全站仪自由设站辅助计算程序设计

阳德胜

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东 广州510507）

在工程测量中，需要采集地表上各种形式的目标点坐标，如地形与地籍测量中的碎部点和细部点、变形观测的监测点等，全站仪是一种具备在地面上直接测量目标点三维坐标的功能的常用测量仪器，利用全站仪测量目标点的坐标一般包括两种方法，即定点设站法和自由设站法，其中，定点设站法是普遍采用的测量方法，经过广大测绘工作者的研究和创新，自由设站法也逐步得到推广。邓清军等将全站仪自由设站法应用于数字化测图工作中。张伟、陈子进等将全站仪自由设站法拓展应用于变形观测工作中。王庆等对自由设站法进行了精度分析，得出结论:① 全站仪自由设站的测站点点位精度呈现同心圆等距向外衰减，圆中心在已知点加权平均中心上，半径决定于已知点的精度、数量和分布，与测站的交会角度几乎没有关系；② 全站仪自由设站测量目标点的精度呈现同心圆等距向外衰减，圆中心在已知点加权平均中心上，半径决定于已知点的精度、数量和分布，与测站点的位置几乎无关，且可能高于测站点的精度。定点设站法的外业基本包括:对中、整平、设站（输入测站点坐标、后视点坐标和仪器高）、定向、观测（输入镜站高和编码）。定点设站法观测得到的目标点的坐标通常是工程坐标系中的成果，因此，内业可直接利用。自由设站法的外业基本包括:整平、定向、观测（输入镜站高和编码）。自由设站法观测得到的目标点的坐标一般是测站坐标系中的成果，而测站坐标系不一定与工程坐标系一致，如果不一致，则需要在内业中将测站坐标系中的成果转换为工程坐标系中的成果，然后才能进一步利用。在外业上，自由设站法比定点设站法具有更高的作业效率，主要表现在:自由设站的测站位置可自由选择，更加方便和灵活；自由设站步骤少，不需要对中，也不需要输入测站点坐标、后视点坐标和仪器高，只需要设置测站坐标系，一次性输入测站假定坐标（10 000，10 000，10 000）；在定向前可先行开展观测工作，在观测过程中，经过已知点时顺便进行定向，在内业上，自由设站法比定点设站法较为繁琐，以地形图测量为例，需要逐测站绘图，再逐一平移旋转图形。为了提高自由设站法内业的效率，专门开发了一种辅助计算程序“细部之友”，利用“细部之友”，能够在内业中快速将自由设站法测站坐标系坐标成果自动批量转换为工程坐标系成果，在道路勘测工作中应用在地面数字化测图和路线精细数字地面模型制作以及高边坡变形测量等方面，本文拟介绍全站仪自由设站法辅助计算程序“细部之友”的设计情况。

1 程序设计思路

全站仪自由设站法测量目标点的坐标所定义的平面坐标系为测站假定坐标系，高程系统也是假定的，在观测目标点时，也观测均匀分布在目标点附近的二个或两个以上已知点，那么，在采用自由设站法完成一个测站的观测工作后，观测成果保存在一个数据文件中，其中已知点有分别采用工程坐标系和测站坐标系的两套成果，不同坐标系中的已知点的空间位置关系在一定测量误差范围内是一致的，即分别在测站坐标系中和工程坐标系中，任意两个已知点间的距离和高差是近似相等的，任意不在同一直线上的三个已知点所组成的三角形是近似全等的，利用已知点空间位置关系的相似性，可建立工程坐标系中和测站坐标系中同一已知点的对应关系，从而建立工程坐标系和测站坐标系的转换关系，将同一测站所观测的目标点成果全部由测站坐标系转换为工程坐标系成果，其中，平面坐标转换采用四参数法（即赫尔默特转换法），高程转换采用平均高差改正法。

2 程序主要控件设计

“细部之友”采用VB6.0编程语言进行设计，如图1所示，在主窗体的上方设置了6个“ComboB－ox”控件、2个“OptionButton”控件和2个“Check－Box”控件，分别用于设置计算控制参数、关联方法、数据处理方法以及是否输出坐标转换分析文件，在主窗体的中间位置对称设置了2个“DirListBox”控件和2个“FileListBox”控件，其中，左侧的“DirList－Box”控件用于设置父级细部点数据文件路径，左侧的“FileListBox”控件用于选定父级细部点数据文件，右侧的“DirListBox”控件用于设置子级细部点数据文件路径，右侧的“FileListBox”控件用于选定子级细部点数据文件。

图1 程序主要控件设计

3 程序运行过程和结果

如图2所示。在测量项目文件夹下建立以测量日期命名的文件夹，再在该文件夹下建立“转换后”和“转换前”两个文件夹，将工程坐标系中的已知点成果以数据文件的形式放在“转换后”文件夹中，将测站坐标系的观测成果以数据文件的形式放在“转换前”文件夹中。

准备好数据文件后，先按默认的转换条件进行自动批量转换，如果个别数据文件不能满足默认的转换条件，再重新设置转换条件进行手动转换。转换条件包括:已知点间最短距离条件、边长比对差值条件、高差比对差值条件、允许点位误差条件、允许高程差值误差条件、关联方法条件。其中关联方法包括:自由边关联、自由网关联、受控边关联、受控网关联。边关联指只有两个公共已知点，网关联则多于两个公共已知点，自由关联指观测数据文件中全部测点两两之间均计算边长和高差对照，受控关联则将观测数据文件中经过编码标记的已知点挑选出来计算两两之间的边长和高差对照，显然，受控关联的计算效率高于自由关联，故通常采用受控关联的计算方法，但在外业时必须对已知点进行编码标记，另外，已知点之间的高程差值必须大于高差比对差值的设置值，一般应大于10cm。

图2 程序主界面

程序自动建立已知点在工程坐标系和测站坐标系的对应关系，并自动进行坐标转换。

自动批量转换或手动转换的结果放在“转换后”文件夹里（如图2所示）。

采用手动转换时，会产生图3所示的转换结果，图3中，左上为工程坐标系已知点数据文件，右上为测站坐标系数据文件，左下为转换后的观测数据文件，右下为已知点边长和高差对照信息及精度评定信息，右下的完整信息如图4所示，图3正下方信息栏中还会显示已知点转换的最大点位误差、最大高差误差和最弱边相对精度。

在进行高精度转换时，通常全部采用手动转换方法。

图3 程序运行结果（一）

与定点设站法相比较，每天平均多花费大约10min，利用辅助计算程序“细部之友”将测站坐标系中的观测数据文件全部转换为工程坐标系中的成果，完成坐标转换工作后，后续的内业与定点设站法的内业无异。

图4 程序运行结果（二）

4 结束语

与定点设站法相比较，自由设站法主要有以下技术特点:

1）外业步骤少，效率更高。

2）对已知点通视条件不限制，在等级已知点密度不足的情况下，可以采用网状图形发展下一级控制点，比定点设站法支点更具可靠性，下一级控制点点位选择更加灵活，甚至可用油漆笔画在墙壁上或电线杆上（如果测量地形图，非地表控制点不能保留在地形图图面上）。

3）在地形测量或数字地面模型测量中，图根控制测量在工序上可后于碎步测量，在外业组织安排上更加灵活，并且，在外业中不必频繁输入控制点，观测员压力小，每一测站一般至少测量三个已知点，检核条件多，出错的可能性低，与GPS－RTK配合，技术优势更加突出。

4）目标点的测量精度与全站仪标称精度、镜站对中精度、已知点测量照准精度和镜高测量精度直接相关，可根据需要灵活控制。

5）利用高精度免棱镜全站仪开展运营阶段公路高边坡位移监测，一人一车一机即可快速完成外业，内业可自动化处理。

近五年来，“细部之友”已经在二十多个高速公路勘测项目中得到应用，采用自由设站法，提高作业效率，达到化繁为简的目的，降低劳动强度，取得显著的综合效益。

到目前为止，道路勘测数据处理自动化的研究和开发工作，已经初步建立了道路勘测数据处理自动化技术体系，“细部之友”是其中的一个“小精灵”。如果增加全站仪的通讯功能，使之能将目标点测站坐标系的成果实时发送给镜站电子手簿，从镜站电子手簿中输入镜高，并且在镜站电子手簿中实时完成坐标转换，那么，全站仪自由设站测量目标点坐标的功能就更加完善了。如果对全站仪内置点位放样程序进行优化，能够实现全站仪自由设站法进行点位放样的功能。

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