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第七章地形数据采集与处理(采用教材《公路计算机辅助设计》符辛砂编)第一节地形数据采集的分类及特点公路设计原始数据的来源有3种方法：即航测、地形图数字化和野外实测。地形数据采集的分类如图7.1所示。图7.1数据采集方法分类第二节野外实测采集地形数据野外实测采集数据的方法主要有全站仪、GPS和传统测量方法等3种。1全站仪采集地形数据当没有航测资料及大比例地形图的情况下，可以采用全站仪或测距仪来采集地形数据。1.1全站仪测量原理全站仪是集测距（水平、斜距）、测角（水平、竖直）、坐标、高程、放样、记录和数据传输于一体的自动化的现代光电测量设备。它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成。1)光电测距原理用于工程测量的全站仪大多采用红外测距仪的相位法测距原理。红外测距仪以砷化镓发光二级管作为光源。当给砷化镓发光二级管注入一定的恒定电流，它发出红外光，其光强恒定不变；若改变电流大小，光强也随之改变。若在砷化镓发光二级管上注入频率为f的交变电流，则光强也按频率f发生变化，这种光称为调制光。相位法测距发出的光就是连续的调制光。如图7.2所示，设用测距仪测定A、B两点间的距离D，在A点安置测距仪，在B点安置反射镜。由仪器发出调制光，经过距离D到达反射镜，再返回到仪器接收系统。如果能测出光在距离D上的往返传播的时间t，则AB的距离即可按下式求得：D=ct式中：c为调制光在大气中的传播速度。为了说明问题将从反射镜B返回的光波在测距方向上展开，如图7.3所示。21图7.2图7.3显然，调制光返回到A点时的相位比发射时延迟了。设整波长长度为λ，N为整波个数，则D=λ/2π=λ（N+N）/2D=(N+/2π)=u(N+N)上式中，可以测定，但N无法测出，所以D还是无法测定。如果调制光的波长λ，并使λ/2D，则D=/2π测量中把λ/2称为“光尺”，要想测定100m的距离，就要选用100m的“光尺”。但是由于仪器存在测距误差，它与“光尺”长度成正比，约为光尺长的1/1000，光尺长度越长，测距误差越大。为了解决这个问题，目前多采用两把“光尺”配合使用，一把尺的调制频率f约为15MHZ，“光尺”长度为10m，用来确定分米、厘米、毫米位数，是保证测距精度的，称为“精尺”，另一把的调制频率f约为150kHZ，“光尺”长度为1000m，用来确定米、10米、100米位数，满足测程要求，称为“粗尺”。把两把尺配合起来使用，就可以测定1000米以内测距数字显示问题。221.2全站仪作业方法目前，全站仪用于公路工程测量的方法有：导线测量、中线测量、横断面测量、路线放样测量、桥涵放样测量、地形图测绘等。2GPS采集地形数据全球定位系统(GlobalPositioningSistem，GPS)是全球性的卫星定位和导航系统，它能向全世界任何地方的用户观测站提供连续的、实时的三维坐标位置、速度和时间信息。80年代应用于公路勘察采集数据，有着十分广阔的应用前景。目前，全世界只有2套全球规模的卫星定位系统，即美国建立的GPS(GlobalPositionSystem)系统和俄罗斯建立的格拉纳斯(GLONASS)系统。此外，由欧盟和欧洲航天局酝酿已久的伽利略计划正在紧锣密鼓地实施中。整个系统包括空间卫星、地面控制站和用户接收站3个部分。地面控制部分有一个主控站(美国卫星系统的主控站位于科罗拉多洲的Springs），负责监控Gps的工作；另有若干个注入站（位于大西洋、太平洋和印度洋中的各岛），它的任务是连续跟踪所有可视的卫星，控制和预报卫星飞行器的轨道，连续地注入卫星要发播的信息，作出卫星的星历预报,校准卫星钟以及更新导航电文。用户部分为设有接收机的观测站，接收机包含有天线、接收设备、微处理器、和输入输出设备等专门进行观测和记录若干个卫星发播的信息，通过软件计算获得所需测绘数。所谓卫星定位即是依靠空间卫星传送到地面接收机的信号，从电磁波的时间和速度或是波长与相位判别距离。卫星相对于地球来讲，它可以看成是有一定运动轨迹的控制点。利用卫星的轨道参数，通过计算可以知道卫星的瞬时坐标，当从某一地面接收点接受来自二个卫星的信号，则利用测量而得的距离进行空间后方交会可以判别接收机所在点的位置（三维坐标），这种单点定位方法称为绝对定绝对定位位法。图7.4如果在二个接收站同时观测同一组卫星，则可以判明二站间的相对距离（二站间的坐标差〕称为相对定位法。单点绝对定位法的精度，一般可达10余米，仅能满足导航或初步勘察的要求。双点联测的相对定位法由于抵消了二个观测站的共同误差，若方法合适，软件优良其精度可达厘米级甚至毫米级（10km内达到±5mm）完全可以满足大地测量和工程测量的要求。图7.5GPS定位技术减少了野外作业时间和劳动强度，它不受天气和作业时间的限制，不要求观测站之间通观，只要各个观测站都能通向卫星，观测站之间的距离即可精确测定。由于它的自动化程度高，观测速度快定位精度高，接收机的体积小使用方便，其经济效益甚为显著。国内研究和生产实践表明在大地测量中做控制网时二维平面位置求解精度相当好，仅在高差方面较差一些。根据二站的相对坐标差推算而得网站的间距和方位角，精度也很好。目前在我国生产中已发挥了积极的作用。为建立公路CAD基础的数字地形模型，在当前条件下可以采用GPS测定控制网与全站仪地面速测相结合的方法（见图7.6）或是采用地面GPS控制。航空摄影和机载GPS相结合的方法（见图7.7）。图7.6图7.7近年来新发展了GPS实时动态(RealTimeKinematics，RTK)测绘技术，实现了实时定位的要求，利用该技术可以进行地形图测绘、路线放样、桥涵放样等测量工作，极大地提高了测量精度与效率。GPS—RTK技术（见图7.8），需要至少2台以上的GPS接收机，其中1台为基准站，放在已知控制点上，其它的接收机可作为“移动台”，自由地在要确定的目标位置上移动。一般活动范围在3～5kM。图7.8GPS—RTK系统第三节地形图数字化地形图数字化即对已有地形图进行数字转化为数字地形模型。地形图数字化的方法有二种：一是采用跟踪式数字化仪将等高线地形图转换为矢量式三维数字地面模型；另一种是采用图形扫描仪将地形图转换成为格栅式模型存入计算机，或另有软件转换为矢量式模型。一、数字化仪基本原理及作业方式数字化仪是由一个数字化平面板（感应板）和装在其基座里的电子元件以及输入装置组成，数字化仪靠内部产生的低能电磁波作为机器定位和控制。操作时利用输入装置——游标来确定数字化仪平面上的各个位置，数字化与主机正确相连后，进行数据通讯，鼠标所在位置上的X,y坐标就可以实时送到计算机系统中，完成平面图形到平面坐标的转换的采集。二、数字化仪坐标转换数字化仪坐标转换即将数字化板上的笛卡儿坐标转换为计算机中的坐标（大地坐标）。它要经过坐标的平移、旋转和缩放等换算。平面坐标转换有4个定向元素，至少2个定向控制点，当多于2个定向点时，可以采用最小二乘原理求解4个定向元素。坐标转换示意图如图4.9所示。设数字化仪量测坐标为xs、ys，大地坐标为xt、yt，两个坐标系的原点位移为x0、y0，旋转角为θ。对于2点定位时，解下列线型方程组可得到4个定向元素x0、y0、Cosθ、Sinθ。图4.9yt0y0ytxtxtx0ys×Sinθxs×Cosθt0'ysysys×Cosθxs×Sinθθxsxs为了提高测量精度，可以采用多于2个定向点来确定定向元素。若有n个定向点时，则有2×n个方程，如下所示。定向点采样应尽可能位于区域边缘。对于2点定向，宜选在区域边缘的对角线上，对于多点定向，宜选在待数字化区域的四周。三、地形图图纸变形纠正由于地形图经蓝晒、复印后，图纸具有各种变形，经大地归化后的数据仍存在着图纸变形所带来得误差。为保证量测数据的可靠性和高精度，必须对数据进行逐点纠正。图纸变形是很复杂的，变形可分为线性变形、非线性变形和角度变形等几种。线性变形是最为简单的变形，纠正也比较方便。其变形由相应点的转换坐标和实际坐标之间的关系计算求得。对于变形较大的图纸按上述方法纠正其效果并不理想。采用数学中仿射变换的双线性函数进行逐点变形改正，效果较好，能有效的消除或减少图纸线性、非线性以及角度变形所引起的平面坐标误差。具体做法是：先量测测区四个角点的坐标值，得到其转换后的四对平面坐标xc、yc，并输入相应四点的已知坐标xt、yt。从上式中可以求解纠正系数a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4。大地归化后的坐标为：逐点变形纠正后的大地坐标为：由四个角点的八对坐标，可列出下面误差改正式：四、地形图数字化输入1等高线的输入操作人员从键盘输入等高线值，然后用游标的十字丝跟踪该等高线，依次将其以点阵方式输入。2地物、地貌等图形的输入为提高输入速度和精度，减少出错，最好的方法是在数字化面板的感应区内根据地形图的各种图示、符号的特点，自定义一个数字化输入菜单。菜单一般应与野外测量代码一致，在菜单区内划分为若干个小方格，每一方格代表一个图示符号或数字。输入时，根据需要可随时在菜单上点入其编码和高程值等信息，减少错误，提高输入速度。数字化仪规划板如图7.10所示。4.10数字化仪面板规划图五、地形图的扫描数字化采用数字化仪输入地形图需要大量人工操作，而采用扫描仪可以将图纸快速输入计算机内。但扫描后的图象处理问题是关键。目前有二种处理方法：一种是直接将扫描后的光栅图象，作为底图与新设计的图形叠加起来，称为“光栅与图形混合编辑方法”，这种方法的优点是处理简单，图形不会失真具有较高的精度；存在的问题是为获得一定的清晰度，需要处理很大的点阵信息量，处理速度较慢；另外由于生成的光栅图象，无法转换为数字地形模型。另一种方法是将扫描后的光栅图象转化为图形文件，称为“矢量化方法”，其优点是将大量的点阵信息转化为简化的矢量信息，如DXF文件，能为大多数CAD系统能识别和处理；对于等高线地形用专用数字地模型软件能转换为三维数字地形模型。存在的问题是通过这种方法处理的图形其效果并不理想，还有待进一步探索和研究。课后作业1现代化数据采集方法与传统数据采集方法有何不同？2全站仪有那些功能？在地形数据采集和处理上与光学经纬仪相比有那些优点？3地形图数字化分哪二种方法？简述数字化仪输入地形图及处理地性信息的过程。4GPS—RTK技术有何特点？尼康Nikon莱卡Laika索佳Set脱普康Topcom美国建立GPS前后经历了20年(1973-1993年)，耗资300亿美元。GPS系统由分布在6个近似圆形的轨道上的21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，每个轨道上有4个卫星，轨道高度20182公里，卫星绕地球一周需要11小时58分，轨道倾角55°。这样地球上任何地方任何时刻都能收到至少4颗卫星发射的信号，最多可达11颗。GPS可提供2种定位服务，即精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS的主要对象是美国和盟军的军事部门及其他特许部门，单点定位精度可达3米.SPS的主要对象是民间用户，采用C/A码定位，2005年5月1日前的单点定位精度为100米，但如果用户采用合理的差分GPS技术可以将精度提高到5米左右。2005年5月1日起，美国迫于伽利略计划的压力，将定位精度由原来的100米提高到10米。俄罗斯的格拉纳斯GLONASS是前苏联从20世纪80年代处开始建设的与美国GPS类似的卫星定位系统，GLONASS的卫星均匀地分布在3个近圆形轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期为11小时15分，轨道倾角55.8°。单点定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。目前GLONASS系统采用的是军民合用，不加密的开放政策。由于GLONASS卫星的平均在轨寿命为3—5年，原来在轨卫星早已退役，GLONASS基本上处于将效运行状态，一直只有8颗卫星是全功能工作的。在2002年底，GLONASS有12颗完全工作的卫星。目前试运行的是GLONASS第二代，称为GLONASS-M，设计寿命为7年。2005年俄罗斯计划设计GLONASS第三代卫星GLONA