鄒進(jìn)貴，朱勇超，徐亞明

(1. 武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

一、引 言

三角高程測(cè)量方法觀測(cè)簡(jiǎn)單、靈活，受地形限制較小，但是由于儀器的精度限制和大氣折光、地球曲率等因素的影響，三角高程測(cè)量的精度問(wèn)題一直是制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。近年來(lái)，隨著測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步及測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，尤其是高精度測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)，三角高程測(cè)量的精度在理論上有了新的提升空間。許多專家相繼提出了三角高程測(cè)量代替高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的可能，筆者通過(guò)利用兩臺(tái)高精度測(cè)量機(jī)器人，經(jīng)加裝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)向觀測(cè)，削弱了大氣折光、地球曲率等因素的影響。通過(guò)對(duì)測(cè)段按偶數(shù)邊進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)需量取儀器高和覘標(biāo)高，有效避免了由此帶來(lái)的測(cè)量誤差，可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

二、精密三角高程測(cè)量觀測(cè)方程

1. 儀器對(duì)棱鏡單元的觀測(cè)方程

圖1為儀器觀測(cè)棱鏡單元的示意圖，P1、P2兩點(diǎn)的高程分別為H1和H2。

圖1 儀器觀測(cè)棱鏡示意圖

由佩利年在《理論大地測(cè)量學(xué)》中提出的嚴(yán)密計(jì)算公式可得P1、P2點(diǎn)的高差的計(jì)算公式為

(1)

式中，D1,2為P1點(diǎn)觀測(cè)P2點(diǎn)的斜距；Z為P1點(diǎn)對(duì)P2點(diǎn)觀測(cè)的天頂距；i為儀器高；v為目標(biāo)高；ε1為照準(zhǔn)方向上的垂線偏差分量；εc為測(cè)線沿線垂線偏差分量均值；K1為P1到P2點(diǎn)的積分折光系數(shù)；S為P1、P2點(diǎn)經(jīng)氣象改正后的斜距在參考橢球上的投影；R為P1、P2點(diǎn)的平均曲率半徑；B1、B2、Bm分別為P1、P2的緯度和平均緯度。

整理式(1)，可得

即

(2)

式中，h12為儀器物鏡中心到棱鏡中心的高差。

2. 儀器對(duì)儀器單元的觀測(cè)方程

如圖2所示，P1、P2兩點(diǎn)的高程分別為H1和H2。

P1、P2點(diǎn)的高差的計(jì)算公式為

(3)

圖2 對(duì)向觀測(cè)示意圖

式中，D1,2、Z1,2分別為P1觀測(cè)P2點(diǎn)低棱鏡所獲得的斜距和天頂距；D2,1、Z2,1分別為P2觀測(cè)P1點(diǎn)低棱鏡所獲得的斜距和天頂距；Δd1、Δd2分別為P1、P2點(diǎn)兩處儀器的棱鏡互差。令ΔP1、ΔP2分別為相應(yīng)的兩處儀器低棱鏡中心至儀器中心的距離，h12為P1點(diǎn)儀器中心到P2點(diǎn)低棱鏡中心的高差，h21為P2點(diǎn)儀器中心到P1點(diǎn)低棱鏡中心的高差，h1,2為P1儀器中心到P2儀器中心的高差，于是有

h1,2=(H2+i2)-(H1+i1)=ΔP1-h21=h12-ΔP2

(4)

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

若i為偶數(shù)，則

Di,i-1cosZi,i-1)-Mi-1,i-Ni-1,i

(6)

若i為奇數(shù)，則

Di,i-1cosZi,i-1)-Mi-1,i-Ni-1,i

(7)

3. 總觀測(cè)方程

精密三角高程測(cè)量高程傳遞過(guò)程如圖3所示。

圖3 高程傳遞示意圖

根據(jù)儀器對(duì)棱鏡觀測(cè)單元和儀器對(duì)儀器對(duì)向觀測(cè)單元的推導(dǎo)，可以得出精密三角高程測(cè)量總的觀測(cè)方程為

B0)2cos2B1,0-(Bn-Bn-1)2cos2Bn,n-1]

(8)

式中，第一項(xiàng)為概略高差；第二項(xiàng)為轉(zhuǎn)點(diǎn)改正項(xiàng)；其余為起、末點(diǎn)改正項(xiàng)。

三、機(jī)載精密三角高程測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證高質(zhì)量、高效、便捷地完成測(cè)量任務(wù)，系統(tǒng)必須具備良好的性能。首先要求利用該系統(tǒng)進(jìn)行高程測(cè)量，須滿足國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求；其次要求野外觀測(cè)值必須實(shí)時(shí)得到記錄和基本解算，以免在出現(xiàn)故障時(shí)丟失數(shù)據(jù)；最后從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)角度出發(fā)，該系統(tǒng)必須具有良好的用戶接口，能夠方便地進(jìn)行移植，而且當(dāng)用戶進(jìn)行不當(dāng)操作時(shí)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理，給予提示或警告，且不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

考慮到該系統(tǒng)將用于野外數(shù)據(jù)采集且數(shù)據(jù)處理需要兩臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)將分為兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)解算單元。數(shù)據(jù)采集單元運(yùn)行于智能全站儀上；數(shù)據(jù)解算單元運(yùn)行于PC機(jī)上。

1. 數(shù)據(jù)采集單元

筆者運(yùn)用Geo C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在TS30測(cè)量機(jī)器人平臺(tái)上設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了機(jī)載精密三角高程測(cè)量數(shù)據(jù)采集程序。數(shù)據(jù)采集單元集成了多測(cè)回自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)檢核、自動(dòng)重測(cè)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)評(píng)定等功能，可使外業(yè)數(shù)據(jù)采集更加高效和便捷。

數(shù)據(jù)采集程序執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)量的函數(shù)調(diào)用機(jī)制如圖4所示。通過(guò)按下“測(cè)量”功能鍵啟動(dòng)測(cè)量，測(cè)量完成即自動(dòng)重載OnTargetPointMeasFinished()獲取觀測(cè)值并且在該函數(shù)中啟動(dòng)下一次測(cè)量。

圖4 自動(dòng)測(cè)量過(guò)程函數(shù)調(diào)用機(jī)制

2. 數(shù)據(jù)解算單元

本測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算單元運(yùn)行于PC機(jī)上，該單元利用C++語(yǔ)言編寫，可以運(yùn)行在Windows 7/XP/2000/98等操作系統(tǒng)下。將兩臺(tái)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)拷貝到PC機(jī)上后可以直接利用該程序進(jìn)行解算，獲取數(shù)據(jù)結(jié)果并且對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定。該單元主要包括項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)計(jì)算、解算結(jié)果輸出等功能。

四、機(jī)載精密三角高程測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1. 數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)

筆者運(yùn)用Geo C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在機(jī)載開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。機(jī)載精密三角高程測(cè)量系統(tǒng)菜單選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)主界面如圖5所示。

圖5 程序菜單選項(xiàng)主界面

(1) 作業(yè)項(xiàng)目的管理

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該單元的主要功能是新建作業(yè)、選擇已有作業(yè)及刪除作業(yè)的功能，并且在指定路徑下創(chuàng)建初始觀測(cè)值文件。作業(yè)項(xiàng)目管理實(shí)現(xiàn)界面如圖6所示。

圖6 作業(yè)管理程序界面

(2) 測(cè)量參數(shù)的設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包含3個(gè)頁(yè)面，在參數(shù)設(shè)置單元，利用Geo C++的Tabbed頁(yè)面形式,參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)界面分別如圖7所示。

圖7 測(cè)量參數(shù)設(shè)置界面

(3) 數(shù)據(jù)采集的控制

數(shù)據(jù)采集是機(jī)載程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能，也是機(jī)載程序設(shè)計(jì)的目的。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，進(jìn)行多測(cè)回自動(dòng)化觀測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)檢核及自動(dòng)存儲(chǔ)等功能，筆者在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用Geo C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該單元。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)量的部分源代碼如圖8所示。

圖8 自動(dòng)測(cè)量部分源代碼

數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)如圖9所示。其中，圖9(a)主要控制測(cè)量流程、顯示測(cè)量進(jìn)度并且集成高低棱鏡數(shù)據(jù)檢核功能；圖9(b)主要進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，而且集成棱鏡單元觀測(cè)數(shù)據(jù)檢核功能。

圖9 數(shù)據(jù)采集界面

2. 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件采用C++語(yǔ)言在Visual Studio 2010平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)查看、結(jié)果輸出等功能。

五、系統(tǒng)的應(yīng)用

按照精密三角高程測(cè)量的理論，對(duì)兩臺(tái)裝載有筆者開(kāi)發(fā)的機(jī)載精密三角高程測(cè)量軟件PTriLevel的全站儀進(jìn)行必要的加裝。并配備一套可以安裝高低棱鏡的棱鏡桿，在某地區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，路線如圖10所示。

圖10 路線圖

表1 測(cè)段高差成果表

表2 閉合環(huán)成果表

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本次測(cè)量每千米偶然中誤差計(jì)算結(jié)果為0.48 mm，符合國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于徠卡智能全站儀的機(jī)載精密三角高程測(cè)量數(shù)據(jù)采集軟件，提高了工作效率。其中數(shù)據(jù)采集模塊多測(cè)回自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)檢核、自動(dòng)重測(cè)等功能，大大提高了野外數(shù)據(jù)采集效率。該軟件的設(shè)計(jì)思路不僅適用于精密三角高程測(cè)量，也同樣適用于其他測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為下一步研究的開(kāi)展打下了基礎(chǔ)。

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