全站仪遥控测图系统的设计与实现

蒲朝旭，余代俊，郑平元

(成都理工大学现代工程测量技术及应用研究所，四川 成都 610059)

1 引 言

地形图测绘是地理信息数据建立及工程建设中的一项重要工作，其测图方法经历了从模拟测图到数字测图两个阶段，目前的数字测图主要有全站仪数字化测图、GPS数字化测图等。传统的全站仪数字化测图的工作模式[1～4]一般是(2人～3人)：在进行野外测量时，1人手持棱镜选择待测点，1人操作全站仪照准待测点棱镜进行碎部点的测量，并将所测的碎部点坐标存储到仪器中。待测量完成收工回到室内，利用专业绘图软件将全站仪存储的碎部点导出并展绘，进而连点绘图，而这些碎部点之间的关系或地物之间的关系则需要通过野外测量时绘制的现场草图来确定，草图的准确度基本决定了测图的质量，在此草图则显得尤其重要。

目前，客观记录反映碎部点间关系的方法主要有草图法[5～7]和编码法：草图法是在进行野外碎部点测量时，让第三人跟随持棱镜的跑尺员，根据其测点顺序、碎部点类型、现场情况、点位关系以及测量点号等信息将测量现场草绘至记录纸上，人手紧张时，也可让跑尺员自己绘制。编码法是全站仪操作员在将测得的碎部点存储于仪器前，先对该碎部点进行编码分类后再存储，以方便室内连点绘图时有据可依。

虽然两种方法都能反映碎部点间的连接关系，但各有利弊。草图法虽能将现场情况比较准确地草绘到记录纸上，但其工作效率不高，绘制烦琐，容易造成测量点与实际记录点不同步，甚至需要一人专门绘制草图，增加了测图成本。编码法虽然能提高跑点效率、节省草图绘制人员，但当碎部点距测站较远时，常存在仪器操作员无法看清测点类型或无法清楚判别出碎部点点间关系的情况，从而导致编码错误，以致影响后期内业成图；测点编码的过程也降低了测量速度。

因此，为解决这两种方法存在的不足，本文提出一种能够精确测绘且效率高的全站仪遥控测图系统。

2 系统原理

全站仪遥控测图系统主要包括全站仪、棱镜、PDA、数据传输装置等以及相关配件[8～12]，如图1所示。

图1 全站仪遥控测图系统工作原理

全站仪是用于测量碎部点坐标的仪器，在该系统中，要求全站仪要能够具有数据输出功能，即在测量完一个碎部点之后，立即将数据通过全站仪配置的接口进行数据输出。

棱镜与传统测量的棱镜一样，在此处要求在棱镜的对中杆上，加设一个类似RTK对中杆配套的手簿托架装置，该托架用于安置PDA。

PDA作为电子绘图手簿，要求PDA能够具有强对比度，方便野外测量时强光下能够看清屏幕。同时要求PDA具有触摸功能或者可以利用触摸笔进行操作，并且PDA能够安装第三方绘图软件，系统选择Windows Mobile、Android、IOS等均可，该PDA需要具有蓝牙通信或者串口通信功能，方便数据传输。

数据传输装置是该系统的核心，它由遥控终端A和遥控终端B组成遥测系统，遥控终端A和遥控终端B间可进行无线数据通信，该系统的作用距离能够达到数百米，完全满足碎部测量外业作业距离要求。其具体工作原理如图1所示。图中的传输都要求能够双向通信，并且是全双工的工作模式。

从图1可以看出，该种作业模式只需要2人即可。1人在全站仪处进行仪器操作，另1人在棱镜处选择待测点位进行测量，并将测量的碎部点及时地在PDA上连点绘图。

其主要工作过程为：

(1)在测量之前，根据图1的方式，将遥控终端A与全站仪连接，利用数据线将遥控终端B与PDA连接，并且将遥控终端A与遥控终端B进行频率配对；

(2)根据碎部测量作业模式架设仪器，并进行相关测站操作，完成碎部测量的准备工作；

(3)跑尺员持棱镜根据碎部点测量要求选择待测点进行立镜；

(4)观测员利用全站仪对棱镜进行照准观测，此时所测碎部点坐标经全站仪数据输出端口将数据传输至遥控终端A；

(5)当遥控终端A接收到数据之后，立即将数据通过无线方式发送至遥控终端B；

(6)当遥控终端B接收到数据之后，立即将数据接收，并传输至PDA；

(7)当PDA接收到碎部点数据之后，即时将数据展绘到屏幕上，此时跑尺员即可根据实际的现场情况对所测点进行连线绘图，同时对数据和图形进行实时保存；

(8)循环(3)～(7)步，完成所有碎部点的测量和绘图。

通过该种方式，跑尺员能够根据现场情况利用精确坐标进行实时绘图，该图能实时客观反映现场情况，避免了错误的发生，同时也省时省力，效率高效。

3 系统实现

根据前面所述系统原理，结合系统实现的具体要求对遥控测图系统进行了实现[13～15]，并申请获得了国家专利授权[16]。

3.1 硬件选择

硬件是该系统实现的关键，故必须对硬件在外观、性能等方面有一定的要求。

遥测终端A和遥测终端B的外壳为全铝外壳，尺寸为180 mm×100 mm×20 mm，自带电池，具有体积小，灵敏度高，抗干扰能力强，透明传输，功耗低，传输距离远的特点。同时，均采用高性能的无线射频集成电路卡(IC卡)以及高速微控制单元(MCU)相结合的无线通信模块，带RS232异步传输标准接口。

PDA控制器必须具有触摸屏，能够通过触摸笔或手触方式实现指令的收发，同时具有高对比度屏幕等。

3.2 软件选择

该系统的软件主要指PDA中的绘图软件，本次选择的绘图软件是南方测绘公司的测图精灵，利用测图精灵能够实现碎部点的实时展绘，并且将碎部点连点成图。同时还能将图形导出成DXF交换格式，便于在电脑端进行编辑。

3.3 实现效果

结合前面对全站仪遥控测图系统原理的介绍，与仪器厂商合作对本系统进行了实现，实物图如图2所示。

图2 全站仪遥控测图系统实物图

图2中，左边部分为仪器端，全站仪架设在脚架上，并将遥控终端A钩挂固定在脚架上。右边部分为移动端，由跑尺员手持对中杆及全站仪配套棱镜，并将遥控终端B和PDA利用托架固定在对中杆上，方便绘图和携带。遥控终端A和遥控终端B均配置了移动电源，能够保证遥控终端供电充足，同时还有指示灯，能够指示当前终端的工作状况。

该系统能够方便地移植到其他型号或品牌的全站仪上使用，同时为了让PDA达到工业标准的要求，还能扩展使用GNSS手簿代替PDA，以方便外业使用。

4 系统优势

为验证本系统的适用性及作业效率等，选择一块包含建筑、道路、植被等地物的区域作为试验区，本试验区的大小约为 200 m×200 m，将外业数据采集至内业成图整个流程的主要过程进行对比，见表1(注：本表格中数据对比只针对当前所用试验区，其他试验区可能会存在一定的差异)。

本文方法与草图法作业模式对比结果 表1

表1从两种作业模式的外业数据采集、内业成图、图形正确率等方面进行了对比，从表中可以看出本文方法在内业成图时间和绘图正确率上具有明显优势，在外业数据采集上所花费的时间比传统模式高，这是由于本文方法在进行测量的过程中需要实时绘图，并及时进行实地验证。

综上所述，本系统与全站仪常规测量方法相比具有以下优势：

(1)避免绘图错误。由于常规方法的PDA由全站仪操作员或站立全站仪旁的第三人手持，若碎部点距离测站较远，非常容易看错碎部点间的连接关系而绘错图形；

(2)测量速度快。传统测图方法中的工作主动方实为全站仪操作员，持棱镜者虽能主动选择待测点位，但无法及时看到测量图形结果，因此，哪些点已测过，需要加测哪些点，而致使选点可能重复或点位选择欠佳，进而降低作业速度和成图质量。遥测系统非常好地克服了该缺点；

(3)即时绘成标准图，减少内业工作量，减少作业时间。常规方法所绘图形一般需通过持棱镜者与草图绘图员或全站仪操作员在内业进行沟通核对，作再绘加工，而遥测系统因为基本无差错，所以内业所花时间极少或没有；

(4)节约人力。常规方法一般需要2人～3人，遥测系统只需2人。

5 结 语

本文分析了传统全站仪草图法地形图测绘的不足之处，结合无线通信技术及计算机技术，提出了全站仪遥控测图系统，并对该系统从系统原理、系统实现、系统效果以及优势等方面进行了详细介绍与分析，通过试验充分证明该系统能够满足精确、快速的测图需求。

在以后实际应用中，还可以根据具体作业设备和测图软件的不同，对该系统进行改进，以使其能够更方便、快捷，同时降低系统的冗余性。