测量学 (第四章) 第7章 地形测量.ppt

测量学 第七章地形测量 1 124 内容提要 地形图的基本知识 地物平面图测绘 等高线地形图测绘 数字测图的原理和方法 城市三维模型构建 2 124 7 1地形图基本知识 一 地形图概述 地物 地面上由人工建造的固定物体例如房屋 道路 桥梁 隧道 人工河岸 树林 边界桩等 地貌 地面上主要由自然力形成高低起伏的连续形态 例如平原 河流 山岭 山谷 斜坡 洼地等 地形 地物和地貌的总称 按时代的需要 其所含信息将愈来愈丰富 地形图 表示地物和地貌信息的载体 经典地形图是以图纸上的线条和文字为载体 而现代的地形图是数字地形图 将地形信息以数字形式贮存于光盘等载体 其信息量远比经典的地形图丰富 但必要时仍可和经典地形图一样 用图纸为载体按指定的比例尺打印输出 3 124 计算机屏幕显示的数字地形图 同济大学沪西校区局部 天佑楼 4 124 办公楼 学生公寓 学生公寓 教室大楼 图书馆 城市地形平面图 5 124 农村等高线地形图 6 124 从经典的全人工的白纸测图和绘图 到自动化数据采集和机助成图的数字地形图 其基本原理并未有本质改变 1 首先必须进行控制测量 作为整体控制 2 按一定的投影方法和数据采集的原则 进行测量 4 用行业规范 统一数据采集的内容和精度 3 按国家统一规定的符号表示其内容 地形测量原理 但白纸测图和数字地图存在的明显差异 1 数据采集和成图的方法从全人工 逐步到半自动化和自动化 由此提高工作功效和成品精度 2 满足现代化建设日益增多的对地形信息的需求 从提供平面信息为主到全面的空间信息 从二维到三维 7 124 一 比例尺表示方法 二 地形图的比例尺 数字比例尺 1 500 1 1000 1 5000 在地形图上 比例尺的注记方法 定义 8 124 三 城市和工程建设中地形图比例尺的选用 二 地形图按比例尺分类 大比例尺图 l 500 l 1000 l 2000 l 5000中比例尺图 l 1万 1 2 5万 1 5万 1 10万小比例尺图 l 20万 1 50万 l l00万 大比例尺图为工程建设所需 中比例尺图为国家基本图 小比例尺图为全国地图 分省 分县图 比例尺越大 一幅图包括的面积越小 而包含的地形信息则较详细 9 124 四 地形图的比例尺精度 人眼能分辨的图上最小长度为0 1mm 0 1mm乘以比例尺分母所得长度称为 比例尺精度 10 124 比例尺精度对于图解地形图 以图纸为载体的图 的测图和图的使用有重要意义 例如 以图解法测绘比例尺为1 1000的地形图时 10cm以下的长度已无法表示 又例如 要求在图上能反映5cm的细节 则选用的地形图比例尺不应小于1 500 对于数字地形图 地形信息的数据直接来源于实地测量 不需以图纸为在载体 因而不受比例尺精度的限制 但数字地形信息一旦输出打印在图纸上 则仍应考虑 三 地形图图式 为便于测图和用图 在地形图上用各种点位 线条 符号 文字等表示实地的地物和地貌 这些线条和符号等统一代表地形图上所有的地形要素 总称为地形图图式 地形图图式 是由国家质量监督检验检疫总局与国家标准化管理委员会发布的 国家标准 GB 其全名为 国家基本比例尺地形图图式第1部分 1 5001 10001 2000地形图图式 以后简称 图式 三类图式符号 一 地物符号 二 地貌符号 三 注记 11 124 124 二 地貌符号 最常用为等高线 对于一些特殊地貌如峭壁 冲沟等则用专用符号表示 一 地物符号1 比例符号 地物轮廓大 可按比例缩小 例如房屋 道路 河流 桥梁 旱田等 2 非比例符号 地物轮廓小但重要 用专用符号表示 例如导线点 水准点 界址点 电线杆等 3 半比例符号 也称线形符号 长度可按比例 宽度不依比例 例如围墙 篱笆 边界等 三 注记 用文字和数字对地形符号加以说明 例如地名 路名 单位名 房屋结构和层数 河流的水深等 12 13 124 三角点卫星定位点导线点埋石图根点水准点 常用地形图图式 一般房屋室外楼梯简房 台阶 廊柱围墙 车行桥人行桥级面桥 铁路 等级公路等外公路过街天桥 内部道路 输电线路电线铁塔配电线路通讯线路 陡坎加固陡坎斜坡加固斜坡 土堆 坑穴 一 典型地貌的名称 二 用等高线表示的典型地貌 三 阴影等高线 四 等高线特性 四 等高线 14 124 一 典型地貌的名称 地貌是地形图要表示的重要信息之一 地貌尽管千姿百态 错综复杂 但其基本形态可以归纳为几种典型地貌 如山头 山脊 山谷 山坡 鞍部 洼地 绝壁等 各种典型地貌的名称 124 15 二 用等高线表示地貌 等高线 地面上高程相等的相邻点所连接而成的闭合曲线 等高线间隔 等高距 相邻等高线之间的高差h 一幅图中h为一常数 等高线平距 相邻等高线之间的水平距离d d为一变数 随地面坡度而异 地面坡度 两点间高差与平距之比i 16 124 各种高程的水平面与地面的相交线 将相交线垂直投影到某一高程的水平面 等高距 等高线平距 地面坡度的关系 由于h为定值 所以i与d成反比 即 d大 等高线稀 i小 地面坡度缓和 d小 等高线密 i大 地面坡度陡峭 17 124 投影在水平面上的的等高线 124 18 表7 3地形图的基本等高距h 单位 m 图上的等高线分为 首曲线 计曲线 间曲线在图上按基本等高距描绘的等高线称 首曲线 每隔四条首曲线加粗一条等高线称 计曲线 在计曲线上注有高程 个别地方坡度较平缓 用基本等高线不足以显示局部地貌特征时 可按l 2基本等高距用虚线加绘半距等高线 称为 间曲线 间曲线可以仅画出局部线段 等高线地形图的首曲线和计曲线 124 19 粗线为计曲线细线为首曲线 计曲线上的高程注记 124 20 等高线地形图的首曲线计曲线和间曲线 首曲线 计曲线 间曲线 间隔50m 间隔10m 间隔5m 1 山头和洼地的等高线 两者都是一组闭合曲线 从高程注记可区分是山头还是洼地 地形相反 图形相似 山头越向中心越高 洼地反之 为便于区分 在曲线突出处加绘短线 示坡线 示坡线指向低处 示坡线 21 124 2 山脊 山谷和山坡的等高线 山脊的等高线 一组凸向低处的曲线 其方向改变处的连线称为山脊线 山脊为山体的突出部分 山谷的等高线 一组凸向高处的曲线 其方向改变处的连线称为山谷线 两个山脊之间的凹地为山谷 其最低点连线即为山谷线 22 124 山坡的等高线 山脊山谷的两侧一组近似的平行线 近似于一个倾斜平面 山坡 山坡 山坡 山脊和山谷 山脊线和山谷线称为地性线 对于正确认识和分析地形都很重要 分水线和集水线 124 23 雨水以山脊线为分界线 垂直于等高线方向而向下坡方向径流 因此 山脊线成为分水线 山谷线成为集水线 雨水由两侧山坡流下 汇集到集水线 再向谷口流出 成为山泉和溪流 分水线和集水线在山区的工程设计中有重要意义 山区一系列山脊线形成汇水范围的边界线 在大的范围内 某些山脊线形成河流流域的分水岭 例如秦岭为黄河与长江的分水岭 山脊线分水线 山脊线分水线 山谷线集水线 3 鞍部的等高线 124 24 典型的鞍部是在相对的两个山脊和山谷的会聚处 形如马鞍 它的左 右两侧的等高线是大致相对称的两组山脊线和两组山谷线 山脉的鞍部称为 岭 鞍部或岭在山区道路的选线中是一个关节点 越岭道路常须经过鞍部 鞍部 鞍部 4 绝壁和悬崖的等高线 124 25 绝壁为地壳断裂运动而产生近似于直立的山体 陡岩峭壁 等高线非常密集 以致无法表示 图式 规定 此类地形可用 陡崖 崩崖 等地形图符号表示 悬崖为上部凸出而下部凹入的陡崖 等高线投影到水平面上会相交 这种地形也只能用符号表示 陡崖 悬崖 陡崖符号 等高线相交 26 124 综合地貌 等高线地形图 三 阴影等高线 同一地区的一般等高线和阴影等高线地形图 27 124 28 124 影像地图加绘等高线 四 等高线的特性 1 同一条等高线上高程必相等 等高 2 各条等高线应是闭合曲线 如不在本幅图闭合 必定在相邻的其他图幅闭合 闭合 3 只有在绝壁悬崖处等高线才会相交 特例相交 4 等高线与山脊线或山谷线成正交 两线正交 5 同一幅图内等高距为定值 所以地面平缓处等高线平距大 陡峭处平距小 缓稀 陡密 29 124 对于绘制等高线地形图或使用它 必须掌握等高线的特性 五 地形图的分幅和编号 地形图的分幅与编号是便于地形图的管理与使用 两种分幅方法 梯形分幅 按经线和纬线划分图幅范围 用于中小比例尺的国家基本图的分幅 矩形分幅 按纵横坐标格网线划分图幅范围 用于城市大比例尺图的分幅 一 地形图的国际分幅和编号 30 124 按国际统一规定的经线为图幅的东西边界 纬线为南北边界 并以1 100百万比例尺地形图的分幅为基本分幅 衍生出其他比例尺的分幅 1 100万地图国际分幅和编号 东半球北纬1 100万比例尺地形图的国际分幅和编号 31 124 每幅图的经度差为6 纬度差为4 每一梯形格为一幅1 100万图 32 124 北京 上海 上海所在1 100万图幅编号为H51 1 50万和1 10万比例尺的地形图编号 124 33 每幅1 100万图分为4幅1 50万图 每幅经差3 纬差2 该图幅编号为J50B001002 每幅1 100万图分为144幅1 10万图 每幅经差30 纬差20 该图幅编号为J50D010004 1 50万 1 5000比例尺图号的数码构成 地形图比例尺代码表 34 124 二 地形图的矩形分幅和编号 大比例尺图 1 5000以下 以坐标格网线划分图幅 矩形分幅 图幅的尺寸为 50cm 50cm 50cm 40cm 40cm 40cm 图幅的编号与测区的坐标值联系 便于按坐标查找图幅 矩形分幅又有多种编号法 例如 35 124 图幅西南角坐标公里数编号法基本图幅编号法3 行列编号法 大比例尺地形图矩形分幅每幅图的面积 124 36 1 图幅西南角坐标公里数编号法 以每幅图的图幅西南角坐标值 x y 的公里数作为该图幅的编号 如下图所示为1 1000比例尺的地形图 按图幅西南角坐标公里数编号法编号 其中画阴影线的两幅图的编号分别为3 0 1 5和2 5 2 5 图幅西南角点坐标的公里数3 0 1 5 图幅西南角点坐标的公里数2 5 2 5 2 基本图幅编号法 上海市采用 I II III IV 37 124 将坐标原点置于城市中心 X Y坐标轴将城市分成 四个象限 以城市地形图最大比例尺1 500图幅为基本图幅 50cm 40cm 实地范围为 东西25Om 南北200m X Y O 行号按坐标的绝对值 x 0 200m编号为001x 200 400m编号为002 列号按坐标的绝对值 y 0 25Om编号为001y 250 5O0m编号为002 x y编号中间以下划线 分隔 成为图幅号 例如 001 002 002 002 上海市大比例尺地形图的象限代码 38 124 上海市有关地形图编号的规定 原有的图解地形图以罗马字 表示所在象限 数字地形图根据其所在的象限和比例尺分别用大写的英文字母A B C D L表示 上海市的基本图幅编号法 39 124 图解地形图以罗马字分象限 1 500数图以ABCD分象限 1 1000数图以EFGH分象限 1 2000数图以IJKL分象限 A L F 3 矩形图分幅的行列编号法 40 124 7 2图根控制测量 图根控制测量 直接为测绘地形图而进行的控制测量 分为平面控制测量和高程控制测量 测量方法 导线测量 水准测量 交会定点 GNSS测量 图根控制点 为其控制点 简称图根点 具有平面坐标 和 或 高程 41 124 图根控制应尽量利用已有的国家或城市平面控制加密建立 对于独立测区 图根平面控制可以在测区的首级控制或等级控制下布设 图根高程控制必须在国家或城市高程各等级水准点的基础上布设 以取得统一的高程基准 城市和工程建设地区不允许采用假定高程 一 图根电磁波测距导线布设成附合导线 闭合导线或导线网 其主要技术指标 一 图根平面控制测量 42 124 测图比例尺 平均边长 m 导线全长 m 导线全长相对闭合差 角度测回 J6 方位角闭合差 1 表6 3图根电磁波测距图根导线的主要技术指标 124 43 二 GNSS图根平面控制测量 三 图根交会定点平面控制测量 用GNSS方法测定图根点平面坐标可采用静态 快速静态以及GNSS RTK定位方法 作业要求应按 卫星定位城市测量技术规程 执行 GNSS网可采用多边形环 附合路线和插点等形式 GNSS外业观测应采用精度不低于 10mm 2ppm D 的各种单频或双频GNSS接收机 GNSS控制网平差计算采用与地面数据进行联合平差 图根交会定点可采用前方交会 测边交会 边角交会 后方交会等形式 二 图根高程控制测量 44 124 图根高程控制测量可采用水准测量 电磁波测距三角高程测量和GNSS高程测量方法进行 一 图根水准测量图根水准测量应在城市三 四等水准点下加密 图根水准测量的主要技术指标见表7 7 表7 7图根水准测量主要技术指标 注 表中L为水准路线的总长 km n为测站数 124 45 二 图根电磁波测距三角高程测量 三 图根GNSS高程测量 图根电磁波测距三角高程路线应起讫于不低于四等的水准点上 路线中各边应对向观测 表7 8图根电磁波测距三角高程测量的技术指标 注 表中S为对向观测边长 km L为三角高程路线总长 km 采用GNSS方法布设图根高程控制点 可联测不低于四等水准的高程点 通过拟合的方法确定图根控制点的高程 7 3地物平面图测绘 一 平板仪图解法测图二 经纬仪测记法测图三 地物测绘的一般规定四 图的注记 46 124 图解法测图原理 一 平板仪图解法测图 47 124 1 平板的定位与定向地面控制点AB 板图纸上按测图比例尺画出相应的ab点 定位 使Aa在一铅垂线上 定向 使图上ab平行地面AB 2 按极坐标法图上定点照准仪瞄准目标 图上画出方向线 量距工具测量距离A1 按比例缩为a1 按方向线及图上距离 在图板上画出目标点1 3 按相似图形作图对照实地地物 将测定的一系列目标点连线成图 图上得到房屋平面的矩形轮廓 二 经纬仪测记法测图 1 观测和记录经纬仪安置在图根点A 瞄准另一图根点B 水平度盘定向 经纬仪瞄准目标点 1 2 3 测得方位角 用安装的测距仪或卷尺量距 测高差 记录观测数据 3 绘图用绘图工具根据观测数据绘图 48 124 2 计算根据观测记录用极坐标法计算目标点的三维坐标 故称测记法或测算法 在图根控制点A上安置经纬仪 量取仪器高 瞄准另一图根控制点B 称为定向点 进行水平度盘定向 转动照准部依次瞄准地物点1 2 3 上竖立的觇牌或棱镜 其高度为已知 称为目标高 测定定向点与地物点间的水平角 同时用卷尺或测距仪测定测站至地物点的水平距离及高差 有了这些数据以后 就可以选择一种合适的方法绘图 经纬仪测图法需要把观测数据记录下来 根据数据进行绘图 所以称为经纬仪测记法 124 49 经纬仪测图法是按极坐标法定位的原理 用经纬仪的水平度盘 竖盘和安装在经纬仪上的测距仪 或用卷尺 测量定点位的必要数据 然后用各种作图方法进行绘图 经纬仪测记法的最后阶段 用测距仪测距 用便携机记录和计算 根据数据在绘图仪上绘图 需要测绘的地物 自然地物 河流 湖泊 森林 草地 陡坎的边界等人工地物 房屋 铁路 公路 桥梁 高压输电线路等 124 50 三 地物测绘的一般规定 地物在地形图上的表示原则 凡是能依比例尺表示的地物 则测定其轮廓的几何图形图形中加绘地物属性符号 例如房屋的结构和层数 耕地和树林的种类等符号 凡是面积较小 不能依比例尺表示的地物 则测定其中心位置 绘以相应的地物符号 如导线点 水准点 界址点 电线杆 消防栓 水井等 作业规范 地形测量规范和地形图图式是测绘地形图的依据 124 51 地物测绘主要方法 测定地物几何形状的特征点 例如 地物轮廓的转折点 交叉点 直线端点 曲线上的曲率变化点 独立地物的中心点等 连接相应的特征点 得到与实际地物相似的图形 房屋轮廓转折点 独立地物中心点 曲率变化点 直线端点 直线端点 四 图的注记 一 注记的排列形式 1 水平字列 各字中心连线应平行于南 北图廓 由左向右排列 2 垂直字列 各字中心连线应垂直于南 北图廓 由上而下排列 3 雁行字列 各字中心连线应为直线且斜交于南 北图廓 4 屈曲字列 各字字边应垂直或平行于线状地物 且依线状地物的弯曲形状而排列 52 124 二 注记的字向 三 名称注记 四 说明注记 五 数字注记 53 124 水平和垂直字列字头朝北 雁行字列按右图所示的光线法则 市县镇村街道名 政府机构企业单位名 一般用水平字列 建筑结构 道路等级 路面材料 土质 植被名 控制点点号 等高线高程 散点高程 门牌号码等 7 4等高线地形图测绘 一 地形特征点二 地形点的三维坐标测定三 等高线绘制 54 124 地貌特征点 一 地形点选择选择地貌特征点 山顶点 鞍部点 山脊线和山谷线上的坡度变化处 山脚线 陡崖边缘等 55 124 竖立棱镜处为地貌特征点 山脊线 山谷线 山脚线 陡崖边线 鞍部 山顶 二 地形点的三维坐标测定 地形点必须测定其三维坐标 x y H 平面上标明点位 并将点的高程注记其旁 点与点之间用一定的临时性线条标明是山脊线 山谷线或是山脚线 例如 用点划线表示山脊线 用虚线表示山谷线 用临时性符号标明山头和鞍部等 以便于正确绘制等高线 56 124 地形图测绘的常规方法按所用的仪器分为经纬仪测图法和电子全站仪测图法等 一 地形点的测定方法 二 地形点的分布和间距 57 124 除了必须正确选定地形特征点 如山头 鞍部 山脊线和山谷线上方向或坡度变化处的点之外 如果某处的地面坡度变化甚小 地性线的方向也没有变化 但每隔一定的距离 也要测定地形点 使其有规定间距且均匀分布 这样才能较精确地绘制等高线 表7 9地形点间距规定 三 等高线绘制 58 124 在地形图上为了能详尽地表示地貌的变化情况 又不使等高线过密而影响地形图的清晰 必须按规定基本等高距绘制等高线 对于不能用等高线表示的地形 例如悬崖 峭壁 土坎 土堆 冲沟等 应按图式所规定的符号表示 等高线绘制 62 8 65 5 68 5 61 9 62 9 68 2 63 6 62 5 61 8 64 6 相邻地形点之间坡度相等 因此可用 内插法 绘制等高线 首先定出相邻地形点之间 整米等高线通过的位置 即内插点 然后用光滑曲线连接相同高程的内插点 完成等高线勾绘 59 124 2 等高线内插过程 等高线绘制 60 124 用内插法求得整米高程点 内插点 然后用光滑的曲线连接等高的点 绘制成局部的等高线地形图 当地形测量数据通过计算机绘图时 则等高线的内插计算 曲线的光滑处理和绘制都可以用编制软件 自动进行 最后绘制成等高线地形图 一 数字测图概述 7 5数字地形测量 61 124 数字测图是一种以电子测量仪器采集数据 并以计算机辅助成图的方法 与图解法测图相比 具有明显的优点 主要体现在以下几个方面 1 测图自动化数字测图的野外数据采集可实现自动记录 自动处理数据 显示图形 具有效率高 劳动强度小 错误出现概率小 绘制的地形图精确和规范等特点 2 成图数字化用存储器或网络提供数字地形图 便于传输和多用户共享 可以传输给工程设计单位直接进行计算机辅助设计 可供地理信息系统建库使用 可以进行各种修改处理 可始终保持数字地形图的现势性 124 62 3 保持测量精度图解法测图的精度 决定于测图的比例尺精度 按比例尺用手工绘制的精度 无论所采用的测量仪器精度有多高 测量方法有多精确 都无济于事 数字测图则不然 用高精度测量仪器采集数据 在记录 储存 处理 成图的全过程中 可完全保持原始数据的精度 数字地形图适应现代社会经济建设的需要 如在地籍测量 房产测量 管网测量 精密工程测量等方面 都需要高精度的地形数据 用全站仪进行地形数据采集 二 数字测图系统 63 124 数字测图系统是以全站仪和计算机为核心 在相应软件的支持下 对地形数据进行采集 传输 编辑 成图 输出 绘图 管理的测绘系统 用电子全站仪在测站对周围地形进行数字化测图 称为地面数字测图 直接测定地物点和地形点的细部 最为详尽 是几种数字测图方法中精度最高的一种 也是城市大比例尺地形图测绘的主要方法 以后以此为主详细介绍 各种数字测图系统必须首先获取地形要素的各种信息 然后才能据此成图 地形信息包括测量控制点资料 各种地物和地貌的位置数据和属性以及有关的注记等 三 地形要素数据采集 64 124 地形点编码设计应遵循的原则如下 分类应符合国家标准和测图规范 2 编码应尽可能简单 便于记忆和现场操作 3 不遗漏也不重复 使其具有唯一性 四 地形点编码 65 124 数字化成图中 测定地形点后的成图过程主要由计算机软件自动完成 因此 在数字测图时对于点的描述必须赋予三类信息 才能完成自动成图的工作 1 点号 2 点的三维坐标 x y H 3 点的属性 分类信息和连线信息 等 分类码 线条码 其他编码 66 124 按照 国家基本比例尺地形图图式第1部分 1 5001 10001 2000地形图图式 第4部分 4 符号与注记 中 将地形符号分为九大类 每一大类中再用一位至三位数字或英文小写字母进行细分 1 测量控制点 例 4 1 3导线点 4 1 6水准点2 水系 例 4 2 1地面河流 4 2 16池塘3 居民地及设施 例 4 3 1单幢房屋 4 3 87围墙4 交通 例 4 4 1标准轨铁路 4 4 4高速公路5 管线 例 4 5 1 1架空高压输电线 4 5 4变电所6 境界 例 4 6 5县界 4 6 7村界 4 6 9开发区界7 地貌 例 4 7 1等高线 4 7 3高程点及其注记8 植被与土质 例 4 8 1稻田 4 8 6 2经济作物地9 注记 例 4 9 1居民地名称 4 9 3 3交通线名称 124 67 六位地形编码法 前4位数字或字母编码代表地形点的地形分类 分类码 第1位用数字1 2 9表示 图式 中 地形符号 的大类 编码第2 3 4位用数字或字母相对应于 图式 对每一大类中的细分 例如 一 六位地形编码法 图式 编号 六位编码法 前4位 4 3 1单幢房屋 31 4 3 41学校 4 4 4高速公路 4 4 15内部道路 4 5 8a给水检修井 4 3 106路灯 341 44 415 58a 3106 说明 编码不顾及图式编号的第1位 4 为 空 124 68 地形点是独立地物时 例如导线点 水准点 路灯等 只要用分类码来表示它的属性 即可确定该地形点的地形分类及应采用的图式符号 如果是线状或面状地物 则本地形点必须与其他地形点相连 才能形成一个完整的地物图形 需要明确本点与之相关连的点的连线次序 起点 中间点 终点 闭合到起点 和连线种类 直线 圆弧或样条曲线 在 六位地形编码法 中 第5 6位为 连线码 第5位表示连线次序 用一位英文大写字母作代码 B begin 为连线起点 M mid 连线中间点 E end 为连线终点 C close 为闭合到起点 对于不需连线的独立地物点 则空缺 第6位表示连线种类 用一位数字作代码 1 为直线 2 为圆弧 3 为样条曲线 对于不需连线的独立点 则空缺 表7 10地形要素 六位编码法 示例 69 124 二 其它编码法 拼音字母编码法 的分类是按照地形要素名称的汉语拼音的第一个字母组合而成 如 一般房屋 为 YBFW 围墙 为 WQ 高速公路 为 GSGL 等 分类码后面再加连线信息码 拼音字母编码法具有容易记忆的优点 但是其编码不能与国家规定的 图式 中的编号一一对应 拼音字母编码法 70 124 五 全站仪野外数据采集 一 用全站仪采集数据 1 野外地形数据采集 一般方法 全站仪设置于控制点A 经后视定向 瞄准目标点P 测得方位角Az 天顶距Ze和斜距S 观测数据 71 124 测站 目标 全站仪自动记录点号和观测数据 并进行目标点的三维坐标计算 观测者输入目标点的代码 全站仪将点号 坐标和代码作为该点的一条 记录 储于内存 124 72 设全站仪直接瞄准目标 即目标高为0 则目标点相对于全站仪横轴中心的 测站独立坐标系 的三维坐标 目标高不为0 则目标点的Z坐标中应减去目标高 测站 目标 顾及全站仪横轴中心的三维坐标 xo yo zo 则目标点的 大地坐标 为 124 73 2 地形点编码输入 用全站仪进行地形点数据采集时 地形点的编码还必须由观测员判断和人工输入 用全站仪测量可根据常用的地形编码建立编码库 在进行地形测量需要输入编码时 可直接调用而不必一一键入 对于连续观测的各点需要输入相同的地形编码时 因为屏幕保留上一点的编码 故不必重复输入 在进行细部点测量时 应尽可能按地物的分类和连线的次序进行 这样便于编码输入和地物图形的按编码自动连线 下图为编码示例 其中有一个游泳池 分类编码349 一幢房屋 分类编码为31 一个内部道路 分类编码为415 的交叉口 一个池塘 分类编码为216 和一个喷水池 分类编码为3110 地形测量细部点编码示例 74 124 序号 1001 编码 349B1 游泳池 内部道路 房屋 池塘 喷水池 序号 1023 编码 216B3 124 75 全站仪一般可存储3000个以上细部点的观测数据 OBS 和点位数据 POS 另外 配有的存储卡也可存储3000个点的数据 当存储器存满时 可将当前文件写到存储卡中 对于城市地区一幅中等难易程度1 500比例尺的地形图 其地物特征点一般不会超过1000个 因此 仪器所提供的存储容量是足够的 124 76 六 全站仪和计算机的数据通讯 电子全站仪与计算机之间的数据通讯一般都采用异步串行传送方式 用RS 232C串行通讯接口和专用通讯电缆进行 在数据通讯前 还需在双方设置相同的通讯参数 进行数据通讯时的参数设置如右表 计算机开机后 进入WINDOWS操作系统 执行 附件 中的 终端仿真程序 Terminal exe 点击菜单项 窗口 设置 通信 全站仪图 全站仪与计算机用通讯线连接 进行数据传输 通讯电缆 77 124 全站仪的通讯接口 便携机 124 78 全站仪SET230R在 状态显示 屏幕下按 配置 软键进入 配置模式 屏幕 选取 通讯参数 显示 通讯参数设置 屏幕 用光标移动键选取各项通讯参数 如下图所示 设置完成后 按回车键返回 配置模式 屏幕 按 ESC 键返回 状态显示 屏幕 124 79 在 状态显示 屏幕按 内存 软键进入 内存模式 屏幕 选取 文件 显示工作文件管理的 文件 屏幕 a 选取 通讯输出 显示输出工作文件选择的 文件 屏幕 b 选取要输出的工作文件后按回车键 此时所选文件名右侧会出现 out 按OK键确认进入 通讯输出 屏幕 c 选取需要输出的格式 SDR 后 按回车键 开始传输数据 d 表示正在发送数据 表示实时传输的数据个数 7 6数字地形测量的机助成图 一 AutoCAD绘图软件和AutoLISP语言二 原始观测数据的转换三 地形点展绘和初步连线四 地形图图式符号库五 自定义图形函数六 地物线型定义文件设置七 等高线自动绘制 80 124 一 AutoCAD绘图软件和AutoLISP语言 AutoCAD是一个通用的计算机辅助设计的绘图系统软件 具有使用方便 体系开放等特点 广泛用于机械 建筑 土木工程 测绘等领域 所提供的丰富绘图命令和编辑功能 能成功地应用于数字地形测量的机助成图 81 124 AutoLISP是一种以解释方式运行于AutoCAD内部的程序设计语言 是用于CAD二次开发工具 具有完备的数学运算功能和调用CAD的绘图功能 因此已成为数字地形测量机助成图中不可缺少的开发工具 LISP是一种 表结构 语言 其基本形式为括号中的表达式 函数 参数1 参数2 一对开括号和闭括号组成一个 表 函数与参数之间 参数与参数之间用一个空格分开 表中参数的有无或多少由函数的性质所规定 124 82 参数也可以是另一个表 称为 嵌套结构 除了函数可以互相调用外 没有其他任何语句和过程 因此 AutoLISP程序是由一个或多个顺序排列或多层嵌套的函数 表 所组合而成 执行LISP程序就是调用一些函数 函数可再调用其他函数 也就是在对各个函数求值过程中实现函数的功能 进而实现程序的计算和绘图功能 自行开发的AutoLISP程序也可以认为是AutoCAD软件中增加的 自定义函数 如后述的 地形点展点和连线程序 绘制线形符号的各种程序 等高线自动绘制程序等 在AutoLISP程序中 可以调用AutoCAD所有的绘图功能 即两者具有良好的交互性 interaction 函数 参数1 参数2 二 原始观测数据的转换 全站仪所记录的每行字符串输入计算机以后 必须转换为CAD绘图所需要的数据类型 83 124 SET系列全站仪地形测量点位数据原始记录为每个观测点占一行字符串 内容包括 采集方式 点号 纵坐标 横坐标 高程和代码 分类码连线码 共分6个数据段 例如 方式点号纵坐标横坐标高程代码08TP10011644 8822111 6648 718349B108TP10021634 8392114 6668 720349M108TP10031639 5232130 3348 680349E108TP10041649 5632127 3298 677349C108TP10051626 0862113 9978 510415B108TP10061633 3032137 4498 520415E1 124 84 如上表所示的观测数据原始记录文件中的记录格式 每行的第1 4位为数据采集的方式 第17 20位为点号 按观测顺序编号 第21 36位为纵坐标 第37 52位为横坐标 第53 68位为高程 第69 84位为属性编码 记录数据类型为 字符串 用AutoCAD绘图时 每点按其属性依照地形图图式的分类编号分层展点 初步连线和注记 这一工作可编制名为 按地形点坐标代码数据文件画地形图初级图形程序 来完成 程序名为 TOPOLINE LSP 程序首先将原始观测记录中的每个地形点占一行的字符串 转换为CAD绘图所需要的数据类型 并储存于有关的LISP数表 然后从表中依次取出 按地形点分类入层并展点 最后按连线信息将地形点所构成的地物图形进行初步连线 三 地形点展绘和初步连线 地形点展绘和初步连线的屏幕显示 85 124 124 86 四 地形图图式符号库 一 图式符号库的设计数字测图软件的地形图图式符号库是以国家标准 图式 为依据的图形数据库 库的功能首先是各种地物符号的绘制 其次是这些符号的组织 检索 管理和应用 通用的CAD图形软件的符号库系统 独立符号 点状符号 有一个定位点 对应一个固定的 不依比例尺而变化的图形符号 如导线点 电线杆 消防龙头 水井等 2 线形符号 线状符号 符号依据定位线绘制 有比较简单的简单线型 如简易公路 乡村小路等 比较复杂的复杂线型 如围墙等 3 填充符号 面状符号 定位线要求构成封闭的 面域 面域内填充表示地块属性的图式符号 如稻田 草地 树林等 124 87 二 图式符号库的建立基于CAD二次开发的测图软件 在CAD系统中利用提供用户定义的图块 block 和填充 hatch 图案的功能建立图式符号库 1 图块建立AutoCAD中的图形元素称为实体 图块是若干实体的集合 并被赋予一个名称 该集合本身也成为一个实体 可作为一个整体进行诸如插入 拷贝 移动 删除等操作 图块定义有一个插入点 即定位点 例如制作 三角点 符号 用Pline命令按照图式规定的大小绘制3mm边长的正三角形 用Point命令在三角形中心绘制一个点 并将其设置为基点 用 六位地形编码法 中的地形分类编码 11 为文件名 将上述绘制图块存入符号库指定的目录中 这样就完成了三角点符号的制作 图式符号库中常用地形图符号 88 124 124 89 2 符号填充CAD提供了标准的填充模式库 但不能满足地形绘图的需要 CAD也允许建立用户自己的填充模式库 因而能够为 图式 中阵列式的面状符号 例如果园 竹林 草坪等 建库 填充符号库中的植被与土质符号 124 90 五 自定义函数 在地形图图式符号中有一些符号的基本图形或细节虽具有固定形式 但其尺寸和形状随一些参数而变 对此需要设计具有若干参数的 自定义图形函数 的AutoLISP程序 以绘制这类图式符号 称为 CAD参数法绘图 图式 中的 围墙 符号分为 a 依比例尺的 和 b 不依比例尺的 两种 并规定 围墙的宽度在图上大于0 6mm时 依比例尺画两条平行线 中间在图上每隔10mm分节 画一小黑方块 围墙的宽度在图上小于0 6mm时 不依比例尺画一图上0 3mm宽的线条 也每隔10mm画一小黑方块 用 b 不依比例尺的 画围墙符号为例 以围墙两个端点的实测位置及绘图比例尺为参数 设计以下绘制大比例尺 1 500 1 1000 地形图中直线围墙的自定义函数 124 91 画直线围墙的AutoLISP程序 指定围墙起点和终点 输入绘图比例尺 围墙符号宽度不依比例尺 defunc wq 画直线围墙程序 围墙符号画于测点连线左侧 setqPB getpoint n指定围墙起点 输入起点的坐标或捕捉点位 setqPE getpoint n指定围墙终点 输入终点的坐标或捕捉点位 setqS getreal n输入绘图比例尺 1 1000输1 1 500输0 5 seiqW 0 15S 单线围墙符号宽度为图上0 3mm 计算其半宽 setqA anglePBPE 按起终点坐标反算直线方位角 setqD distancePBPE 按起终点坐标反算直线长度 setqA1 A PI2 计算围墙垂直方向的方位角 if A10 setqA1 A1 PI2 setqPB1 polarPBA1W PE1 polarPEA1W 端点平移围墙符号半宽 command pline PB1 w 0 3S PE1 画围墙单线符号宽0 3mm setqDM0 DM为起点至某分节的长度 while DMD 围墙单线符号在图上每10mm分节 画0 5 0 5小方块 command pline PM w 0 5S PM1 画围墙分节小方块 setqDM DM 10S 计算起点至分节的长度 setqPM polarPBADM PM1 polarPMA1 0 8S 分节方块两端坐标 Endwhile princ EndProgramm 124 92 类似于围墙属于线形符号的还有铁路 栏栅 斜坡 土堤等 均可以设计成相应的自定义图形函数 自动绘制的图形如下 数字地形图的计算机屏幕显示 93 124 六 地物线型定义文件设置 94 124 地形图中的线条应按 图式 规定的线型来绘制 CAD原有的线型定义文件 acadiso lin 不能满足地形绘图的需要 仿照CAD线型设置的方法 设计名为 地形图图式线型 lin 的线型定义文件 加入AutoCAD软件包的Support文件夹中 按需要调用 地形图图式所需线型部分示例 虚线 Dash11 0 5 0 5 内部道路 1 500 A 0 5 0 5 Dash11A 1 0 1 0 内部道路 1 1000 A 1 1 Dash21 1 0 0 5 房屋建筑虚线 1 500 A 1 0 5 Dash21A 2 0 1 0 房屋建筑虚线 1 1000 A 2 1 124 95 轴线 中心线 Axis42 道路中心线 1 500 A 2 0 5 0 0 5 Axis42A 道路中心线 1 1000 A 4 1 0 1 上列语句中 后为注释 其后 每两行定义一种线型 其中第一行 后为 线型名及尺寸 线型示例 用途说明 第二行为线型定义 A Alignment 为落笔画线指令 后面正数为画线长度 m 负数为空隙长度 m 数字 0 为一点 数字间用逗号分隔 选用地形图式线型的方法如下 从AutoCAD的 图层特性管理器 中打开 线型选择 对话框 按 加载 文件 F 地形图式线型 打开 后的列表中选择所需线型 按 确定 调用 124 96 七 等高线自动化绘制 野外测定的地貌特征点一般是不规则分布的地形点 根据这些点绘制等高线可采用方网格法和三角网法 三角网法是直接由不规则分布的地形点连成不规则三角形网 再在三角形边上以内插法求得等高线通过的点 等值点 通过对等值点的追踪 连线 光滑 绘制成等高线 下面介绍狄洛尼三角网法 主要步骤 1 构建狄洛尼三角网2 内插等值点3 追踪和曲线光滑 其流程图 124 97 一 构建狄洛尼三角网在狄洛尼法中将离散分布的地形点称为 参考点 构成狄洛尼三角网时规定 每个由三个参考点组成的三角形的外接圆内都不包含其他参考点 1 2 4狄洛尼三角形 1 2 3非狄洛尼三角形 狄洛尼三角网形成方法 先连两点 要求至第三点的距离平方和为最小 构成三角形后 作外接圆 检查圆内应无其他点 连续构建三角形构成狄洛尼三角网 构建狄洛尼三角网 98 124 二 等值点内插 99 124 某一高程的等高线通过三角边的点 三 等值点追踪和曲线光滑 100 124 等值点追踪 曲线光滑 曲线光滑 124 101 按狄洛尼三角网法自动绘制等高线地形图 124 102 124 103 124 104 八 机助成图的图形编辑 按成图软件自动生成地形图的初级图形 这是一个完全自动化的过程 屏幕上的初级图形虽然已经是按地物分类入层 色彩区分 轮廓初具 可以辨认 但是 这样的地形图并不完整 还需要进行人工屏幕编辑 原因是 1 地形数据采集时存在隐蔽区 死角 2 采集不全符合连线规则 图形轮廓不全 3 采集可能有遗漏 编码可能有错 4 需补注记和地形符号等 房屋仅测3点补绘第4点 台阶仅测2点补台阶符号 内部道路连线补全 混2 房屋结构层数注记 124 105 在CAD屏幕按设计的自定义函数LISP程序制成下拉式菜单 便于图形编辑时使用 124 106 7 7城市三维模型构建 一 应用于城市规划的城市地形三维模型随着城市发展加快 信息化建设逐步深入和信息量加大 传统的城市规划信息系统由于在地理空间信息三维表现方面的缺陷 已不能满足规划部门对地形信息应用的可视化需求 开始应用虚拟现实 VR virtualreality 技术 开发三维辅助规划应用系统平台 而城市地形的三维可视化模型是其基础信息 二 城市建筑的三维建模将以往城市地形信息以二维的平面图为主 仅是在图上注记房屋的结构和层数 加注若干高程点 以及在地形起伏明显地区加绘等高线 改变为三维可视化的城市地形模型 城市三维模型 一般分为 1 规划设计模型2 景观模型3 简体模型4 精细模型 124 107 三维可视化城市地形模型 改进原有的城市地形平面图 仅注记房屋的结构和层数 124 108 三 建筑物精细模型的全站仪实测建模 一 建筑物三维建模的特征点测定实测建筑物外形 内部结构和细部构造 应用免棱镜电子全站仪进行三维数据采集 必须测定建筑物构件的三维特征点 例如 在墙脚以及墙的顶端测定的点 建筑物立面上的门窗角点 屋盖 屋顶 边缘线和斜屋盖的屋脊棱线上的转折点都是建筑物三维建模时重要的特征点 墙脚点 墙顶点 外墙窗角点 124 109 二 建筑物特征点的编码设计建筑物构件由于种类繁多 特征点的空间分布比较密集 采集的数据应按建筑构件分类分层储存 才便于数据采集后的图形处理 特征点的代码采用 四位编码法 其中第1 2位代码为建筑构件的分类码 在AutoCAD中绘图时也据此分层展点 取建筑构件名称的汉语拼音首位大写字母作为代码 编码第3 4位代码为连线码 表示点的连线次序和线条种类 具体规定同地形绘图的 六位地形编码法 中的第5 6位 在AutoCAD中编制LISP程序 类似于前述地形绘图程序 TOPOLINE 实现对测定的建筑物构件实现自动化展点和初步连线 该LISP程序命名为 ARCHLINE 见本书CD ROM 6 机助成图LISP程序及应用 124 110 表7 11建筑结构点测定的分类编码规定 124 111 三 建筑构件的实体构建在CAD绘图中 只有实体 Solid 图形才能进行消隐 着色 渲染 阴影 拉伸 集运算等三维图形的处理 所谓实体构建 Constitution 不同于平面图形的测绘 不能简单地用实测点位的连线并作某些补充或修饰来完成 而是以实测点位为基础 以建筑构件的特性为依据 用拟合的方法来完成 例如 对一堵平直墙壁上的点位数据采集 在墙的基底部位的实测点位的连线按墙壁的