第八章 地形數(shù)據(jù)采集及處理

1、第七章 地形數(shù)據(jù)采集與處理(采用教材公路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)符辛砂編)第一節(jié) 地形數(shù)據(jù)采集的分類及特點(diǎn) 公路設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)的來(lái)源有3種方法：即航測(cè)、地形圖數(shù)字化和野外實(shí)測(cè)。地形數(shù)據(jù)采集的分類如圖7.1所示。 圖7.1 數(shù)據(jù)采集方法分類第二節(jié) 野外實(shí)測(cè)采集地形數(shù)據(jù) 野外實(shí)測(cè)采集數(shù)據(jù)的方法主要有全站儀、GPS和傳統(tǒng)測(cè)量方法等3種。1 全站儀采集地形數(shù)據(jù) 當(dāng)沒(méi)有航測(cè)資料及大比例地形圖的情況下，可以采用全站儀或測(cè)距儀來(lái)采集地形數(shù)據(jù)。1.1 全站儀測(cè)量原理 全站儀是集測(cè)距（水平、斜距）、測(cè)角（水平、豎直）、坐標(biāo)、高程、放樣、記錄和數(shù)據(jù)傳輸于一體的自動(dòng)化的現(xiàn)代光電測(cè)量設(shè)備。它由光電測(cè)距儀、電子經(jīng)緯儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2、組成。1) 光電測(cè)距原理 用于工程測(cè)量的全站儀大多采用紅外測(cè)距儀的相位法測(cè)距原理。紅外測(cè)距儀以砷化鎵發(fā)光二級(jí)管作為光源。當(dāng)給砷化鎵發(fā)光二級(jí)管注入一定的恒定電流，它發(fā)出紅外光，其光強(qiáng)恒定不變； 若改變電流大小，光強(qiáng)也隨之改變。若在砷化鎵發(fā)光二級(jí)管上注入頻率為f的交變電流，則光強(qiáng)也按頻率f 發(fā)生變化，這種光稱為調(diào)制光。相位法測(cè)距發(fā)出的光就是連續(xù)的調(diào)制光。 如圖7.2所示，設(shè)用測(cè)距儀測(cè)定A、B兩點(diǎn)間的距離D，在A點(diǎn)安置測(cè)距儀，在B點(diǎn)安置反射鏡。 由儀器發(fā)出調(diào)制光，經(jīng)過(guò)距離 D到達(dá)反射鏡，再返回到儀器接收系 統(tǒng)。如果能測(cè)出光在距離D上的往返 傳播的時(shí)間t，則AB的距離即可按下 式求得：D= ct 式中

3、：c為調(diào)制光在大氣中的傳 播速度。為了說(shuō)明問(wèn)題將從反射鏡B返回的光波在測(cè)距方向上展開(kāi)，如圖7.3所示。 21圖7.2圖7.3 顯然，調(diào)制光返回到A點(diǎn)時(shí)的相位比發(fā)射時(shí)延遲了 。設(shè)整波長(zhǎng)長(zhǎng)度為，N為整波個(gè)數(shù)，則D= /2= （N+N）/2D= (N+ /2 ) = u(N+ N) 上式中， 可以測(cè)定，但N無(wú)法測(cè)出，所以D還是無(wú)法測(cè)定。如果調(diào)制光的波長(zhǎng)，并使/2D，則D= /2 測(cè)量中把/2稱為“光尺”，要想測(cè)定100m的距離，就要選用100m的“光尺” 。但是由于儀器存在測(cè)距誤差，它與“光尺”長(zhǎng)度成正比，約為光尺長(zhǎng)的1/1000，光尺長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)距誤差越大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前多采用兩把“光尺”

4、配合使用，一把尺的調(diào)制頻率f約為15MHZ， “光尺” 長(zhǎng)度為10m，用來(lái)確定分米、厘米、毫米位數(shù)，是保證測(cè)距精度的，稱為“精尺”，另一把的調(diào)制頻率f約為150kHZ， “光尺” 長(zhǎng)度為1000m，用來(lái)確定米、10米、100米位數(shù)，滿足測(cè)程要求，稱為“粗尺”。把兩把尺配合起來(lái)使用，就可以測(cè)定1000米以內(nèi)測(cè)距數(shù)字顯示問(wèn)題。221.2 全站儀作業(yè)方法 目前，全站儀用于公路工程測(cè)量的方法有：導(dǎo)線測(cè)量、中線測(cè)量、橫斷面測(cè)量、路線放樣測(cè)量、橋涵放樣測(cè)量、地形圖測(cè)繪等。2 GPS采集地形數(shù)據(jù) 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning Sistem，GPS)是全球性的衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，它能向全

5、世界任何地方的用戶觀測(cè)站提供連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)位置、速度和時(shí)間信息。80年代應(yīng)用于公路勘察采集數(shù)據(jù)，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 目前 ，全世界只有2套全球規(guī)模的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即美國(guó)建立的GPS(Global Position System)系統(tǒng)和俄羅斯建立的格拉納斯(GLONASS)系統(tǒng)。此外，由歐盟和歐洲航天局醞釀已久的伽利略計(jì)劃正在緊鑼密鼓地實(shí)施中。 整個(gè)系統(tǒng)包括空間衛(wèi)星、地面控制站和用戶接收站3個(gè)部分。 地面控制部分有一個(gè)主控站(美國(guó)衛(wèi)星系統(tǒng)的主控站位于科羅拉多洲的Springs），負(fù)責(zé)監(jiān)控Gps的工作；另有若干個(gè)注入站（位于大西洋、太平洋和印度洋中的各島），它的任務(wù)是連續(xù)跟蹤所有可視

6、的衛(wèi)星，控制和預(yù)報(bào)衛(wèi)星飛行器的軌道，連續(xù)地注入衛(wèi)星要發(fā)播的信息，作出衛(wèi)星的星歷預(yù)報(bào),校準(zhǔn)衛(wèi)星鐘以及更新導(dǎo)航電文。 用戶部分為設(shè)有接收機(jī)的觀測(cè)站，接收機(jī)包含有天線、接收設(shè)備、微處理器、和輸入輸出設(shè)備等專門進(jìn)行觀測(cè)和記錄若干個(gè)衛(wèi)星發(fā)播的信息，通過(guò)軟件計(jì)算獲得所需測(cè)繪數(shù)。 所謂衛(wèi)星定位即是依靠空間衛(wèi)星傳送到地面接收機(jī)的信號(hào)，從電磁波的時(shí)間和速度或是波長(zhǎng)與相位判別距離。 衛(wèi)星相對(duì)于地球來(lái)講，它可以看成是有一定運(yùn)動(dòng)軌跡的控制點(diǎn)。利用衛(wèi)星的軌道參數(shù)，通過(guò)計(jì)算可以知道衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)，當(dāng)從某一地面接收點(diǎn)接受來(lái)自二個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，則利用測(cè)量而得的距離進(jìn)行空間后方交會(huì)可以判別接收機(jī)所在點(diǎn)的位置（三維坐標(biāo)），這種單點(diǎn)

7、定位方法稱為絕對(duì)定絕對(duì)定位位法。 圖7.4 如果在二個(gè)接收站同時(shí)觀測(cè)同一組衛(wèi)星，則可以判明二站間的相對(duì)距離（二站間的坐標(biāo)差稱為相對(duì)定位法。 單點(diǎn)絕對(duì)定位法的精度，一般可達(dá)10余米，僅能滿足導(dǎo)航或初步勘察的要求。 雙點(diǎn)聯(lián)測(cè)的相對(duì)定位法由于抵消了二個(gè)觀測(cè)站的共同誤差，若方法合適，軟件優(yōu)良其精度可達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)（10km內(nèi)達(dá)到5mm）完全可以滿足大地測(cè)量和工程測(cè)量的要求。圖7.5 GPS定位技術(shù)減少了野外作業(yè)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，它不受天氣和作業(yè)時(shí)間的限制，不要求觀測(cè)站之間通觀，只要各個(gè)觀測(cè)站都能通向衛(wèi)星，觀測(cè)站之間的距離即可精確測(cè)定。由于它的自動(dòng)化程度高，觀測(cè)速度快定位精度高，接收機(jī)的體積小使用方便

8、，其經(jīng)濟(jì)效益甚為顯著。 國(guó)內(nèi)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明在大地測(cè)量中做控制網(wǎng)時(shí)二維平面位置求解精度相當(dāng)好，僅在高差方面較差一些。根據(jù)二站的相對(duì)坐標(biāo)差推算而得網(wǎng)站的間距和方位角，精度也很好。目前在我國(guó)生產(chǎn)中已發(fā)揮了積極的作用。 為建立公路CAD基礎(chǔ)的數(shù)字地形模型，在當(dāng)前條件下可以采用GPS測(cè)定控制網(wǎng)與全站儀地面速測(cè)相結(jié)合的方法（見(jiàn)圖7.6）或是采用地面GPS控制。航空攝影和機(jī)載GPS相結(jié)合的方法（見(jiàn)圖7.7）。 圖7.6 圖7.7 近年來(lái)新發(fā)展了GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real Time Kinematics，RTK)測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位的要求，利用該技術(shù)可以進(jìn)行地形圖測(cè)繪、路線放樣、橋涵放樣等測(cè)量工作，極大

9、地提高了測(cè)量精度與效率。 GPSRTK技術(shù)（見(jiàn)圖7.8），需要至少2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)，其中1臺(tái)為基準(zhǔn)站，放在已知控制點(diǎn)上，其它的接收機(jī)可作為“移動(dòng)臺(tái)”，自由地在要確定的目標(biāo)位置上移動(dòng)。一般活動(dòng)范圍在35kM。圖7.8 GPSRTK系統(tǒng)第三節(jié) 地形圖數(shù)字化 地形圖數(shù)字化即對(duì)已有地形圖進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化為數(shù)字地形模型。地形圖數(shù)字化的方法有二種：一是采用跟蹤式數(shù)字化儀將等高線地形圖轉(zhuǎn)換為矢量式三維數(shù)字地面模型；另一種是采用圖形掃描儀將地形圖轉(zhuǎn)換成為格柵式模型存入計(jì)算機(jī)，或另有軟件轉(zhuǎn)換為矢量式模型。一、數(shù)字化儀基本原理及作業(yè)方式 數(shù)字化儀是由一個(gè)數(shù)字化平面板（感應(yīng)板）和裝在其基座里的電子元件以及輸入裝置

10、組成，數(shù)字化儀靠?jī)?nèi)部產(chǎn)生的低能電磁波作為機(jī)器定位和控制。操作時(shí)利用輸入裝置游標(biāo)來(lái)確定數(shù)字化儀平面上的各個(gè)位置，數(shù)字化與主機(jī)正確相連后，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，鼠標(biāo)所在位置上的X,y坐標(biāo)就可以實(shí)時(shí)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成平面圖形到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換的采集。二、數(shù)字化儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 數(shù)字化儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即將數(shù)字化板上的笛卡兒坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)中的坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）。它要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等換算。 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換有4個(gè)定向元素，至少2個(gè)定向控制點(diǎn)，當(dāng)多于2個(gè)定向點(diǎn)時(shí)，可以采用最小二乘原理求解4個(gè)定向元素。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖4.9所示。 設(shè)數(shù)字化儀量測(cè)坐標(biāo)為xs、ys，大地坐標(biāo)為xt、yt，兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位移為x0、y0

11、，旋轉(zhuǎn)角為。對(duì)于2點(diǎn)定位時(shí)，解下列線型方程組可得到4個(gè)定向元素x0、y0、Cos、Sin。圖4.9yt0y0ytxtxtx0ys Sinxs Cost0ysysysCos xsSinxsxs 為了提高測(cè)量精度，可以采用多于2個(gè)定向點(diǎn)來(lái)確定定向元素。若有n個(gè)定向點(diǎn)時(shí)，則有2n個(gè)方程，如下所示。 定向點(diǎn)采樣應(yīng)盡可能位于區(qū)域邊緣。對(duì)于2點(diǎn)定向，宜選在區(qū)域邊緣的對(duì)角線上，對(duì)于多點(diǎn)定向，宜選在待數(shù)字化區(qū)域的四周。 三、地形圖圖紙變形糾正 由于地形圖經(jīng)藍(lán)曬、復(fù)印后，圖紙具有各種變形，經(jīng)大地歸化后的數(shù)據(jù)仍存在著圖紙變形所帶來(lái)得誤差。為保證量測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和高精度，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)糾正。 圖紙變形是很復(fù)雜的

12、，變形可分為線性變形、非線性變形和角度變形等幾種。 線性變形是最為簡(jiǎn)單的變形，糾正也比較方便。其變形由相應(yīng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)之間的關(guān)系計(jì)算求得。 對(duì)于變形較大的圖紙按上述方法糾正其效果并不理想。采用數(shù)學(xué)中仿射變換的雙線性函數(shù)進(jìn)行逐點(diǎn)變形改正，效果較好，能有效的消除或減少圖紙線性、非線性以及角度變形所引起的平面坐標(biāo)誤差。具體做法是：先量測(cè)測(cè)區(qū)四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到其轉(zhuǎn)換后的四對(duì)平面坐標(biāo)xc、yc，并輸入相應(yīng)四點(diǎn)的已知坐標(biāo)xt、yt。 從上式中可以求解糾正系數(shù)a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4。大地歸化后的坐標(biāo)為： 逐點(diǎn)變形糾正后的大地坐標(biāo)為：由四個(gè)角點(diǎn)的八對(duì)坐標(biāo)，可列出下面誤差改

13、正式： 四、地形圖數(shù)字化輸入 1 等高線的輸入 操作人員從鍵盤(pán)輸入等高線值，然后用游標(biāo)的十字絲跟蹤該等高線，依次將其以點(diǎn)陣方式輸入。 2 地物、地貌等圖形的輸入 為提高輸入速度和精度，減少出錯(cuò)，最好的方法是在數(shù)字化面板的感應(yīng)區(qū)內(nèi)根據(jù)地形圖的各種圖示、符號(hào)的特點(diǎn)，自定義一個(gè)數(shù)字化輸入菜單。菜單一般應(yīng)與野外測(cè)量代碼一致，在菜單區(qū)內(nèi)劃分為若干個(gè)小方格，每一方格代表一個(gè)圖示符號(hào)或數(shù)字。輸入時(shí)，根據(jù)需要可隨時(shí)在菜單上點(diǎn)入其編碼和高程值等信息，減少錯(cuò)誤，提高輸入速度。數(shù)字化儀規(guī)劃板如圖7.10所示。4.10 數(shù)字化儀面板規(guī)劃圖五、地形圖的掃描數(shù)字化 采用數(shù)字化儀輸入地形圖需要大量人工操作，而采用掃描儀可以

14、將圖紙快速輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)。但掃描后的圖象處理問(wèn)題是關(guān)鍵。目前有二種處理方法：一種是直接將掃描后的光柵圖象，作為底圖與新設(shè)計(jì)的圖形疊加起來(lái)，稱為“光柵與圖形混合編輯方法”，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理簡(jiǎn)單，圖形不會(huì)失真具有較高的精度；存在的問(wèn)題是為獲得一定的清晰度，需要處理很大的點(diǎn)陣信息量，處理速度較慢；另外由于生成的光柵圖象，無(wú)法轉(zhuǎn)換為數(shù)字地形模型。 另一種方法是將掃描后的光柵圖象轉(zhuǎn)化為圖形文件，稱為“矢量化方法”，其優(yōu)點(diǎn)是將大量的點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)化的矢量信息，如DXF文件，能為大多數(shù)CAD系統(tǒng)能識(shí)別和處理；對(duì)于等高線地形用專用數(shù)字地模型軟件能轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字地形模型。存在的問(wèn)題是通過(guò)這種方法處理的圖形其

15、效果并不理想，還有待進(jìn)一步探索和研究。課 后 作 業(yè)1 現(xiàn)代化數(shù)據(jù)采集方法與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法有何不同？2 全站儀有那些功能？在地形數(shù)據(jù)采集和處理上與光學(xué)經(jīng)緯儀相比有那些優(yōu)點(diǎn)？3 地形圖數(shù)字化分哪二種方法？簡(jiǎn)述數(shù)字化儀輸入地形圖及處理地性信息的過(guò)程。4 GPSRTK技術(shù)有何特點(diǎn)？ 尼康Nikon 萊卡Laika 索佳Set 脫普康Topcom 美國(guó)建立GPS前后經(jīng)歷了20年(1973-1993年)，耗資300億美元。GPS系統(tǒng)由分布在6個(gè)近似圓形的軌道上的21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道上有4個(gè)衛(wèi)星，軌道高度20182公里，衛(wèi)星繞地球一周需要11小時(shí)58分，軌道傾角55。 這樣地球上任

16、何地方任何時(shí)刻都能收到至少4顆衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，最多可達(dá)11顆。 GPS可提供2種定位服務(wù)，即精密定位服務(wù)(PPS)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)。 PPS的主要對(duì)象是美國(guó)和盟軍的軍事部門及其他特許部門，單點(diǎn)定位精度可達(dá)3米. SPS的主要對(duì)象是民間用戶，采用C/A碼定位，2005年5月1日前的單點(diǎn)定位精度為100米，但如果用戶采用合理的差分GPS技術(shù)可以將精度提高到5米左右。2005年5月1日起，美國(guó)迫于伽利略計(jì)劃的壓力，將定位精度由原來(lái)的100米提高到10米。 俄羅斯的格拉納斯GLONASS是前蘇聯(lián)從20世紀(jì)80年代處開(kāi)始建設(shè)的與美國(guó)GPS類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)， GLONASS的衛(wèi)星均勻地分布在3個(gè)

17、近圓形軌道平面上，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運(yùn)行周期為11小時(shí)15分，軌道傾角55.8。 單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6米，垂直方向?yàn)?5米。 目前GLONASS系統(tǒng)采用的是軍民合用，不加密的開(kāi)放政策。 由于GLONASS衛(wèi)星的平均在軌壽命為35年，原來(lái)在軌衛(wèi)星早已退役， GLONASS基本上處于將效運(yùn)行狀態(tài)，一直只有8顆衛(wèi)星是全功能工作的。 在2002年底， GLONASS有12顆完全工作的衛(wèi)星。 目前試運(yùn)行的是GLONASS第二代， 稱為GLONASS-M，設(shè)計(jì)壽命為7年。 2005年俄羅斯計(jì)劃設(shè)計(jì)GLONASS第三代衛(wèi)星GLONASSK，設(shè)計(jì)壽命為10年。 伽利略計(jì)劃是歐

18、洲旨在建設(shè)獨(dú)立于美國(guó)GPS的一項(xiàng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)劃。歐洲航天局及其成員國(guó)法國(guó)是該計(jì)劃的最積極倡導(dǎo)者。該項(xiàng)計(jì)劃完成后，不但可以使歐洲擁有自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，為公路、鐵路、空中和海上交通運(yùn)輸工具提供有保障的導(dǎo)航定位服務(wù)，獲得工業(yè)和商業(yè)效益，而且可以使歐洲贏得建立歐洲共同安全防務(wù)體系的條件。 伽利略計(jì)劃將于2008年完成，建設(shè)總額大約在32億到36億歐元之間，其中啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)為11億歐元，由歐洲航天局和歐盟分別承擔(dān)50。另外的21億到25億歐元為系統(tǒng)展開(kāi)階段費(fèi)用，其中包括發(fā)射30顆衛(wèi)星。 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)將由30顆軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)星的軌道高度為2.4萬(wàn)公里，傾角為56度，分布在3個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面部署9顆工作星和1顆在軌備份星?！百だ浴睂橛脩籼峁┱`差不超過(guò)1米、時(shí)間精確的定位服務(wù)。 伽利略與GPS相比，有較大的不同和優(yōu)越性。例如，“伽俐略”系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量多、軌道位置高、軌道面少；“伽俐略”更多用于民用， 可為地面用戶提供3種信號(hào)：免費(fèi)使用的信號(hào)、加密且需交費(fèi)使用的信號(hào)、加密且需滿足更高要求的信號(hào)。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍