野外数字测量的新方法.pdf

2 0 0 8 年第 5 期 0 引言 数字化测图与传统的白纸测图相比野外作业 过程基本相同， 都是先控制测量， 后碎步测量， 先 整体后局部。碎步测量都是在图根点设站， 地形、 地物特征点都要跑点或立镜， 但是数字化测图中， 测绘仪器及内业处理手段先进，在某些测量方法 上有一些改进， 工作效率高。 本文重点介绍一种数 字化测图中数据采集的特点及测量方法。 1 控制测量数据采集［１，２］ 大比例尺地面数字测图的控制与传统的白纸 测量控制相比有其明显的不同 （1 ）打破了分级布网、 逐级控制的原则， 一般 一个测区一次性整体布网、 整体平差， 所需的少量 已知控制点可以用 G P S 确定。这就保证了测区各 控制点精度比较均匀。 （2 ）由于目前与大比例尺数字测图系统相匹 配的都有一套地面控制数字测量数据采集与处理 一体化系统，如武汉科技大学和武汉瑞得测绘自 动化公司联合研制的 （C O S A ） 系统， E P S W的控制 测量数据采集系统 （N A S E W ） 等， 从而使得地面控 制测量的数据采集、 预处理、 平差、 精度评定及分 析、成果输出与管理等全部实现了一体化和自动 化。控制网的网形可以任意混合， 如测边网、 测角 网、 导线网、 线形锁、 多边形等。 （3 ）测区控制点的密度与传统白纸测图相比 可以大大减少，图根控制的加密可以与碎步测量 同步进行， 随时应用自由设站法或导线法 （外业电 子手簿包括图根控制加密程序 ） 进行加密。 1 . 1 自由设站法 自由设站是大比例尺地面测图常用的建立测 站的一种方法，使用全站仪及具有设站程序功能 的电子手簿，在一个未知坐标的测站上 2 5 个控 制点进行方向和距离观测，便可自动计算出测站 点的坐标， 接着即进行地形点的测量工作。 自由设 站的优点在于 自由设站要求的控制点数目少， 设 站基本不受图形限制；自由设站的平面坐标按间 接平差计算， 具有较高的平面坐标精度， 其高程可 按测距三角高程测量方法求得。 设在一个自由设站点 p上观测了 N个控制 点 （观测方向数受电子手簿提供的程序限制， 一般 不超过 5 个方向 ） ， 根据观测值 （方向值及距离 ） 和 控制点坐标先计算出设站点 P 的近似坐标，然后 列出方向和边长的误差方程式， 再组成法方程， 结 算法方程式， 计算坐标。 进行自由设站时，根据连测控制点数目的不 同，分为三种情况一是用方向和距离两个控制 点； 二是用方向连测三个控制点； 三是用多余观测 进行自由设站， 如图 1 所示。 只连测三个控制点的 方向进行自由设站和通常的后方交会相同，没有 多余观测和检查条件， 一般不宜采用。 图 1 自由设站法示意图 1 . 2 一步测量法 在电子平板测图中提出了图根控制与碎步测 量同步进行的测量方法， 称为 “一步测量法” 。 在一个测站上， 先测导线的数据 （角度、 边长 能 源 技 术 与 管 理 野外数字化测图的一种新方法 孙海山， 孟爱国 （呼伦贝尔学院 工程分院， 内蒙古 呼伦贝尔 0 2 1 0 0 8 ） ［摘要］数字化测图是现在地形图测绘广泛推广的一种测量新技术， 其过程包括野外测量 数据采集和内业计算机成图两部分。 主要根据数字化测图的原理，就野外控制测量 和碎步测量数据的采集方法做了比较全面的说明， 对数字化测图的推广应用具有 一定的理论指导意义和实用价值。 ［关键词］数字化测图；控制测量；碎步测量 ［中图分类号］P 2 3 1 . 5 ［文献标识码］B［文章编号］1 6 7 2 蛳9 9 4 3 2 0 0 8 0 5 蛳0 1 1 8 蛳0 3 118 2 0 0 8 年第 5 期孙海山， 等野外数字化测图的一种新方法 等 ） 紧接着在该测站进行碎步测量。 一步测量法也 同时满足现场实时成图的需要， 如图 2 所示。 图 2 一步测量法示意图 现以附和导线为例加以说明。 图 2 中 J , K , Q , T 为已知点， m , n , o , p为图根点， 1 ， 2 ， 3 为碎步点， 其作业步骤如下 （1 ）全站仪安置在 K点（已知坐标 ） ，后视 J 点， 前视 m点， 测水平角 βk及前视天顶距、 斜距和 站标高。 由 k 点坐标即可算得 m点的坐标 （x m， ym， z m） 。 （2 ）仪器不动， 后视 J 点作零方向， 施测 K测 站周围的碎步点 1 、 2 、 3 ， 并根据 K点坐标， 算得 各碎步点的坐标。 根据碎步点的坐标、 编码及连接 信息， 显示屏上实时展绘碎步点并连接成图。 （3 ）仪器搬至 m点，此测站点坐标已知 （x m， y m， zm） ， 后视 k 点， 测得水平角及前视天顶距、 斜距 和站标高， 可算得 n 点坐标 （x n， yn， zn） ， 紧接着后视 k 点做为零方向， 进行本站的碎步测量， 如施测碎 步点 8 ， 9 ， 1 0 ， 并根据 m点的坐标， 算得各碎步 点的坐标， 实时展绘碎步点成图。同理， 依次测得 各导线点和碎步点坐标。一步测量法的步骤归结 为 先在已知坐标的控制点上设测站， 在该测站上 先测出下一导线点 （图根点） 的坐标， 然后再施测 本测站的碎步点坐标， 并可实时展点绘图。 搬到下 一测站， 其坐标已知， 测出下一导线点的坐标， 再 测本站碎步点。 （4 ）待导线点测到 p 测站， 可测得 Q点坐标， 记作 Q点。Q坐标与 Q点已知坐标之差， 即为该 附和导线的闭合差。 若闭合差在限差范围之内， 则 可平差计算出各导线点的坐标。 为提高测图精度， 可根据平差后的坐标值，重新计算各碎步点的坐 标， 然后再显示成图。若闭合差超限， 则想办法找 出导线错误之处， 返工重测， 直到闭合为止。但这 个返工工作量仅限于图根点的返工，而碎步点原 始测量的数据仍可以用， 重算碎步点坐标即可。 一步测量法对图根控制测量少设一次站， 少 跑一遍路， 提高外业效率是明显的， 但它只适合于 数字测图。 白纸测图时， 必须先计算出图根控制点 的坐标， 并展绘到图纸上。因为在现场， 要根据它 才能展绘碎步点成图。 如果导线点位置错了， 本站 所展的碎步点图就全部错了。 一旦画错， 要全部返 工， 这个工作量太大。数字测图则不然， 导线闭合 差超限， 只需要测导线错误处， 且全站仪数字测图 出错的可能性很小，因而在数字测图中采用一步 测量法是合适的。 2 碎步测量数据采集［１，３］ 大比例尺地面数字化测图与白纸测图相比， 在碎步测量方面有以下特点 （1 ）白纸测图通常是在野外直接成图，除在 1 ∶5 0 0 的地形图上对重要建筑物轮廓点注记坐标 外， 其余碎步点坐标是不保留的。 外业工作除观测 数据外， 地形图的现场绘制、 清绘工作量也很重。 数字测图的外业工作是记录观测数据或计算坐 标。在记录中，点的编号和编码是不可缺少的信 息，编码的记录可在观测时输入记录器或在内业 根据草图输入。数字测图对于数据的纪录要有一 定的格式， 这种格式应能被数字测图软件所识别， 能和数据库的建立统一起来。 （2 ）数字测图中，电子记录器多数具有测站 点坐标的计算功能， 可进行自由设站。 同时测距仪 在几百米距离内精度较高， 可达 1 c m ， 因此， 一般 地形图根点的密度相对于白纸测图的要求可减 少。 （3 ）碎步测量时不受图幅边界的限制，外业 不在分幅作业，内业图形生成时由软件根据内业 图幅分幅表及坐标范围自动进行分幅和接边处 理。 （4 ）白纸测图时在图根加密后进行碎步测 量。数字测图的碎步测量可在图根控制加密后进 行， 也可和图根控制点观测同时进行， 然后在内业 计算图根点坐标后再进行碎步点坐标计算。 （5 ）数字测图由数控绘图机绘制地形图， 所 有的地形轮廓点都要有坐标才能绘出地物的轮廓 线来。对必须表示的细部地貌也要按时测地貌点 才能绘出。因此数字测量直接测量地形点的数目 比白纸测图会有所增加。 2 . 1 碎步测量的步骤 （1 ）测站设置与检核。测站设置即安置仪器， 包括对中、 整平、 定向， 如果是全站仪的话， 要输入 测站点的坐标， 高程和仪器高等。 有的测图软件本 身具有测站设置的功能，要求用户在对话窗中输 入测站点号、 后视点号以及安置仪器的高度， 由程 119 2 0 0 8 年第 5 期 （上接第115页） 由上图可得在采动影响下煤柱垂直应力提 高， 煤柱边缘煤体逐渐破坏， 形成应力降低区， 垂 直应力升高区向煤柱内部转移，煤柱中央垂直应 力与原岩应力相近。 4 结语 由以上模拟试验结果可知，有限差分数值计 算软件 F L A C ， 功能非常强大， 模拟切合实际。它 可以模拟岩层的非线性和大变形，同时有界面单 元模拟岩层层理， 锚杆、 梁、 柱单元模拟支护体， 是 一种性能优越的数值计算软件。 通过 F L A C的数值模拟，可比较全面地了解 到煤柱尺寸对巷道围岩变形和破坏的影响，及不 同的煤柱宽高对煤柱稳定性的影响，为矿井的井 下安全施工，安全生产和经济效益提高提供了可 靠的理论指导。 ［参 考 文 献］ ［1 ］刘波, 韩彦辉. F L A C原理、 实例与应用指南 ［M ］ . 北京 人民交通出版社, 2 0 0 5 . ［2 ］张顶力. 综放工作面围岩结构分析［J ］ . 岩土力学与工 程学报， 1 9 9 7 ,（4 ） . ［3 ］吴健, 陆明心, 张勇, 等. 综放工作面围岩应力分布的实 验研究 ［J ］ . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 2 , 1 . ［4 ］杨新安, 黄宏伟, 丁全录. F L A C程序及其在隧道工程 中的应用 ［J ］ . 上海铁道大学学报, 1 9 9 6 , 4 . ［作者简介］ 张念超 （1 9 8 5 - ） ， 男， 山东日照人， 中国矿业大学采矿 专业在读本科生， 获得过国家奖学金。 ［ 收稿日期2 0 0 8 - 0 4 - 1 5］ 序自动提取测站点及后视点的坐标并反算后视方 向的方位角。 为确保设站正确， 必须要选择其它已 知点做检核， 不通过检核不能继续测量。 （2 ）碎步测量。地面数字测图最常用的方法 是极坐标法， 分别观测碎步点的方向值， 垂直角、 斜距、 给出镜高 （对全站仪来讲， 可直接显示出碎 步点的坐标） ， 此时用户输入点号和编码后， 数据 可直接存储在全站仪的 p c 卡中或记录到点子手 簿等记录器中。 2 . 2 碎步点测量方法与坐标计算 数字测图由绘图仪绘制地形图，需要绘制的 地物轮廓其特征点必须有坐标，但是由于受到地 形和通视条件的限制，实际测量中将有部分点不 能用仪器在测站点上直接进行观测，因此碎步点 测量除主要采用极坐标法外，还要采用其他一些 测量方法测定碎步点的坐标， 最常见的方法是 视 距法、 延长量变法、 垂直量变法、 垂足法、 直线方向 交会法， 直线距离交会法、 两点前方交会法、 后方 交会法等方法。无论采用何种方法都有现成的计 算软件， 测量后立即结算出坐标， 如果使用电子平 板则可实时展点绘图。 3 外业作业人员的组织 外业作业是对数字测图而言，着重指碎步测 量及其人员组织。 （1 ）测记法施测时， 作业人员一般配置为 观 测员 1 人， 记录员 1 人， 草图员 1 人， 跑尺员 1 2 人。 （2 ）电子平板法施测时，作业人员一般配置 为 观测员 1 人， 电子平板操作人员 1 人 （记录与 成图 ） ， 跑尺员 1 2 人。 特殊情况下，外业作业组最少人员配置为 2 人， 1 个观测员， 还负责操作电子平板， 一个跑尺 员。只要电子平板配置的测图软件所提供的操作 十分方便， 而且操作人员对它的操作又很熟练， 这 个方案是可以实现的。 用电子平板进行野外数字化测图，从人员组 织到各种测量方法的自动结算和现场自动成图， 真正做到内外业一体化，测图的质量和效益都将 超过传统的人工白纸测图，是今后测绘大比例尺 地形图的重点发展方向。 ［参 考 文 献］ ［1 ］杨德麟， 等. 大比例尺数字测图原理及应用 ［M ］ . 北京 清华大学出版社， 1 9 9 8 . ［2 ］宋其有. 数字地籍测量 ［M ］ . 北京 测绘出版社， 1 9 9 5 . ［3 ］杜明义， 等. 计算机绘图原理及应用 ［J ］ . 北京 科学教 育出版社， 2 0 0 0 . ［作者简介］ 孙海山 （1 9 6 1 - ） ， 男， 副教授， 高级工程师， 1 9 8 3年毕 业于阜新矿业学院， 现在呼伦贝尔学院工程分院主要从事 工程测量教学和研究工作。 ［ 收稿日期2 0 0 8 - 0 4 - 1 5］ 能 源 技 术 与 管 理120