嵌入式精密三角高程測量算法設(shè)計與實現(xiàn)

楊雪

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東廣州 510507)

1 引言

幾何水準(zhǔn)測量具有測量精度高、方法簡便等特點，一直是高程測量的主要方法。但其:視線短、速度慢、勞動強度大，僅適用于平坦地區(qū)。因此許多學(xué)者都對高度角觀測和大氣折光的影響進(jìn)行了深入研究，通過提高三角高程測量的精度，在一定的精度范圍內(nèi)，代替幾何水準(zhǔn)測量。

EDM三角高程測量研究已取得很大的進(jìn)展。EDM三角高程測量通過觀測水平距離和天頂距求定兩點間高差，且顧及地球彎曲和大氣垂直折光影響。研究表明，三角高程測量可以代替四等水準(zhǔn)測量，甚至達(dá)到二等水準(zhǔn)測量要求［1］。

2 技術(shù)原理

2.1 EDM精密三角高程測量基本原理

精密三角高程測量觀測原理如圖1所示［2］:

圖1 精密三角高程測量原理圖

在1位置上的全站儀對A點棱鏡觀測斜距和豎直角，則可計算A點到1位置上全站儀中心的高差:

在1、2位置上的全站儀進(jìn)行對向觀測，兩儀器中心間的高差為:

將1位置上的全站儀遷至3位置，2～3為對向觀測邊，兩儀器中心間的高差為:

在N位置上的全站儀對B點棱鏡觀測斜距和豎直角，則可計算3位置上全站儀中心到水準(zhǔn)點B的高差［2］:

在實際應(yīng)用中，為提高測量精度，采用兩臺自動照準(zhǔn)的高精度全站儀，并將照準(zhǔn)棱鏡固定在全站儀的把手上(如圖4所示)，進(jìn)行同時對向觀測，可基本消除大氣垂直折光的影響。設(shè)計測段對向觀測為偶數(shù)邊，測段起末固定棱鏡桿，可消除儀器高和覘標(biāo)高影響。最后限制觀測邊的長度和高度角，可減少相對垂線偏差的影響［3］。

2.2 嵌入式開發(fā)環(huán)境與設(shè)備

Windows CE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)［4］。野外實時電子記錄要求載體小巧輕便，便于攜帶，載體功能和可擴(kuò)展性強，能夠滿足測繪作業(yè)記錄與實時測算等多方面要求。選擇WinCE系統(tǒng)是由于目前很多載體如掌上電腦、GPS測量手簿、智能手機等移動設(shè)備都應(yīng)用WinCE系統(tǒng)。本文介紹的精密三角高程測量記錄與測算應(yīng)用程序不僅可以應(yīng)用于掌上電腦，所有WinCE系統(tǒng)平臺或者是Windows系統(tǒng)平臺的操作系統(tǒng)均可以安裝并使用。

3 功能設(shè)計和算法實現(xiàn)

程序運用C#編程語言，開發(fā)平臺為Microsoft Visual Studio 2005(簡稱VS2005)，運用VS2005的設(shè)備模擬器對編寫的程序進(jìn)行PDA(掌上電腦)上的調(diào)試。精密三角高程測量程序界面布置及功能如圖2所示:

圖2 精密三角高程測量程序功能布置圖

每條測邊需要測量一次平距用于計算本測段限差與需要滿足限差要求的測回數(shù)目。每半測回分別觀測記錄對面高低棱鏡的斜距、天頂距、高差，一個測回結(jié)束后“保存”，重復(fù)觀測幾個測回后進(jìn)行“重新通過”計算。重新通過用于計算各項指標(biāo)是否超限。以下介紹了二等、三等觀測的限差要求:

二等觀測限差:各測回垂直角和指標(biāo)差不超過5″，距離不超過 3 mm。測段往返測高差不符值不超出，雙棱鏡觀測時按高低棱鏡觀測值分別計算高差，不符值不超出，并在測站上要檢核高低棱鏡觀測高差之差。

三等觀測限差:各測回垂直角和指標(biāo)差不超過6″，距離不超過 5 mm。雙棱鏡觀測時按高低棱鏡觀測值分別計算高差，不符值不超出為測量線路長，單位km)，并在測站上要檢核高低棱鏡觀測高差之差。

觀測數(shù)據(jù)的解算流程圖如圖3所示:

圖3 觀測數(shù)據(jù)解算流程圖

4 實驗基本情況

某市江順大橋工程項目中心位置在東經(jīng)113°04'，北緯22°47'，全長約 4 km。

采用徠卡TC702、徠卡TS06(標(biāo)稱精度2″)全站儀。

4.1 高低棱鏡的定制

高低棱鏡鏡頭中心之間高差常數(shù)的測定。在平地相隔 20 m左右，分別架設(shè)全站儀和高低棱鏡，全站儀直接設(shè)置測定高差。先測定低棱鏡高差，讀10次取平均值。再測定高棱鏡高差，讀10次取平均值。將高棱鏡高差減去低棱鏡高差，即得高、低棱鏡常數(shù)。本次實驗的兩組高低棱鏡的棱鏡高低差分別為 0.117 m和0.113 m。

制作框架要求安裝后兩個棱鏡盡可能垂直，如果不垂直對觀測精度的影響較大。

4.2 測量過程

GM 路線:GM18－JS15－JS16－GM18;

JS路線:JS04－JS18－JS17－JS04。

每個測段的起末點觀測，要求在測段水準(zhǔn)點附近架設(shè)全站儀，在水準(zhǔn)點上架設(shè)棱鏡桿(起、末點為同一根桿，長度不變)，進(jìn)行距離和高度角觀測;低棱鏡兩測回，高棱鏡兩測回;觀測時各站上要在觀測前測定溫度和氣壓，以便對邊長進(jìn)行改正。

對向觀測時，按儀器前進(jìn)方向，先進(jìn)行后測站觀測，再進(jìn)行前測站觀測。每個測段進(jìn)行單棱鏡往返測或高低雙棱鏡觀測，高低雙棱鏡觀測順序為:后低，前低，前高，后高。支線測段進(jìn)行單棱鏡往返測。一條邊觀測結(jié)束后，進(jìn)行下條邊觀測，這時特別要注意，前站儀器不動，為下條邊的后站，原后儀器遷至前面，為下條邊的前站，在一個測段上對向觀測的邊為偶數(shù)條邊。對向觀測順序如圖4所示:

圖4 對向觀測順序示意圖

4.3 數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

經(jīng)過對GM線路和JS線路的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分別得到表1、表2所示結(jié)果，并分別與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量的成果進(jìn)行了比較。

GM線路計算成果比較表 表1

JS線路計算成果比較表 表2

以上兩表中所示精密三角高程測量高差由高低棱鏡分別得到的高差取平均所得。

5 數(shù)據(jù)分析

表1中JS16－GM18測段是導(dǎo)致GM路線精密三角高程測量閉合差偏大的主因;而導(dǎo)致JS路線精密三角高程測量閉合差偏大的主因是表2中JS17－JS04測段。

對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，JS16－GM18、JS17－JS04測段普遍存在三個因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度下降。

1）適應(yīng)證不適宜。實例1：患者男性，35歲；診斷：混合痔；處方用藥：阿奇霉素腸溶膠囊0.25 g qd 7 d、化痔栓1.7 g qd 7 d。用藥分析：阿奇霉素首選應(yīng)用于革蘭氏陽性菌及支原體、衣原體等非典型病原體的呼吸道感染性疾病，不能覆蓋痔瘡可能的致病菌腸道桿菌等革蘭氏陰性菌，且血藥濃度不高，屬于抗生素選擇不適宜，應(yīng)改用左氧氟沙星等氟喹諾酮類抗菌藥物。

5.1 高、低棱鏡常數(shù)的檢核

測站高低棱鏡常數(shù)檢核反映的是同一測回高低棱鏡分別計算的高差差值，理論上該差值應(yīng)該等于該測站上儀器所觀測的對面高低棱鏡的高、低棱鏡常數(shù)，即0.117 m或 0.113 m。該值可以判斷出觀測質(zhì)量，對后期高差準(zhǔn)確性起重要作用，實驗數(shù)據(jù)顯示距離大的測段，由每測回觀測數(shù)據(jù)計算的高低棱鏡高差與事先測好的高低棱鏡常數(shù)偏大均較大。這說明觀測質(zhì)量較差，誤差比較大。

根據(jù)實際作業(yè)情況，認(rèn)為每觀測一組數(shù)據(jù)經(jīng)記錄后，程序計算的高低棱鏡高差值與高低鏡事先測定的常數(shù)(0.117 m/0.113 m)不超過 3 mm為宜。

高低棱鏡常數(shù)為0.117 m的高低棱鏡組在定制時有些許傾斜，原因是在定制過程中鉚釘沒有十分垂直，在距離較近的觀測中這種誤差幾乎可以忽略，但是當(dāng)距離加大時，這種影響就會總使高低棱鏡高差檢核達(dá)不到要求。

5.2 觀測距離的影響

GM路線各測段測邊與距離 表3

如表3所示，JS16～GM18這個測段測站最長距離521 m，對于普通全站儀，當(dāng)距離較大時，棱鏡目標(biāo)模糊而微小，觀測員只能靠估讀。根據(jù)精密三角高程測量原理，智能全站儀在二、三等觀測對邊觀測邊長一般在 200 m～500 m，丘陵地區(qū)、山地最長為 1000 m。可見該測段的觀測距離選擇為 521 m，已經(jīng)超出平地智能全站儀觀測限制距離，作業(yè)人員選擇的觀測距離過長，人眼觀測誤差和儀器精度限制使得GM路線第4測段最終算得高差產(chǎn)生了較大的誤差。

JS路線JS17－JS04測段測邊與距離 表4

同理表4所示的JS線路JS17－JS04路段第3個測邊達(dá)到 668 m，可見距離過長對普通全站儀來講是導(dǎo)致精度損失的主要因素。

根據(jù)實驗結(jié)果，在平坦地區(qū)受距離因素制約，使用精密三角高程測量無法充分體現(xiàn)其優(yōu)越性，但是在地形起伏變化較大的山區(qū)和坡度較大的路段，可以考慮精密三角高程測量代替?zhèn)鹘y(tǒng)水準(zhǔn)測量［5］。

5.3 測回數(shù)目的影響

距離越長要求符合條件的測回數(shù)相應(yīng)越要增加，滿足要求的測回數(shù)不足也是導(dǎo)致JS16－GM18路段誤差較大的重要因素。

GM路線JS16－GM18測段測回數(shù) 表5

綜上，實驗表明，保證天氣條件良好穩(wěn)定、保證嚴(yán)格檢核高低棱鏡常數(shù)、保證觀測測回數(shù)充足，保證觀測距離合理，EDM三角高程測量可以滿足精密工程測量要求［7］。

6 結(jié)語

(1)對于普通全站儀，影響數(shù)據(jù)精度的首要因素是距離，因為距離長人眼觀測大多為估測;儀器本身精度情況也有限制;棱鏡與望遠(yuǎn)鏡之間的大氣涌動在長距離也表現(xiàn)明顯，尤其是日出與日落、大風(fēng)、氣溫漸漸升高等天氣影響尤為嚴(yán)重。距離大于 600 m時開始觀測困難，無效數(shù)據(jù)增多，數(shù)據(jù)誤差也相應(yīng)變大。距離較長時為了增加觀測的可靠性，可以定做合適的覘標(biāo)。

(2)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過解算后滿足要求的測回數(shù)目要充足。尤其在遠(yuǎn)距離觀測時，滿足指標(biāo)差和垂直角限差的測回數(shù)目要足夠多，才能保證精度的可靠性。

(3)測站上要嚴(yán)格檢核高低棱鏡常數(shù)。由分析數(shù)據(jù)可知，觀測數(shù)據(jù)計算的高低棱鏡高差與之前測定好的高低棱鏡常數(shù)(本試驗中是 0.117 m與 0.113 m)之間的差值越小越準(zhǔn)。建議差異在 3 mm以內(nèi)，如果超出 3 mm，要重新測量，可以多測一些測回，但是不能少測，否則會影響整體精度，精密三角高程測量如果有一條測邊測錯，那么整個測段都要重新測過，所以保證每個測站上的觀測測回數(shù)目，避免重復(fù)勞動。棱鏡固定框定制的環(huán)節(jié)要使安裝后的兩棱鏡中心線盡量垂直重合。

(4)在天氣條件較差的情況下精密三角高程測量精度和效率同時降低［8］，因此一定要選擇天氣狀況平穩(wěn)，溫度氣壓適宜的時間段進(jìn)行精密三角高程測量。

［1］寧津生，陳俊勇，李德仁等.測繪學(xué)概論［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2008(5).

［2］潘正風(fēng)，楊正堯，程效軍等.數(shù)字測圖原理與方法［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2009(9).

［3］楊敏，陳國世.高精度對向三角高程代替等級水準(zhǔn)測量的可行性研究［J］.地理空間信息，2011(1):131～132.

［4］Karli Watson，Jacob Vibe Hammer等.C－#入門經(jīng)典(第六版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013(6).

［5］昝峰.精密三角高程測量在公路測量中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2011(1):186～187.

［6］李凱，石力，朱清海.應(yīng)用精密三角高程測量替代二等水準(zhǔn)測量［J］.城市勘測，2012(5):89～93.

［7］劉冠蘭，李東宇，丁文宏.精密三角高程測量在寬水域跨河水準(zhǔn)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2010(10):71～74.

［8］孫良宇，潘國盛，康繼波等.淺析一、二等測距三角高程法跨河水準(zhǔn)測量的誤差來源［J］.測繪與空間地理信息，2012(5):179～182.