基于實時定位數(shù)字地形圖外業(yè)質(zhì)檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陸克，唐寧，李運健

(廣西壯族自治區(qū)自然資源產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心，廣西 南寧 530023)

1 引 言

隨著測繪地理信息事業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)字正射影像、數(shù)字三維模型等數(shù)據(jù)成果在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，逐漸改變測繪地理信息行業(yè)的方向[1]。然而，在城市規(guī)劃、工程建設(shè)、不動產(chǎn)管理、農(nóng)林業(yè)、軍事地理信息系統(tǒng)建設(shè)等領(lǐng)域，數(shù)字地形圖應(yīng)用仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，是各行業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)資料之一。數(shù)字地形圖的質(zhì)量關(guān)系到各領(lǐng)域規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)、運營管理階段等工作的進度和質(zhì)量，也成為關(guān)乎我國社會經(jīng)濟健康發(fā)展的重大問題。地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是數(shù)字地形圖管理與完善的關(guān)鍵，是集管理與技術(shù)為一體的綜合性工作，同時也是一項艱巨而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在地形圖數(shù)字化作業(yè)過程中，需要針對各個環(huán)節(jié)進行嚴(yán)格控制和檢查，采用有效的技術(shù)手段進行校對，對提高地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量具有十分重要的意義。當(dāng)前，數(shù)字地形圖平面精度和高程精度檢測常用方法為：使用GNSS-RTK或全站儀在野外采集用于平面精度和高程精度的地物點，并將點位標(biāo)記在紙質(zhì)回放地形圖上；回到內(nèi)業(yè)再量測標(biāo)注點的圖上坐標(biāo)和高程值，與儀器野外采集的坐標(biāo)和高程進行對比，計算中誤差，最終完成數(shù)字地形圖平面精度和高程精度的檢測[2]。此種方法檢查工作銜接無序、實時性差、操作復(fù)雜、效率較低，且點位管理不靈活，很容易出現(xiàn)統(tǒng)計錯漏。在數(shù)學(xué)精度檢查和記錄的過程中，容易產(chǎn)生人為因素主觀錯誤，且難以在現(xiàn)場察覺和更正，造成數(shù)學(xué)精度損失等問題。因此如果能實現(xiàn)GNSS接收機與系統(tǒng)的通信，實時獲取平面坐標(biāo)和高程采集結(jié)果，再指定對應(yīng)圖上點位，便可實現(xiàn)數(shù)字地形圖的實時化、準(zhǔn)確化、信息化平面精度和高程精度檢測，將極大提升質(zhì)檢效率。

2 系統(tǒng)總體目標(biāo)與總體框架

數(shù)字地形圖外業(yè)質(zhì)檢系統(tǒng)以《GBT24356-2009測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10大項42類傳統(tǒng)測繪產(chǎn)品和《GBT 18316-2001數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗收規(guī)定和質(zhì)量評定》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4類數(shù)字測繪產(chǎn)品的驗收檢查及質(zhì)量評定工作的管理為要求[3，4]，在實現(xiàn)數(shù)字地形圖無損高性能符號化顯示的基礎(chǔ)上，連接了GNSS接收機與系統(tǒng)的通信，實時獲取平面坐標(biāo)和高程采集結(jié)果，再指定對應(yīng)圖上點位，便可實現(xiàn)數(shù)字地形圖的實時化、準(zhǔn)確化、信息化平面精度和高程精度檢測，極大提升質(zhì)檢效率[5，6]?？傮w設(shè)計了具備完整質(zhì)檢業(yè)務(wù)邏輯的地形圖內(nèi)外業(yè)一體化質(zhì)檢系統(tǒng)，包括任務(wù)管理、質(zhì)檢方案生成、自動化檢查、一體化評價、一鍵式報告輸出、數(shù)學(xué)精度實時檢測、地理精度快速巡查等多項功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則

系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)功能需求以及用戶要求來進行人性化設(shè)計，如圖1所示。首先是利用CORS系統(tǒng)進行高精度實時定位，然后連接平板電腦，通過Android組件的交互巡查環(huán)境進行外業(yè)巡查檢查，包括問題標(biāo)注、要素坐標(biāo)、照片插入、距離測量、動態(tài)繪制等形成巡查意見和精度結(jié)果；最后通過交互巡查環(huán)境與內(nèi)業(yè)作業(yè)相結(jié)合，將地形圖導(dǎo)入進行質(zhì)檢方案定制，并進一步自動化檢查，從而實現(xiàn)錯誤定位、地圖瀏覽、問題標(biāo)注、要素查詢等功能。

圖1 設(shè)計路線

3.2 系統(tǒng)的功能設(shè)計

為了使系統(tǒng)滿足高精度定位要求，達到與紙質(zhì)圖紙接近的使用體驗，界面以接近全屏的方式顯示數(shù)字地形圖，利用平板電腦進行數(shù)據(jù)高清無損顯示。系統(tǒng)操作界面與核心功能模塊如圖2、圖3所示。

圖2 系統(tǒng)操作界面

圖3 系統(tǒng)核心功能模塊

(1)精度點管理功能模塊

為達到與紙質(zhì)圖紙接近的使用體驗，界面以接近全屏的方式顯示數(shù)字地形圖。左側(cè)菜單設(shè)置精度點管理功能模塊包括點采集、刪除點、編輯點等，可實現(xiàn)數(shù)字地形圖質(zhì)量檢查的實時采集、實時檢查；右側(cè)設(shè)置采集點界面，實時播報采集點坐標(biāo)的信息。滿足外業(yè)系統(tǒng)人機作業(yè)要求，比傳統(tǒng)外業(yè)紙質(zhì)巡查更具有現(xiàn)勢性。

(2)圖層管理功能模塊

新建圖層，打開圖層、管理圖層，這種圖層管理方法有益于歷史數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用，在平板上操作簡單，時效性快。

(3)量測功能模塊

在數(shù)字地形圖上提供坐標(biāo)、高程、長度、面積等量測功能，為檢測數(shù)字地形圖成果提供直接工具。通過設(shè)置精度閾值，可在現(xiàn)場評價數(shù)字地形圖的數(shù)學(xué)精度，并輸出質(zhì)檢記錄。外業(yè)質(zhì)檢工作快人一步，一鍵獲取，真正實現(xiàn)了自動化檢查。

(4)RTK設(shè)置功能模塊

RTK設(shè)置功能主要是解決平板與RTK連接獲取實時坐標(biāo)問題，包括基本參數(shù)設(shè)置、儀器連接、測量設(shè)置、坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)普通手簿連接功能。

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多系統(tǒng)平臺下數(shù)字地形圖高性能無損符號化顯示與交互技術(shù)

系統(tǒng)采用CAD控件作為數(shù)字地形圖內(nèi)外業(yè)一體化質(zhì)檢系統(tǒng)的DWG顯示交互、二次開發(fā)平臺。該控件支持Windows、IOS、Android等多種平臺，契合了需同時在Android平板上進行外業(yè)檢查和Windows平臺上進行內(nèi)業(yè)檢查的數(shù)字地形圖內(nèi)外業(yè)一體化質(zhì)檢系統(tǒng)的開發(fā)需求，內(nèi)外業(yè)系統(tǒng)使用同一套控件從系統(tǒng)底層保證了內(nèi)外業(yè)系統(tǒng)的一體化，在關(guān)鍵的“空間搜索”上使用了復(fù)雜度極低的算法，并且使用匯編優(yōu)化，可以處理50萬級的實體，圖形的顯示和處理效率得到極大的提高。

4.2 北斗CORS高精度定位設(shè)備與系統(tǒng)實時通信技術(shù)

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展迅猛，基于北斗系統(tǒng)的高精度GNSS設(shè)備，采用無線藍(lán)牙、WIFI等技術(shù)集成于定位設(shè)備中，實現(xiàn)定位裝備與PC、平板電腦等終端的實時交互，可實時獲取GNSS設(shè)備厘米級高精度定位結(jié)果。利用GNSS接收機與系統(tǒng)的實時通信技術(shù)，實時獲取GNSS接收機點位采集結(jié)果，再指定對應(yīng)圖上點位，可實現(xiàn)數(shù)字地形圖數(shù)學(xué)精度檢測的實時化、信息化，大大提高了質(zhì)檢效率。

5 系統(tǒng)的功能與實現(xiàn)

5.1 實時圖根控制測量精度檢測

現(xiàn)場采集圖根控制點點位，并與圖根控制測量成果進行關(guān)聯(lián)比對，實時計算圖根控制測量成果與實地檢測的誤差值，當(dāng)出現(xiàn)粗差時，報警提示檢查人員進行復(fù)核[7]。當(dāng)滿足檢測數(shù)量要求后，可計算出圖根控制測量平面和高程誤差的粗差率、平面位置中誤差及高程中誤差，實現(xiàn)現(xiàn)場對圖根控制測量精度的評價。

5.2 實時地物點平面精度檢測

現(xiàn)場采集地物點點位，并與成果圖的點位實時對應(yīng)，形成精度檢測點對，實時計算成果與實地檢測的誤差值，當(dāng)出現(xiàn)粗差時，報警提示檢查人員進行復(fù)核。當(dāng)滿足檢測數(shù)量要求后，可計算出圖幅平面誤差的粗差率和點位中誤差，實現(xiàn)現(xiàn)場對每幅圖平面位置精度的評價。平面點精度采集及平面精度信息分別如圖4、圖5所示。

圖4 平面點精度采集 圖5 平面精度信息

5.3 實時地物點高程精度檢測

現(xiàn)場采集地物或地形特征點高程，將高程點內(nèi)插到成果圖上，形成精度檢測點對，實時計算成果與實地檢測的誤差值，當(dāng)出現(xiàn)粗差時，報警提示檢查人員進行復(fù)核。當(dāng)滿足檢測數(shù)量要求后，可計算出每幅圖高程誤差的粗差率和高程中誤差。高程點精度采集及高程精度信息分別如圖6、圖7所示。

圖6 高程點精度采集 圖7 高程精度信息

5.4 現(xiàn)場邊長精度檢測

現(xiàn)場量取地物點間距，對應(yīng)圖上位置進行標(biāo)記和記錄，形成精度檢測點對，現(xiàn)場計算成果與實地檢測的誤差值。當(dāng)出現(xiàn)粗差時，報警提示檢查人員進行復(fù)核。當(dāng)滿足檢測數(shù)量要求后，可計算出每幅圖的粗差率和間距中誤差。距離精度采集及距離精度信息分別如圖8、圖9所示。

圖8 距離精度采集 圖9 距離精度信息

5.5 地理精度巡查

系統(tǒng)可針對各類錯誤在圖上進行標(biāo)注，內(nèi)容包括錯誤類型、錯誤等級、錯誤個數(shù)、錯誤描述，對圖上標(biāo)記也可進行刪除、查找、編輯等操作，實現(xiàn)對數(shù)字地形圖地理精度巡查記錄與錯漏分類，并對其地理精度進行評價，極大地提高了檢查的工作效率，同時也確保了地理精度質(zhì)量元素檢查的真實性和可靠性。

5.6 現(xiàn)場樣本照片采集

在地理精度巡檢及數(shù)學(xué)精度檢測過程中，可通過設(shè)備實時定位技術(shù)及拍照功能，獲取現(xiàn)場照片或地物的樣本特征[8，9]。以拍攝現(xiàn)場照片的方式記錄檢查存在的典型問題，為外業(yè)檢查工作收集證據(jù)，有效避免與作業(yè)單位的事后爭端等問題，確保了各項檢查工作的真實性、可追溯性。

5.7 外業(yè)軌跡記錄

可定位檢查人員所在位置并對檢查人員軌跡做記錄。GNSS導(dǎo)航定位裝置與平板電腦的實時交互技術(shù)，能將檢查人員當(dāng)前位置及行進軌跡進行記錄，有利于對各級檢查工作的監(jiān)督，避免弄虛作假，確保各級檢查的真實性、合理性及有效性。同時，監(jiān)管部門還可以對生產(chǎn)部門項目實施“兩級檢查、一級驗收”制度的實行情況進行有效監(jiān)督[10]。

5.8 檢查數(shù)據(jù)導(dǎo)出

外業(yè)檢查完成之后，可導(dǎo)出外業(yè)檢查意見記錄表、數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計表、軌跡記錄、照片數(shù)據(jù)等檢查結(jié)果，用于最終質(zhì)檢報告的編寫。數(shù)字地形圖外業(yè)質(zhì)檢系統(tǒng)功能與實現(xiàn)如圖10所示。

圖10 數(shù)字地形圖外業(yè)質(zhì)檢系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

6 結(jié) 論

本文以測繪地理信息數(shù)字地形圖質(zhì)量檢查為切入點，探討基于我國的北斗CORS高精度導(dǎo)航定位技術(shù)，無線藍(lán)牙、WiFi等通信技術(shù)集成于Android移動平臺，形成高效快捷的數(shù)字地形圖外業(yè)質(zhì)檢系統(tǒng)，外業(yè)無紙化檢查、信息化數(shù)據(jù)獲取，全面提高數(shù)字化地形圖的質(zhì)量檢查的工作效率及可靠性，主要取得以下成效：

(1)解決衛(wèi)星-GNSS接收機-平板電腦的實時通訊問題，實現(xiàn)同一臺平板電腦，對南方、中海達、華測以及自主研發(fā)的好測GNSS接收機等設(shè)備的兼容，數(shù)字地形圖數(shù)學(xué)精度檢測的實時獲取。

(2)可實現(xiàn)外業(yè)現(xiàn)場導(dǎo)入不同品牌全站儀及不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)，并計算點位誤差、粗差率等信息，最終獲得每個圖幅的點位中誤差。取代以往外業(yè)獲取數(shù)據(jù)，到內(nèi)業(yè)才能獲取點位精度的模式。

(3)解決軌跡跟蹤記錄及樣本點采集問題，能表現(xiàn)一、二查的檢查內(nèi)容的真實性和數(shù)量型范圍，對前序檢查實現(xiàn)監(jiān)督，兩級檢查和檢查驗收可實現(xiàn)溯源。

(4)優(yōu)化檢查工作流程。除在密集的居民區(qū)地物點點位精度檢測以外，可實現(xiàn)“一人一設(shè)備”外業(yè)檢查的全部工作。

(5)采用最新的檢查方法和手段，摒棄傳統(tǒng)紙筆檢查模式，全面提高數(shù)字地形圖的質(zhì)量檢查的工作效率及可靠性。比如：網(wǎng)絡(luò)RTK+安卓平板電腦、5G信號、基于第三方軟件無損讀取CAD的數(shù)據(jù)格式，更適合最新技術(shù)人員的日常作業(yè)模式，體現(xiàn)了檢查驗收工作的與時俱進。