 和欧洲空 间局的卫星定位系统 (简称 nansat) 。gps 技术的民用发展一方面拓展其技术应用 ,扩大其使用空间 ,另一方面是对抗美国 sa 政策和 a- s 措施 ,如使用差分 gps 定位技术 ,制造三网合一现代测绘第 26 卷48的和一体化接收机等等 。我国在 gps 接收机的研制从 80 年代后期开始 ,90 年代后期国内的几个仪器厂开始组装各自品牌 的 gps 接收机 。而是具有相当的人工智能的“测量助手”。这些嵌入式系 统 的 功 能 , 与 传 统 的 pc 桌 面 系 统 , 越 来 越 接 近 。例如 ,现在市售的蔡司 全 站 仪 中 , 使 用 了 dos6 . 22 操 作 系 统 的 计 算 机 ; 很 多 仪 器 配 置 的 电 子 手 簿 ,使用了微软公司专为 palm pc 开发的 windowsce 操作系统 。这些开放的通用操作系统 ,大大的方 便了用户进行二次开发 。但是 ,这些系统的性能还 有待提高 ,由于功耗 、存储空间和成本的限制 ,它们 在较复杂的运算方面 ,力不从心 ,例如 : 数据库与图 形 。这两个问题 ,是测绘仪器数字化 、一体化 、自动化 、信息化发展的瓶颈问题 。目前的解决方法之一 , 是通过通讯电缆连接仪器和便携电脑 ,实时的把数 据传送到计算机中 ,利用诸如“电子平板”之类的软 件 , 将打的点展绘在绘图软件中 ,并自动的勾绘出 等高线 ,画出地物 ,实现“无纸化测图”。在未来的仪器功能整合中 ,将这些目前需要外 接设备完成的功能 ,统统整合的仪器当中 ,数据采集 部分 :利用近景摄影测量原理 ,摄取观测部分的数字 影像 ,进行像对匹配 ,使用无棱镜测距技术 ,采集距 离数据 、角度数据 ,使用 gps 技术 ,实施单点三维定位 ;数据处理部分 :平差 、成图 、编辑 、形成打印文件 , 数据进入 gis 中 ,通过无线接入等手段 ,与远端 gis 数据库保持同步 ,接受远端的指令 ,这样 ,野外作业 的单人作业以至“无人职守”成为可能 。仪器发展的目的 ,就是最大可能的把人从繁重的劳动中解放出来 ,并且得到高精度的数据 。因此 , 仪器的发展方向 , 越来越体现出人本主义的精神 。 轻巧 、耐用 、低辐射 、无公害 、可回收重复利用 ,设计 人性化 ,一切从使用者出发 ,是今后仪器设计与制造 的基本要求 。测绘仪器的发展 , 推动着测绘事业 的 前 进 , 同 时 ,测量理论的发展 ,又给测绘仪器指明了前行的道 路 。2测绘仪器发展趋势自上个世纪 90 年代以来 ,计算机技术 ,互联网技术有了迅猛的发展 ,测绘仪器也随之朝着数字化 , 小型化的方向发展 ,数据的迅速无缝交换 ,成为新兴 仪器的重要特征 ,随机软件的功能起来越强大 ,大大减小了作业的强度与难度 ,仪器针对普通用户是“傻 瓜型”,不需过多的人为干预 ,就能高精度的完成工 作 ;针对高级用户 ,它应该又是开放型的 ,允许高级 用户对其进行编程定制 ,通过对软件的升级 ,提高仪 器的性能 。遵循国际标准的计算机通讯接口在测绘仪器上 得到了广泛的应用 ,如 rs - 232 、usb ,以及日趋完善 的“蓝牙 (bluetooth) ”技术等 。利用这些端口 , 实现 了仪器与外围设备的数据通讯 ,方便的进行“人机对 话”,智能型仪器初见端倪 。测绘仪器的发展 ,势必沿着数字化 、一体化 、自 动化 、信息化的道路进行 。仪器制造工艺日趋完善 ,生产高精度 、微型化的 光学与机械设备已非难事 ;电子技术的发展 ,使得芯 片的集成度越来越高 , 功耗越来越小 , 造价更为低廉 ;在这样的工业基础上 ,就可以把不同门类的仪器 一体化 ,去除冗余 ,真正实现全能型的仪器 。现代化的仪器 ,紧随着