徕卡全站仪“一步测量法”数据处理系统的设计与实现

庞瑞

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000）

徕卡全站仪“一步测量法”数据处理系统的设计与实现

庞瑞*

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000）

随着高精度全站仪的广泛应用，在大比例尺数字化测图中“一步测量法”被普遍采用，但是“一步测量法”数据处理过程中，需要人为判断平差点才能进行平差计算，而且一个数据文件可能同时存在多个独立的图根控制点网，图根控制点网的布设形式也千差万别，给平差计算增加了很大的难度。为此，采用C#语言开发了一套针对徕卡全站仪数据处理系统，借助其完整的原始观测信息，自动完成从全站仪数据下载，控制网分离，非平差碎部点剔除，到最后成果制表、成图等全部工作。经算例验证，取得较满意成果。

一步测量法；测量平差；控制网提取；碎部点剔除

1　引 言

目前在数字测图中全站仪的应用比较普遍，常规作业方式是先进行控制测量，然后再进行碎部测量。“一步测量法”即在图根导线选点、埋桩以后，图根导线测量和碎部测量同步进行［1～4］。导线闭合差超限时只需重测参与平差的导线点，再对碎部点重算就可重新绘图，提高了外业效率，但内业中平差计算功能还不完善。清华山维公司的“EPSW”软件中具有一步测量数据平差改算的功能，但功能简单，对无需平差的支点上的测站也进行平差。陈元增等对其进行了改进，通过手动输入图根点和碎部点编号避免了多余的平差，并将无定向导线平差应用于一步测量，但不能完成平差点的自动识别，也没有未考虑多个控制网的情况［5，6］。得益于徕卡全站仪中记录中完整的原始观测数据，本系统实现了从原始文件中进行多种形式控制网的自动分离以及非平差碎部点的自动剔除，碎部点数据自动改化［7］等功能，并输出详细平差结果。

2　关键技术

系统在进行平差计算时把高程网和平面网分开处理，平差模型采用编程较为容易实现的间接平差，高程平差以高程观测值为观测值，平面平差以水平方向值和水平距离为观测值。相比于按角度平差的近似平差方法，采取严密的且数据结构更简单的方向平差［8，9］。

2.1控制网自动分离

由于“一步测量法”中一个数据文件中可能包含多个控制网，如果能自动进行控制网的分离，就能降低劳动强度以及出错率，提高内业处理的效率。常规的控制网分离方法是从一个有观测值的点出发，将有观测值连接的点加入这个控制网，如此反复，直到没有出现新加入点为止。这种方法虽然能有效分离出控制网，但对后续的平差计算没有任何简化作用。本文采用计算测点的假设坐标的方式进行控制网的分离，若某个点属于某个控制网，则这个点的近似坐标必须能被计算出来。如果在分离控制网的同时就建立平差数据结构，把近似坐标计算出来，不仅为后续平差计算提供了起算基础，也提高了运行效率。考虑到控制网中可能存在控制点不相邻的情况，任取两个相邻点，并假设这两个点的坐标，通过导线或其他交会方式循环计算其他点的假设坐标，所有具有假设坐标的点保存为一个控制网。从剩余的点里再任取两个相邻点，重复上述操作，直到没有新的近似坐标被计算，即完成了整个控制网的分离。

主要步骤如下:

（1）已知点添加伪观测值

为了能够正确地计算出已知点的假设坐标，需要为相连的已知点添加伪观测值。如对支导线而言，如果假设坐标在未知点上，则其定向作用的已知点的假设坐标就无法计算。对于网内插点的前方交会或者后方交会无论假设哪两个点的坐标，都无法计算其他已知点的假设坐标。这时需要引入一个伪观测值概念，即为相邻的已知点添加伪观测值，保证已知点的假设坐标能够计算。

（2）找两个相邻假设点，并假设这两点坐标

遍历所有测点，如果存在一个具有距离和方向观测值的方向，就选取这两个点作为起算点。如果不存在，说明不是导线控制网，或是导线网已被分离，寻找一个有距离观测值的方向，假设一个方位角，以假设的方位角和距离观测值作为起算数据。如果还不存在，寻找一个方向观测值的方向，假设一个距离作为起算数据，这种情况多为测角网，归化到已知点时还需要进行必要缩放操作。

（3）网中其他点的假设坐标计算

有了两个相邻的假设点后，就可以按照导线方式、前方交会方式或者后方交会方式计算其他网点的假设坐标了。从计算精度来说，导线计算方式的计算精度最高，其次是前方交会。因此，在计算网中其他点的假设坐标时，应该先按照导线方式计算全部能计算的点，不能计算点才依次采用前方交会方式和后方交会方式的计算方式。

具体流程如图1所示:

图1　控制网分离

为实现上述功能，需设计如下数据结构［10］:

首先从全站仪数据中获取以测站为单位的原始观测数据，其数据结构由测站、测站方向组成。对原始数据进行预处理，得到以测点为单位的控制网平差数据，其数据结构为测点、设站、设站方向、以及已知点数据组成。其中一个控制网包含多个测点，一个测点包含多个设站，一个设站包含多个方向。预处理过程主要包括同测点设站合并，已知点添加伪观测值，设置平差选项以及限差等操作。

控制网平差数据ControlNetworkData是由多个测点数据、已知数据、以及各种平差选项组成，已知数据包含了已知点坐标和高程，平差选项保存了仪器的标称精度，采用字典的形式建立控制网数据规定整个控制网平差过程中不能存在相同的点名，以加快搜索效率。

一个测点MeasurePoint由多个设站数据，点名，ID，测点类型，伪方向观测值和被观测值组成。野外作业时，一个测点可能多次设站，所以把设站作为测点的数据集合［11］，方便对设站进行合并。测点的ID字段是用来给参与平差的未知点编号，标识未知数在法方程系数中的位置。测点类型分为已知点、未知点和非平差点（只含有两个必要观测值的点）。设置伪观测值字段，保证添加的已知点伪观测值不参与平差计算。

在搜索哪些点观测本点的时候，需要遍历测点，寻找对本点的观测值，这种搜索方法较慢。如果在测点搜索观测值时，引入被观测值概念，在本点观测其他点为本点的观测值，从其他点观测本点为本点的被观测值。直接将本点对其他点的观测值加入到其他点的被观测值中，就能一个测点中既保存了本点对其他点的观测值，又保存了其他点对本点的观测值，提高了搜索效率。

每个设站数据SetStation包括了多个设站方向数据和定向角。设置定向角id_OrientationAngle字段用于给法方程中定向角未知数的编号，同时也能区分该设站是否存在伪观测值，如果为伪观测值，定向角值为-1。实际测量中某设站到其观测点，只能有一个方向数据，出现新观测值将替换掉旧观测值，故采用字典数据结构组织设站，使得点名和方向数据进行一一对应。

设站方向数据Orientation包括点名，水平方向值，水平距离，高差，使用距离，使用方位，使用高差。观测值是否使用代表求解近似坐标时是否使用，如果使用，则说明该观测值为必要观测值，如果未使用，且该观测值又参与平差，则说明该观测值为多余观测，可通过与反算观测值比较来进行粗差探测，也能和必要观测值构成闭合环进行精度检验。

得到假设坐标后，还需要进行从假设坐标到近似坐标的转化。先通过网中已知点的已知坐标和假设坐标，计算出平移、旋转和缩放的参数，再对假设坐标进行平移、旋转和缩放处理，就可以获得控制网中各点的近似坐标。由于这种平差方式不局限于起算点为相邻的两个已知点，故有较广泛的应用，如无定向导线等。

2.2非平差碎部点自动剔除

一步测量控制网中包含了大量测点数据，但是绝大多数测点都不用进行平差，通常需要人为判定参与平差的图根点以及加密的测站点，再对控制网进行平差。本文通过对测点之间观测值进行分析和判断，实现了非平差碎部的自动识别点，减少了人工干预，提高了作业效率。

首先分析每个测点到其他测点的观测数据，通过观测值将各测点联系起来。遍历每一个测点的所有观测方向，被观测点增加该测站点的被观测值。所有测点搜索完毕，就可以确定整个导线网所有测点的观测值和被观测值。然后统计每点的观测值数和被观测值数，对于相互观测方向值，由于方向平差增加了定向角未知数，不增加观测值数，相互观测的距离值相当于重复观测，也不增加观测值数。由于采用了字典数据结构组织设站，不可能存在测点对其观测点重复观测的情况，在忽略非平差点观测值的情况下，相关观测值数（同时包含观测值和被观测值）大于2个的测点说明有多余观测，需要参与平差计算。接着进行碎部点自动判定，遍历导线网中所有测点，如果该测点非已知点，相关观测值数仅有2个，则被判定为碎部点，不参与平差。忽略该点的所有相关观测值，循环查找仅有2个相关观测值数的点，直到不存在时，剩余点都为平差点。这种判定方法不仅可以剔除碎部点，也能剔除不参与平差的加密测站。如图2所示支导线，第一次搜索仅含有两个相关观测值的点，找到b，c，e，g，判断为碎部点。剔除碎部点，并忽略非平差碎部点的所有相关观测值，再次进行搜索，f被判定为碎部点，循环搜索可判定a，d也为碎部点，从而得出该支导线不存在平差点，判定结果与实际相符。

图2　碎部点判定

3　算例分析

用徕卡全站仪数据管理软件可以导出IDX或GSI测量格式的数据，这两种数据格式都包含了丰富的原始测量信息。GSI格式数据自实现Mask3接口以后，除了能获取水平角，垂直角，斜距等原始观测数据，还能获取定向测站等测量数据，与复杂的IDX数据相比，更直观地实现原始测量信息的提取和错误的探测。采用原始观测数据来进行平差计算，而不使用全站仪计算的坐标作为平差的概略坐标，给控制网平差提供了可靠的保证，同时也减小误差的积累，降低了出错的可能性。

3.1方案设计

采用徕卡TS02-7″全站仪，运用“一步测量法“观测两个控制网，其中一个控制网中包含多个闭合环，如图3所示。

图3　控制网示意图

3.2平差结果

将实现Mask3接口的原始观测数据和已知点数据GSI文件导入系统中，选择平差的网形，经平差计算后得到如下结果:

高程网平差精度　表1

平面网平差精度　表2

平差点输出　表3

平差坐标成果　表4

从平差结果中可以看出，从GSI文件中有效地实现了控制网分离及非平差碎部点的剔除，并进行了坐标计算和精度评定。

4　结 论

本数据处理系统通过对徕卡全站仪完整的原始观测信息进行分析的提取，构建合理的数据结构，采用严密的方向平差，自动完成各种图根控制点网的分离及非平差碎部点剔除工作，并进行精度分析与平差坐标成果的输出。界面友好，操作简单，真正实现了平差计算的自动化，方便了生产单位工作，简化了工作流程，为灵活多变的“一步测量法”的实现提供了可靠的保证。

［1］文小岳，施永胜，孙鸿睿等.大比例尺数字化测图中图根控制和数据采集一体化的有关问题探讨［J］.测绘通报，2006（1）：8～10.

［2］潘正风.数字测图原理与方法［M］.武汉：武汉大学出版社，2009.

［3］高建伟，宣伟.大比例尺数字测图中“一步测量法”的优化及应用［J］.城市勘测，2015（2）：115～118.

［4］杜浩，袁志新，邹学海.浅析“一步测量法”.淮海工学院学报·自然科学版，2009（S1）：82～84.

［5］陈元增，谢衍忆.数字测图中“无定向一步测量”平差程序的设计［C］.中国测绘学会第七次全国会员代表大会论文集［A］.2001：166～170.

［6］王礼华，郑红艳.施工测量中导线控制与碎部测量同步进行的数据处理［J］.现代测绘，2007（2）：21～22.

［7］武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础［M］.武汉：武汉大学出版社，2009.

［8］索利斯.C#图解教程（第4版）［M］.北京：人民邮电出版社，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

庞瑞（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为测量数据统计与分析。