基于实时定位数字地形图外业质检系统的设计与实现

陆克，唐宁，李运健

(广西壮族自治区自然资源产品质量检验中心，广西 南宁 530023)

1 引 言

随着测绘地理信息事业的高速发展，数字正射影像、数字三维模型等数据成果在国民经济建设和社会建设中的应用越来越广泛，逐渐改变测绘地理信息行业的方向[1]。然而，在城市规划、工程建设、不动产管理、农林业、军事地理信息系统建设等领域，数字地形图应用仍然占据着主导地位，是各行业不可或缺的基础资料之一。数字地形图的质量关系到各领域规划设计、工程建设、运营管理阶段等工作的进度和质量，也成为关乎我国社会经济健康发展的重大问题。地形图数据质量控制是数字地形图管理与完善的关键，是集管理与技术为一体的综合性工作，同时也是一项艰巨而又复杂的系统工程。在地形图数字化作业过程中，需要针对各个环节进行严格控制和检查，采用有效的技术手段进行校对，对提高地形图数据质量具有十分重要的意义。当前，数字地形图平面精度和高程精度检测常用方法为：使用GNSS-RTK或全站仪在野外采集用于平面精度和高程精度的地物点，并将点位标记在纸质回放地形图上；回到内业再量测标注点的图上坐标和高程值，与仪器野外采集的坐标和高程进行对比，计算中误差，最终完成数字地形图平面精度和高程精度的检测[2]。此种方法检查工作衔接无序、实时性差、操作复杂、效率较低，且点位管理不灵活，很容易出现统计错漏。在数学精度检查和记录的过程中，容易产生人为因素主观错误，且难以在现场察觉和更正，造成数学精度损失等问题。因此如果能实现GNSS接收机与系统的通信，实时获取平面坐标和高程采集结果，再指定对应图上点位，便可实现数字地形图的实时化、准确化、信息化平面精度和高程精度检测，将极大提升质检效率。

2 系统总体目标与总体框架

数字地形图外业质检系统以《GBT24356-2009测绘成果质量检查与验收》标准规定10大项42类传统测绘产品和《GBT 18316-2001数字测绘产品检查验收规定和质量评定》标准规定的4类数字测绘产品的验收检查及质量评定工作的管理为要求[3，4]，在实现数字地形图无损高性能符号化显示的基础上，连接了GNSS接收机与系统的通信，实时获取平面坐标和高程采集结果，再指定对应图上点位，便可实现数字地形图的实时化、准确化、信息化平面精度和高程精度检测，极大提升质检效率[5，6]。总体设计了具备完整质检业务逻辑的地形图内外业一体化质检系统，包括任务管理、质检方案生成、自动化检查、一体化评价、一键式报告输出、数学精度实时检测、地理精度快速巡查等多项功能。

3 系统设计

3.1 系统设计的原则

系统的设计主要是根据功能需求以及用户要求来进行人性化设计，如图1所示。首先是利用CORS系统进行高精度实时定位，然后连接平板电脑，通过Android组件的交互巡查环境进行外业巡查检查，包括问题标注、要素坐标、照片插入、距离测量、动态绘制等形成巡查意见和精度结果；最后通过交互巡查环境与内业作业相结合，将地形图导入进行质检方案定制，并进一步自动化检查，从而实现错误定位、地图浏览、问题标注、要素查询等功能。

图1 设计路线

3.2 系统的功能设计

为了使系统满足高精度定位要求，达到与纸质图纸接近的使用体验，界面以接近全屏的方式显示数字地形图，利用平板电脑进行数据高清无损显示。系统操作界面与核心功能模块如图2、图3所示。

图2 系统操作界面

图3 系统核心功能模块

(1)精度点管理功能模块

为达到与纸质图纸接近的使用体验，界面以接近全屏的方式显示数字地形图。左侧菜单设置精度点管理功能模块包括点采集、删除点、编辑点等，可实现数字地形图质量检查的实时采集、实时检查；右侧设置采集点界面，实时播报采集点坐标的信息。满足外业系统人机作业要求，比传统外业纸质巡查更具有现势性。

(2)图层管理功能模块

新建图层，打开图层、管理图层，这种图层管理方法有益于历史数据的存储与调用，在平板上操作简单，时效性快。

(3)量测功能模块

在数字地形图上提供坐标、高程、长度、面积等量测功能，为检测数字地形图成果提供直接工具。通过设置精度阈值，可在现场评价数字地形图的数学精度，并输出质检记录。外业质检工作快人一步，一键获取，真正实现了自动化检查。

(4)RTK设置功能模块

RTK设置功能主要是解决平板与RTK连接获取实时坐标问题，包括基本参数设置、仪器连接、测量设置、坐标数据等，实现普通手簿连接功能。

4 系统的关键技术

4.1 多系统平台下数字地形图高性能无损符号化显示与交互技术

系统采用CAD控件作为数字地形图内外业一体化质检系统的DWG显示交互、二次开发平台。该控件支持Windows、IOS、Android等多种平台，契合了需同时在Android平板上进行外业检查和Windows平台上进行内业检查的数字地形图内外业一体化质检系统的开发需求，内外业系统使用同一套控件从系统底层保证了内外业系统的一体化，在关键的“空间搜索”上使用了复杂度极低的算法，并且使用汇编优化，可以处理50万级的实体，图形的显示和处理效率得到极大的提高。

4.2 北斗CORS高精度定位设备与系统实时通信技术

我国的北斗卫星导航技术发展迅猛，基于北斗系统的高精度GNSS设备，采用无线蓝牙、WIFI等技术集成于定位设备中，实现定位装备与PC、平板电脑等终端的实时交互，可实时获取GNSS设备厘米级高精度定位结果。利用GNSS接收机与系统的实时通信技术，实时获取GNSS接收机点位采集结果，再指定对应图上点位，可实现数字地形图数学精度检测的实时化、信息化，大大提高了质检效率。

5 系统的功能与实现

5.1 实时图根控制测量精度检测

现场采集图根控制点点位，并与图根控制测量成果进行关联比对，实时计算图根控制测量成果与实地检测的误差值，当出现粗差时，报警提示检查人员进行复核[7]。当满足检测数量要求后，可计算出图根控制测量平面和高程误差的粗差率、平面位置中误差及高程中误差，实现现场对图根控制测量精度的评价。

5.2 实时地物点平面精度检测

现场采集地物点点位，并与成果图的点位实时对应，形成精度检测点对，实时计算成果与实地检测的误差值，当出现粗差时，报警提示检查人员进行复核。当满足检测数量要求后，可计算出图幅平面误差的粗差率和点位中误差，实现现场对每幅图平面位置精度的评价。平面点精度采集及平面精度信息分别如图4、图5所示。

图4 平面点精度采集 图5 平面精度信息

5.3 实时地物点高程精度检测

现场采集地物或地形特征点高程，将高程点内插到成果图上，形成精度检测点对，实时计算成果与实地检测的误差值，当出现粗差时，报警提示检查人员进行复核。当满足检测数量要求后，可计算出每幅图高程误差的粗差率和高程中误差。高程点精度采集及高程精度信息分别如图6、图7所示。

图6 高程点精度采集 图7 高程精度信息

5.4 现场边长精度检测

现场量取地物点间距，对应图上位置进行标记和记录，形成精度检测点对，现场计算成果与实地检测的误差值。当出现粗差时，报警提示检查人员进行复核。当满足检测数量要求后，可计算出每幅图的粗差率和间距中误差。距离精度采集及距离精度信息分别如图8、图9所示。

图8 距离精度采集 图9 距离精度信息

5.5 地理精度巡查

系统可针对各类错误在图上进行标注，内容包括错误类型、错误等级、错误个数、错误描述，对图上标记也可进行删除、查找、编辑等操作，实现对数字地形图地理精度巡查记录与错漏分类，并对其地理精度进行评价，极大地提高了检查的工作效率，同时也确保了地理精度质量元素检查的真实性和可靠性。

5.6 现场样本照片采集

在地理精度巡检及数学精度检测过程中，可通过设备实时定位技术及拍照功能，获取现场照片或地物的样本特征[8，9]。以拍摄现场照片的方式记录检查存在的典型问题，为外业检查工作收集证据，有效避免与作业单位的事后争端等问题，确保了各项检查工作的真实性、可追溯性。

5.7 外业轨迹记录

可定位检查人员所在位置并对检查人员轨迹做记录。GNSS导航定位装置与平板电脑的实时交互技术，能将检查人员当前位置及行进轨迹进行记录，有利于对各级检查工作的监督，避免弄虚作假，确保各级检查的真实性、合理性及有效性。同时，监管部门还可以对生产部门项目实施“两级检查、一级验收”制度的实行情况进行有效监督[10]。

5.8 检查数据导出

外业检查完成之后，可导出外业检查意见记录表、数学精度统计表、轨迹记录、照片数据等检查结果，用于最终质检报告的编写。数字地形图外业质检系统功能与实现如图10所示。

图10 数字地形图外业质检系统功能与实现

6 结 论

本文以测绘地理信息数字地形图质量检查为切入点，探讨基于我国的北斗CORS高精度导航定位技术，无线蓝牙、WiFi等通信技术集成于Android移动平台，形成高效快捷的数字地形图外业质检系统，外业无纸化检查、信息化数据获取，全面提高数字化地形图的质量检查的工作效率及可靠性，主要取得以下成效：

(1)解决卫星-GNSS接收机-平板电脑的实时通讯问题，实现同一台平板电脑，对南方、中海达、华测以及自主研发的好测GNSS接收机等设备的兼容，数字地形图数学精度检测的实时获取。

(2)可实现外业现场导入不同品牌全站仪及不同数据格式的数据，并计算点位误差、粗差率等信息，最终获得每个图幅的点位中误差。取代以往外业获取数据，到内业才能获取点位精度的模式。

(3)解决轨迹跟踪记录及样本点采集问题，能表现一、二查的检查内容的真实性和数量型范围，对前序检查实现监督，两级检查和检查验收可实现溯源。

(4)优化检查工作流程。除在密集的居民区地物点点位精度检测以外，可实现“一人一设备”外业检查的全部工作。

(5)采用最新的检查方法和手段，摒弃传统纸笔检查模式，全面提高数字地形图的质量检查的工作效率及可靠性。比如：网络RTK+安卓平板电脑、5G信号、基于第三方软件无损读取CAD的数据格式，更适合最新技术人员的日常作业模式，体现了检查验收工作的与时俱进。