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成都土石方野外数据采集法

futao 土方工程 2019-10-17 888 0
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成都土石方野外数据采集法

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要能够准确反映工程期间实际的地面起伏状态,最好的方法就是走出工作室,走到现场,直接对工程现场地物地貌进行空间数据采集,这就是所谓的野外数据采集。传统上,光学经纬仪测量水平角、皮尺或钢尺丈量水平距离和光学水准仪测量高程,是经典的野外数据采集方法,但自从20世纪80年代中后期电子全站仪、电子水准仪在测绘领域的普及应用及20世纪90年代中后期GNSS卫星定位技术的革命性出现,当前在土方工程中的外业数据采集,经典的外业数据采集方法已经走进故纸堆,几乎已完全被光电导线结合电子水准的光电几何测量定位技术和GNSS卫星定位技术所取代了。由于光电几何测量定位技术中所使用的电子全站仪、电子水准仪和GNSS卫星定位技术中所使用的GPS接收机都能够把外业采集到的空间数据转化为数字存储在采集仪上,因此也叫全数字野外数据采集。

技术进步的步伐是飞快的!当时间跨入21世纪,出现了能够快速而高精度获取空间三维点云的三维激光扫描测绘技术,以及以小型或微型无人飞机为搭载平台的倾斜摄影测量技术。相较于光电几何测量定位技术和GNSS卫星定位技术逐点式的空间数据采集方式,三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术则可以说是集群式的空间数据采集方式,它们能够在短短几分钟内获得百万数量级的精度在毫米级到分米级区间的所谓“点云”空间数据,快速地对工程现场进行精确的三维建模,从而为诸如土方量算、建筑保护、地质灾害预防等应用快速提供测绘基础数据。

本节将简要介绍光电几何测量定位技术和GNSS卫星定位技术在测绘工程中的应用,以及三维激光扫描测绘技术和倾斜摄影测量技术的技术特征和应用场景。

1.光电几何量测定位技术

根据几何学中的球面坐标知识可知,只需要确定球面上任意一点相对于起始参考面的水平夹角和竖直夹角,再测定出球面半径,就可以唯一确定出空间中任意点的坐标,实现空间定位。传统做法中,我们用光学经纬仪确定水平角,用皮尺或钢尺进行量距,实现地面点位平面坐标数据的采集。再结合水准仪量测出地面两点间高差,进而推算出地面任意点的高程,从而实现工程现场中三维空间信息的数据采集。角度、平距和高差的量测,属于典型的几何量量测,由于采用的是纯光学的采集设备,我们可以把用经纬仪测角、钢尺量距和水准仪测高程统称为光学几何量测定位技术。当前传统的光学度盘测角技术已经被电子测角技术取代,钢尺量距也基本上由光电测距代替,也出现了能够替代传统光学水准仪的电子水准仪用于测量高程。这些基于现代光电技术的量测手段不仅精度高、效率快,相较于传统的光学设备成本也不算高昂,而且后期维护维修都比较便捷,目前已广泛应用在工程测量相关的各个领域。由于量测的几何量没有改变,我们把用电子全站仪量测角度和距离、电子水准仪量测高程统称为光电几何量测定位技术。

(1)电子测角技术。电子全站仪测角采用电子测角的方法,通过光电转换,以光电信号的形式来表达角度测量的结果。不同厂家生产的设备在结构、操作方法上有着一定的差异,但其基本功能、基本原理,以及野外数据采集的程序大致是相同的。电子测角仍然是采用度盘来进行,与光学经纬仪不同的是,电子测角是从度盘上获取电信号,然后根据电信号再转换成角度。根据获取电信号的方式的不同可分为编码度盘测角和光栅度盘测角(测角原理请参考精密仪器、几何量测方面的专业书籍,此处不详述)。

(2)光电测距技术。20世纪40年代,人们研制出了以红外线作为测距介质的光电测距仪(图1-1);60年代,随着激光技术的出现及电子计算机技术的发展,各种类型的电磁波测距仪相继出现;90年代,又出现了将测距仪和电子经纬仪的功能集成于一体的电子全站仪,除了可自动显示角度、距离数据外,还可以通过仪器内部的微处理器,直接得到地面点的空间坐标。

图1-1光电测距原理示意图

图1-1光电测距原理示意图

电磁波测距仪的出现,克服了高精度测距这一测量工程中的瓶颈。与钢尺量距的麻烦和视距测量的低精度相比,电磁波测距具有测程长、精度高、操作简便、自动化程度高的优点。根据测距介质的不同,电磁波测距可分为利用微波作载波的微波测距和利用光波作载波的光电测距。在工程测量中,广泛采用的是利用光电测距原理生产的光电测距仪,利用微波测距原理生产的微波测距仪大多用于军事测绘上。

(3)电子全站仪——电子测角技术与光电测距技术的集成。电子全站仪全称为全站型电子速测仪,是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储等单元组成的三维坐标测量系统,是上述电子测角技术与光电测距技术的集成产品。电子全站仪是能自动显示测量结果,能与外围设备交换信息的多功能测量仪器,较完美地实现了测量和处理过程的电子一体化。随着计算机技术的不断发展与应用及用户的特殊要求,还出现了防水型、防爆型、计算机型、电动机驱动型等各种类型的全站仪,以及能够自动跟踪测量目标的测量机器人。目前,世界各仪器厂商已生产出各种型号的全站仪,品种越来越多,精度越来越高。常见的进口全站仪品牌有瑞士徕卡(Leica)TPS系列,美国天宝(Trimble)S系列,日本尼康(Nikon)

DTM系列、拓普康(Topocon)GTS系列、宾得(Pentax)R系列、索佳(SOKKIA)SET系列;我国生产的全站仪品牌有广州南方测绘科技股份有限公司的NTS系列、广东科力达仪器有限公司的KTS系列、北京博飞仪器股份有限公司的BTS系列、苏州一光仪器有限公司RTS系列等(见图1-2)。国产品牌的电子全站仪和进口品牌的全站仪相比,在实现的测量功能上基本没有什么差别,有的甚至更符合国内测绘工作者的工作习惯。全站仪的使用可以分为观测前的准备工作、基本测量工作(角度测量、距离测量)和专门测量工作(坐标测量、坐标放样、导线测量、交会定点等)。由于电子全站仪的核心功能都是测角测距,不同品牌不同型号的全站仪在使用方法上大同小异。

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图1-2常见进口、国产全站仪品牌

由于电子全站仪具有极高的测角精度和测距精度,且机载程序提供了强大的测量程序,测量结果以数字文件形式存储在仪器中,可以方便地传输到计算机当中,形成内外业一体化数字化测绘作业,其在测绘领域已经得到非常广泛的应用,是事实上的测绘工作标准配置仪器设备之一。当然,电子全站仪的工程应用范围已不仅局限于测绘工程,其在大型工业生产设备和构件的安装调试、船体设计施工、大桥水坝的变形观测、地质灾害监测及体育竞技等领域中都得到了广泛应用。全站仪的应用具有以下特点:①在地形测量过程中,可以将控制测量和地形测量同时进行。②在施工放样测量中,可以将设计好的管线、道路、工程建筑的位置测设到地面上,实现三维坐标快速施工放样。③在变形观测中,可以对建筑(构筑)物的变形、地质灾害等进行实时动态监测。④在控制测量中,导线测量、前方交会、后方交会等程序功能,操作简单、速度快、精度高,其他程序测量功能方便、实用、应用广泛。⑤在同一个测站点,可以完成全部测量的基本内容,包括角度测量、距离测量、高差测量;实现数据的存储和传输。⑥通过传输设备,可以将全站仪与计算机、绘图机相连,形成内外一体的测绘系统,从而大大提高地形图测绘的质量和效率。

(4)电子水准仪。当前测量高差经典的方法是几何水准测量,其使用的仪器是水准仪,其原理是借助于水平视线获取竖立在两点上的标尺读数,从而测定两立尺间的高差。光学水准仪长期以来一直是水准测量的主要仪器,其结构简单,且有可靠的精度保证。但人工观测记录、作业强度大,满足不了数字化和自动化的测量要求。随着测量技术的发展,光学水准仪正在被电子水准仪所替代。

电子水准仪(又称数字水准仪)是在水准仪望远镜光路中增加了分光镜和光电探测器(CCD阵列)等部件,采用条形码分划水准尺和图像处理电子系统构成光、机、电及信息存储与处理的一体化水准测量系统。电子水准仪具有读数客观和精度高、速度快、效率高等特点。

1)电子水准仪测量原理。电子水准仪须配套使用的是条形编码水准尺,通常由玻璃纤维或钢钢制成,其外形类似于一般商品外包装上印制的条纹码。在电子水准仪中装置有行阵传感器(CCD阵列),它可识别水准标尺上的条形编码。电子水准仪摄入条形编码后,经处理器转变为相应的数字,再通过信号转换和数据化,在显示屏上直接显示中丝读数和视距,如图1-3所示。

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图1-3电子水准测量原理图

2)电子水准仪的观测精度。电子水准仪的观测精度高,如瑞士徕卡公司开发的NA2000型电子水准仪的分辨率为0.1mm,每千米往返测的高差中误差为2.0mm;DNA03型电子水准仪(图1-4)的分辨率为0.01mm,每千米往返测得高差中误差为

0.3mm,是当前最高精度的电子水准仪品牌之一。

3)电子水准仪的应用。由于电子水准仪的优点显著,目前已经广泛应用于大地测量、工程测量、工业测量等领域。电子水准仪除了用于线路水准测量和面水准测量之外,在施工和变形监测中也得到广泛应用。当前我国在高速铁路的施工建设中,线下工程的沉降监测网采用二等水准精度等级标准,

图1-4徕卡电子水准仪DNA03

图1-4徕卡电子水准仪DNA03

其所采用的水准测量设备广泛采用了高精度的电子水准仪。

2.GNSS卫星定位技术

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),泛指所有的全球卫星导航系统及区域和增强系统。GNSS卫星定位技术利用包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO、中国的北斗卫星导航系统(BDS),美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位,并同时提供卫星的完备性检验信息(Integrity Checking)和足够的导航安全性告警信息。

GNSS卫星定位技术不但可以用于军事上各兵种和武器的导航定位,在民用上也具有广泛的应用。如智能交通系统中的车辆导航、车辆管理和救援;民用飞机、船只的导航及姿态测量;气象观测中的大气参数测试;电力和通信系统中的时间控制;地震和地球板块运动检测,等等。在测绘领域,如大地测量、城市和矿山控制测量、建构筑物变形监测及水下地形测量等方面也得到广泛的应用。与传统测绘方法相比,GNSS卫星定位技术具有定位速度快、成本低、不受天气影响、点间无须通视、不用建标等优点,而且仪器设备小巧轻便,操作简单便捷。GNSS卫星定位技术引发了测绘技术的一场革命,使得测绘领域步入了一个崭新的时代。

表1-1是几种常用GPS定位方式的精度比较。从表中可以看出,应用经典静态测量、快速静态测量能够满足从高精度大地控制测量到普通工程控制测量建网的精度要求。而实时动态(RTK)、网络RTK则能满足地形图测绘、工程点放样测量的精度要求,常规差分GPS、事后差分GPS和广域差分GPS能满足诸如土地动态监测的精度要求。

表1-1几种常用GPS定位方式精度比较

表1-1几种常用GPS定位方式精度比较

(1)GPS定位技术在工程控制测量中的应用。利用GPS技术进行工程控制测量有如下优点:第一,不要求通视,这样避免了常规控制测量点位选取的局限条件;第二,没有常规三角网(锁)布设时要求近似等边及精度估算偏低时应加测对角线或增设起始边等烦琐要求,只要使用的GPS仪器精度与控制测量精度相匹配,控制点位的选取符合GPS点位选取要求,那么所布设的GPS网精度就完全能够满足相应规程要求。

由于GPS定位技术的不断改进和完善,其测绘精度、测绘速度和经济效益都大大地优于常规控制测量技术。目前,常规静态测量、快速静态测量、RTK测量已经逐步取代常规的测量方式,成为工程控制测量的主要手段。边长大于15km的长距离GPS基线向量,适宜采取常规静态测量方式。边长在10~15km的GPS基线向量,如果观测时刻的卫星很多,外部观测条件好,可以采用快速静态GPS测量模式;如果是在平原开阔地区,可以尝试RTK模式;边长小于5km的一、二级控制网的基线,优先采用RTK测量模式,如果设备条件不能满足要求,可以采用快速静态定位方法。边长为5~10km的二、三、四等基本控制网的GPS基线向量,优先采用GPS快速静态测量模式;设备条件许可和外部观测环境合适,可以使用RTK测量模式。

(2)GPS定位技术在地形图测绘及施工放样中的应用。GPSRTK测量使量测精度、作业效率、实时性达到了最佳的融合,为地形图碎部测量和工程施工放样提供了一种崭新的测量模式。与电子全站仪相比,采用RTK测量模式进行碎部测量速度快,作业效率高。同全站仪一样,RTK测量单点的时间需要几秒到几十秒,但是,它不要求通视,不需要频繁换站,减少了全站仪频繁换站所花的时间,而且可以多个流动站同时工作。

(3)GPS定位技术在土地利用变更调查和动态监测中的应用。当前我国经济快速发展,土地利用的形式将发生一系列的变化,随时摸清土地利用形式的变化,进行土地利用变更登记,将是我国各级土地管理部门的一项重要的和经常性的工作。土地调查中,通常对应不同的位置精度要求,在采用GPS测量模式上,可以使用精密单点、常规差分GPS、PPK、广域差分GPS等方式。这些GPS测量模式,可成倍地提高土地利用变更调查和动态监测速度,其精度和可靠性得到极大的改善,克服了传统方法的种种弊端,省时省工,适用于各种各样复杂的变更情况,真正地实现了动态监测的实时性和数字化,保证了土地利用数据的现势性。在土地调查中,如果定位精度要求不高,优先采用单点定位模式。如果定位精度要求达到米级,可以采用广域差分GPS模式;如果附近已经建立常规差分参考站并能够接收到差分信号,也可以采用常规差分GPS。如果没有广域差分信号接收设备,可以在调查地区附近的已知点上,建立常规差分参考站,采用常规差分或PPK模式。如果是局部地区的精密土地划界,可以采用RTK测量系统。近几年,许多部门应用GPS技术进行了多项土地调查活动。如科技人员在四川攀枝花、内蒙古包头、四川乐山、北京郊区等地进行了土地调查试验,其几何精度完全可以满足土地利用变更调查和动态监测的要求,并且方便、快速、实时。

3.三维激光扫描测绘技术

三维激光扫描测绘技术是一种全自动高精度数字化的三维立体扫描技术,它是相继于GNSS卫星定位技术之后出现的又一项高新测绘技术。三维激光扫描测绘技术可以实现对各种大型的、复杂的、标准或非标准的实体或实景三维数据的采集和处理,然后快速建立出目标物体的三维立体模型及点、线、面、立体模型等各种制图综合的数据(图1-5)。利用地面三维激光扫描的技术进行测绘工作时,可以应用在任何复杂的地形地貌中进行扫描测绘的操作,也可应用在不受光线影响的扫描测绘工作当中。传统的大地测量方法,如三角测量方法、导线测量方法、定位测量都是基于点的测量,而三维激光扫描是基于三维立体面的数据采集测量。三维激光扫描系统是一种集合了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段,它由三维激光扫描仪、扫描仪旋转平台、数码相机、软件控制平台、数据处理平台及电源和其他的附件共同构成。三维激光扫描获得的原始数据称为点云数据。点云数据是大量扫描后生成离散点的整体集合。三维激光扫描数据经过简单的点云数据处理就可以直接使用,无须经过费时费力的数据后处理,并且不需要与被测物体直接接触,所以可以在很多复杂环境下应用。

三维激光扫描数据可以和定位系统联合使用,使测绘产品生产的过程更加高效。

图1-5三维激光扫描仪测量实景图

图1-5三维激光扫描仪测量实景图

三维激光扫描仪种类繁多,按其工作原理可分为脉冲式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。脉冲式三维激光扫描仪是通过测量激光脉冲从发出经被测物体表面再返回所用的时间,从而计算目标物体与测站之间的距离。相位式三维激光扫描仪主动发射一束不间断的整数波长的激光,通过计算发射激光波长与从被测物体表面反射回来的激光波长的相位差,进而计算和记录目标物体与测站之间的距离。两者相比较而言,脉冲式三维激光扫描仪的可测量距离大,而相位式三维激光扫描仪的测量精度高。若按有效扫描距离分类,则三维激光扫描仪可分为表1-2所示的三种类型。

表1-2三维激光扫描仪分类(按有效扫描距离)

表1-2三维激光扫描仪分类(按有效扫描距离)

最近几年,三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟。三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体,无须反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据,从而高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。三维激光扫描技术及应用已经成为当前研究的热点之一,并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

4.倾斜摄影测量测绘技术

近年来国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来,发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术,简称倾斜摄影技术。通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器同时从多个角度采集地面影像(图1-6),克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性,能够更加真实地反映地物的实际情况,弥补了正射影像的不足。相对于正射影像,倾斜影像能让用户从多个角度观察物体,更加真实地反映了地物的实际情况,极大地弥补了基于正射影像分析应用的不足,通过配套软件的应用,可直接利用成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等属性的量测,扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用,针对各种三维数字城市应用,利用航空摄影大规模成图的特点,加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式,能够有效地降低城市三维建模成本。

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图1-6倾斜摄影测量场景图

(1)倾斜摄影测量模型生成方式。倾斜摄影获取的倾斜影像经过影像加工处理,通过专用测绘软件可以生产倾斜摄影模型。模型有两种成果数据:一种是单体对象化的模型,一种是非单体化的模型数据。单体化的模型成果数据,利用倾斜影像的丰富可视细节,结合现有的三维线框模型(或者其他方式生产的白模型),通过纹理映射,生产三维模型。这种模型数据是对象化的模型,单独的建筑物可以删除、修改及替换,其纹理也可以修改,尤其是建筑物底色这种时常变动的信息,这种模型就能体现出它的优势。国内比较有代表性的公司如天际航、东方道尔等均可以生产该类型的模型。非单体化的模型成果数据(以下简称“倾斜模型”),这种模型采用全自动化的生产方式,模型生产周期短、成本低,获得倾斜影像后,经过匀光匀色等步骤,通过专业的自动化建模软件生产三维模型(图1-7)。这种全自动化的生产方式减少了建模的成本,模型的生产效率大幅提高。目前国内比较有代表性的专业软件系统有上海埃弗艾代理的Smart3DCapure、华正及Airbus代理的Street Factory等。

图1-7 Smart3DCapure三维场景构建

图1-7 Smart3DCapure三维场景构建

(2)倾斜摄影测量应用领域。相对于二维地图,在智慧城市的管理体系中,倾斜摄影模型能让用户从多个角度观察地物,更加真实地反映地物的实际情况,弥补基于二维地图及传统虚拟三维模型应用的不足,在新一代城市空间数据基础设施建设中有着巨大的发展潜力。随着我国城市化进程的快速推进,精细化的三维城市模型作为城市规划、建设、管理和信息化的基础数据,得到了日益广泛的应用,并逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。然而,传统的航空和卫星遥感手段主要针对城市建筑顶部进行模型重建,而对侧面的三维重建一直缺少有效的解决手段。倾斜摄影技术的发展,可以有效解决这一难题,将静态的、基于立体像对和点特征的传统摄影测量技术推向了一个新的高度,即动态的、基于多视影像和对象特征的实时摄影测量技术。倾斜摄影三维数据可为智慧城市、规划、国土、测绘、军事、灾害应急、农业、林业、水利、旅游、电力、油田等多种行业提供二、三维一体化的数据来源,通过GIS平台软件对其进行深度应用开发,为各类行业用户提供完整、系统的解决方案与服务。


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