徠卡全站儀“一步測量法”數據處理系統的設計與實現

龐瑞

（江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000）

徠卡全站儀“一步測量法”數據處理系統的設計與實現

龐瑞*

（江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000）

隨著高精度全站儀的廣泛應用，在大比例尺數字化測圖中“一步測量法”被普遍采用，但是“一步測量法”數據處理過程中，需要人為判斷平差點才能進行平差計算，而且一個數據文件可能同時存在多個獨立的圖根控制點網，圖根控制點網的布設形式也千差萬別，給平差計算增加了很大的難度。為此，采用C#語言開發了一套針對徠卡全站儀數據處理系統，借助其完整的原始觀測信息，自動完成從全站儀數據下載，控制網分離，非平差碎部點剔除，到最后成果制表、成圖等全部工作。經算例驗證，取得較滿意成果。

一步測量法；測量平差；控制網提取；碎部點剔除

1　引 言

目前在數字測圖中全站儀的應用比較普遍，常規作業方式是先進行控制測量，然后再進行碎部測量。“一步測量法”即在圖根導線選點、埋樁以后，圖根導線測量和碎部測量同步進行［1～4］。導線閉合差超限時只需重測參與平差的導線點，再對碎部點重算就可重新繪圖，提高了外業效率，但內業中平差計算功能還不完善。清華山維公司的“EPSW”軟件中具有一步測量數據平差改算的功能，但功能簡單，對無需平差的支點上的測站也進行平差。陳元增等對其進行了改進，通過手動輸入圖根點和碎部點編號避免了多余的平差，并將無定向導線平差應用于一步測量，但不能完成平差點的自動識別，也沒有未考慮多個控制網的情況［5，6］。得益于徠卡全站儀中記錄中完整的原始觀測數據，本系統實現了從原始文件中進行多種形式控制網的自動分離以及非平差碎部點的自動剔除，碎部點數據自動改化［7］等功能，并輸出詳細平差結果。

2　關鍵技術

系統在進行平差計算時把高程網和平面網分開處理，平差模型采用編程較為容易實現的間接平差，高程平差以高程觀測值為觀測值，平面平差以水平方向值和水平距離為觀測值。相比于按角度平差的近似平差方法，采取嚴密的且數據結構更簡單的方向平差［8，9］。

2.1控制網自動分離

由于“一步測量法”中一個數據文件中可能包含多個控制網，如果能自動進行控制網的分離，就能降低勞動強度以及出錯率，提高內業處理的效率。常規的控制網分離方法是從一個有觀測值的點出發，將有觀測值連接的點加入這個控制網，如此反復，直到沒有出現新加入點為止。這種方法雖然能有效分離出控制網，但對后續的平差計算沒有任何簡化作用。本文采用計算測點的假設坐標的方式進行控制網的分離，若某個點屬于某個控制網，則這個點的近似坐標必須能被計算出來。如果在分離控制網的同時就建立平差數據結構，把近似坐標計算出來，不僅為后續平差計算提供了起算基礎，也提高了運行效率。考慮到控制網中可能存在控制點不相鄰的情況，任取兩個相鄰點，并假設這兩個點的坐標，通過導線或其他交會方式循環計算其他點的假設坐標，所有具有假設坐標的點保存為一個控制網。從剩余的點里再任取兩個相鄰點，重復上述操作，直到沒有新的近似坐標被計算，即完成了整個控制網的分離。

主要步驟如下:

（1）已知點添加偽觀測值

為了能夠正確地計算出已知點的假設坐標，需要為相連的已知點添加偽觀測值。如對支導線而言，如果假設坐標在未知點上，則其定向作用的已知點的假設坐標就無法計算。對于網內插點的前方交會或者后方交會無論假設哪兩個點的坐標，都無法計算其他已知點的假設坐標。這時需要引入一個偽觀測值概念，即為相鄰的已知點添加偽觀測值，保證已知點的假設坐標能夠計算。

（2）找兩個相鄰假設點，并假設這兩點坐標

遍歷所有測點，如果存在一個具有距離和方向觀測值的方向，就選取這兩個點作為起算點。如果不存在，說明不是導線控制網，或是導線網已被分離，尋找一個有距離觀測值的方向，假設一個方位角，以假設的方位角和距離觀測值作為起算數據。如果還不存在，尋找一個方向觀測值的方向，假設一個距離作為起算數據，這種情況多為測角網，歸化到已知點時還需要進行必要縮放操作。

（3）網中其他點的假設坐標計算

有了兩個相鄰的假設點后，就可以按照導線方式、前方交會方式或者后方交會方式計算其他網點的假設坐標了。從計算精度來說，導線計算方式的計算精度最高，其次是前方交會。因此，在計算網中其他點的假設坐標時，應該先按照導線方式計算全部能計算的點，不能計算點才依次采用前方交會方式和后方交會方式的計算方式。

具體流程如圖1所示:

圖1　控制網分離

為實現上述功能，需設計如下數據結構［10］:

首先從全站儀數據中獲取以測站為單位的原始觀測數據，其數據結構由測站、測站方向組成。對原始數據進行預處理，得到以測點為單位的控制網平差數據，其數據結構為測點、設站、設站方向、以及已知點數據組成。其中一個控制網包含多個測點，一個測點包含多個設站，一個設站包含多個方向。預處理過程主要包括同測點設站合并，已知點添加偽觀測值，設置平差選項以及限差等操作。

控制網平差數據ControlNetworkData是由多個測點數據、已知數據、以及各種平差選項組成，已知數據包含了已知點坐標和高程，平差選項保存了儀器的標稱精度，采用字典的形式建立控制網數據規定整個控制網平差過程中不能存在相同的點名，以加快搜索效率。

一個測點MeasurePoint由多個設站數據，點名，ID，測點類型，偽方向觀測值和被觀測值組成。野外作業時，一個測點可能多次設站，所以把設站作為測點的數據集合［11］，方便對設站進行合并。測點的ID字段是用來給參與平差的未知點編號，標識未知數在法方程系數中的位置。測點類型分為已知點、未知點和非平差點（只含有兩個必要觀測值的點）。設置偽觀測值字段，保證添加的已知點偽觀測值不參與平差計算。

在搜索哪些點觀測本點的時候，需要遍歷測點，尋找對本點的觀測值，這種搜索方法較慢。如果在測點搜索觀測值時，引入被觀測值概念，在本點觀測其他點為本點的觀測值，從其他點觀測本點為本點的被觀測值。直接將本點對其他點的觀測值加入到其他點的被觀測值中，就能一個測點中既保存了本點對其他點的觀測值，又保存了其他點對本點的觀測值，提高了搜索效率。

每個設站數據SetStation包括了多個設站方向數據和定向角。設置定向角id_OrientationAngle字段用于給法方程中定向角未知數的編號，同時也能區分該設站是否存在偽觀測值，如果為偽觀測值，定向角值為-1。實際測量中某設站到其觀測點，只能有一個方向數據，出現新觀測值將替換掉舊觀測值，故采用字典數據結構組織設站，使得點名和方向數據進行一一對應。

設站方向數據Orientation包括點名，水平方向值，水平距離，高差，使用距離，使用方位，使用高差。觀測值是否使用代表求解近似坐標時是否使用，如果使用，則說明該觀測值為必要觀測值，如果未使用，且該觀測值又參與平差，則說明該觀測值為多余觀測，可通過與反算觀測值比較來進行粗差探測，也能和必要觀測值構成閉合環進行精度檢驗。

得到假設坐標后，還需要進行從假設坐標到近似坐標的轉化。先通過網中已知點的已知坐標和假設坐標，計算出平移、旋轉和縮放的參數，再對假設坐標進行平移、旋轉和縮放處理，就可以獲得控制網中各點的近似坐標。由于這種平差方式不局限于起算點為相鄰的兩個已知點，故有較廣泛的應用，如無定向導線等。

2.2非平差碎部點自動剔除

一步測量控制網中包含了大量測點數據，但是絕大多數測點都不用進行平差，通常需要人為判定參與平差的圖根點以及加密的測站點，再對控制網進行平差。本文通過對測點之間觀測值進行分析和判斷，實現了非平差碎部的自動識別點，減少了人工干預，提高了作業效率。

首先分析每個測點到其他測點的觀測數據，通過觀測值將各測點聯系起來。遍歷每一個測點的所有觀測方向，被觀測點增加該測站點的被觀測值。所有測點搜索完畢，就可以確定整個導線網所有測點的觀測值和被觀測值。然后統計每點的觀測值數和被觀測值數，對于相互觀測方向值，由于方向平差增加了定向角未知數，不增加觀測值數，相互觀測的距離值相當于重復觀測，也不增加觀測值數。由于采用了字典數據結構組織設站，不可能存在測點對其觀測點重復觀測的情況，在忽略非平差點觀測值的情況下，相關觀測值數（同時包含觀測值和被觀測值）大于2個的測點說明有多余觀測，需要參與平差計算。接著進行碎部點自動判定，遍歷導線網中所有測點，如果該測點非已知點，相關觀測值數僅有2個，則被判定為碎部點，不參與平差。忽略該點的所有相關觀測值，循環查找僅有2個相關觀測值數的點，直到不存在時，剩余點都為平差點。這種判定方法不僅可以剔除碎部點，也能剔除不參與平差的加密測站。如圖2所示支導線，第一次搜索僅含有兩個相關觀測值的點，找到b，c，e，g，判斷為碎部點。剔除碎部點，并忽略非平差碎部點的所有相關觀測值，再次進行搜索，f被判定為碎部點，循環搜索可判定a，d也為碎部點，從而得出該支導線不存在平差點，判定結果與實際相符。

圖2　碎部點判定

3　算例分析

用徠卡全站儀數據管理軟件可以導出IDX或GSI測量格式的數據，這兩種數據格式都包含了豐富的原始測量信息。GSI格式數據自實現Mask3接口以后，除了能獲取水平角，垂直角，斜距等原始觀測數據，還能獲取定向測站等測量數據，與復雜的IDX數據相比，更直觀地實現原始測量信息的提取和錯誤的探測。采用原始觀測數據來進行平差計算，而不使用全站儀計算的坐標作為平差的概略坐標，給控制網平差提供了可靠的保證，同時也減小誤差的積累，降低了出錯的可能性。

3.1方案設計

采用徠卡TS02-7″全站儀，運用“一步測量法“觀測兩個控制網，其中一個控制網中包含多個閉合環，如圖3所示。

圖3　控制網示意圖

3.2平差結果

將實現Mask3接口的原始觀測數據和已知點數據GSI文件導入系統中，選擇平差的網形，經平差計算后得到如下結果:

高程網平差精度　表1

平面網平差精度　表2

平差點輸出　表3

平差坐標成果　表4

從平差結果中可以看出，從GSI文件中有效地實現了控制網分離及非平差碎部點的剔除，并進行了坐標計算和精度評定。

4　結 論

本數據處理系統通過對徠卡全站儀完整的原始觀測信息進行分析的提取，構建合理的數據結構，采用嚴密的方向平差，自動完成各種圖根控制點網的分離及非平差碎部點剔除工作，并進行精度分析與平差坐標成果的輸出。界面友好，操作簡單，真正實現了平差計算的自動化，方便了生產單位工作，簡化了工作流程，為靈活多變的“一步測量法”的實現提供了可靠的保證。

［1］文小岳，施永勝，孫鴻睿等.大比例尺數字化測圖中圖根控制和數據采集一體化的有關問題探討［J］.測繪通報，2006（1）：8～10.

［2］潘正風.數字測圖原理與方法［M］.武漢：武漢大學出版社，2009.

［3］高建偉，宣偉.大比例尺數字測圖中“一步測量法”的優化及應用［J］.城市勘測，2015（2）：115～118.

［4］杜浩，袁志新，鄒學海.淺析“一步測量法”.淮海工學院學報·自然科學版，2009（S1）：82～84.

［5］陳元增，謝衍憶.數字測圖中“無定向一步測量”平差程序的設計［C］.中國測繪學會第七次全國會員代表大會論文集［A］.2001：166～170.

［6］王禮華，鄭紅艷.施工測量中導線控制與碎部測量同步進行的數據處理［J］.現代測繪，2007（2）：21～22.

［7］武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎［M］.武漢：武漢大學出版社，2009.

［8］索利斯.C#圖解教程（第4版）［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

The Design and Realization of Data Processing System in“One Step Measurement”of Leica Total Station

Pang Rui
（Jaingxi University of Science and Technology School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Ganzhou 341000，China）

With the widespread uses of high-precision total stations，“One Step Measurement”is widely used in large scale Digital Mapping.However，the data process of“One Step Measurement”requires human judgment，and a data file may contain multiple independent mapping control network.Thus making the survey adjustment much more difficult. For this reason，a data processing system using C#language for Leica Total Station is developed，with the help of full original observation information，the system can automatically achieve the work of downloading data from the total station，separating of control network，exclusion of the non-adjustment detail point and displaying the result in Chart.During calculating the example，a satisfactory result is obtained.

one step measurement；survey adjustment；control network extraction；exclusion of detail point

1672-8262（2016）04-146-04

P209

B

2016—04—17

龐瑞（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為測量數據統計與分析。