收稿日期:2008 11 08
作者简介：周东卫(1981 )，男,2007年毕业于西南交通大学大地测量与工程测量专业，工学硕士，助理工程师。 应用智能型全站仪与PDA 掌上电脑实现
周东卫
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)
Expl oration for Auto matic Collection of CP Data w ith Intelligent Total
Station M achi ne and PDA Handset Co mputer
Zhou Dongw ei
摘 要 提出了掌上电脑PDA 与智能型全站仪实现CP 测量的新方式。介绍了数据采集的基本原理，分析了系统实现的关键技术，阐述了系统计算的基本原理，可实现的基本功能以及系统达到的效果等。该系 统实现的方法可显著提高劳动效率，保障测量精度，增强数字化测量能力。
关键词 CP 掌上电脑PDA 智能型全站仪
1 概述
高速铁路基桩控制网(CP )是高速铁路无碴轨道铺设和日后运营维护的基准，其精度高低将直接影
响着轨道安装几何线形的平顺性。与有碴轨道相比，无碴轨道的突出特点之一就是轨道的高平顺性，它直接限制着列车的运行速度，这就要求线路必须具备非常准确的几何线形参数，这对CP 控制基准的测量精度提出了极高的要求。
针对CP 测量具有外业数据采集量大、测量精度要求高等特点，为了提高数据采集的效率和可靠性，需要开发一套适合于CP 控制网测量作业的外业数据采集系统，系统设计应能实现数据采集的自动化、智能化和数字化，并具有完善的实时数据质量控制功能，能有效地保证外业观测数据的可靠性和正确性；同时数据存储要规范化，以能与后续CP 控制网平差计算实现无缝连接。掌上电脑PDA (Personal D i g ital Assis tant)体积小、携带和操作方便，并能适应外业勘测作业方式所需的现场记录、处理、贮存和管理数据的需求，对此，选用PDA 作为测量数据采集平台，采用V is ual C #.NET 编程语言，针对Tri m ble Robo tic S 系列具有目标自动识别与精确照准功能的智能型全站仪开发
了基于PDA 的CP 精密控制测量数据自动化采集系统。本文将从CP 数据采集的基本原理、系统实现的关键技术、系统计算原理以及基本功能等方面对系统实现的原理与方法进行阐述。 2 数据采集基本原理
CP 网控制点被设置于线路两侧的接触电杆上，电杆间距一般为50~60m，呈对点布设，如图1所示。由于CP 网具有点数多、数据采集量大以及原始数据精度要求高等特点，数据采集将采用自由设站和后方交会两种测量模式。首先，要在相邻的两对CP 目标点之间进行自由设站，然后对该测站150m 范围内的2 6个CP 点进行观测学习，待目标点学习完毕后，采集系统即可自动搜寻并精确照准目标点棱镜进行方向和边长信息的采集；当该测站观测完成后，拆除测量仪器，然后在下一区域设站(相邻测站距离约为120m )，同时要对上一测站的3~4对CP 点进行重复观测。在对重复点进行观测时，首先需要在该测站对上一测站的任意两个重复CP 点进行观测学习，利用这两个重复点采用边角联合后方交会的方法
[4]
可交会
三基光源出该测站点的位置(即后方交会设站模式)，然后以该测站和各重复目标点的位置信息推算出各重复点
的方向和天顶距观测信息，即可完成重复点的学习。重复点学习完毕后再对该测站上其余的CP 点进行观测学习，然后采集系统即可对该测站的CP 点进行自动
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应用智能型全站仪与PDA 掌上电脑实现CP 数据自动化采集：周东卫
测量，后续测站也将采用上述后方交会的设站模式进行CP 控制点的测量。CP 数据采集示意如图1
所示。
图1 CP 数据采集的基本原理
3 系统实现关键技术
3 1 PDA 与Tri m ble 全站仪之间的通讯协议
对T ri m b le 仪器进行基于PDA 的软件功能扩展需要借助于Tri m ble Survey M anager(简称TS M )测量程序,TS M 是Tri m ble 测量产品的应用程序，通过其开放的统一接口，可以控制和操作T ri m ble 的各种全站仪和GPS 设备，并进行双向的数据传输，还可以在二次开发模块中调用既有功能模块。CP 数据自动采集系统开发针对Tri m b le Robotic S 系列智能型全站仪，采用向TS M 应用程序发送命令和接收其返回数据的模式来实现对仪器的控制。常用的操作命令主要有:
(1)激活角度、距离观测值命令
$PGNV,C M D ,M SG,[应用程序标题],TAC ,1,,*检校和[CR][LF]
(2)调用全站仪进行角度、距离测量命令$PGNV,C M D ,APP ,[应用程序标题],DHV,1,,*检校和[CR][LF]udn
(3)调用全站仪旋转拨角命令
$PGNV,C M D ,APP ,[应用程序标题],TURN,1,[水平方向(rad)],[天顶距(rad)]*检校和[C R ][LF]
(4)调用TS M 功能窗口命令
$PGNV,C M D ,APP ,[应用程序标题],[功能窗口命令],1,,*检校和[CR ][LF]
功能窗口命令主要有以下几种。
MA I N :TS M 主界面(仅能启动)CAL I B :TS M 校正窗口(仅能启动)
TSF:TS M 功能窗口(仅能启动)TST:TS M 目标窗口(仅能启动)
TAC :TS M 测量窗口(仅能启动)
向TS M 发送上述指令后，对接收到的信息进行解
析，提取所需要的字段即可完成操作。
3 2 采用多线程技术与全站仪通讯
数据采集系统采用多线程技术，使T ri m b le 全站仪与PDA 通讯在一个完全独立的线程内运行，图2是其流程图。串口通信程序设计采用微软在.NET 平台推出的Seria l P ort 类来实现，通过创建SerialPort 对象，我们可以在程序中控制串口通信的全过程。
(1)打开串口，获取串行端口资源。用Serial P o rt 类封装的Open()函数打开指定串行端口及相关的操作属性，当串口打开成功后，属性值Is Open 将为True 。该属性将被用于后续通信操作，并贯穿整个通信过程。
(2)配置串口。从端口读写数据之前，需要对端口进行配置。串口参数主要为：端口参数Port N a m e 、波特率BaudRate 、数据位DataB its 、停止位StopB its 、奇偶校验Parity 、触发串口事件字节数Rece i v edBytes Thresho l d 、读写超时参数R eadT i m e Ou t 与W rite T i m e Out 等。PDA 与全站仪的配置参数必须相同。
(3)多线程。在通信模块中，使用多线程来解决接收串口数据的问题。多线程技术提供了能在同一时间执行多任务的功能。在串口参数配置好并成功打开后，系统将创建一个读串口数据的独立线程，并调用D ata Rece i v ed()函数用于监视串口事件。系统的分析和计算将在主线程进行。
(4)串口读写操作。运用R eadEx isting ()、W r ite Line()函数完成对串口的读写操作，操作方法与对文件的操作类似。
(5)关闭串口。使用完毕后调用C lose()函数关闭串口资源。
3.3 数据采集的业务流程
数据采集的业务流程主要包括总体业务流程、目标点学习流程以及根据CP 测量的特点而专门设计的相邻测站重复点学习数据自动生成流程。
系统总体业务流程主要包括：项目配置(项目信息、通信参数、仪器参数以及限差信息) 目标点学习 数据自动采集 实时数据质量控制 数据精度报告
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铁 道 勘 察2008年第6期
输出 测站合格观测数据存储 极坐标方法计算各目标点的坐标(将用于下一测站重复目标点的自动寻)等过程。目标点学习流程主要包括：项目配置 人工照准目标点棱镜 输入测站点和目标点点号 仪器自动锁定棱镜中心 测量水平方向和天顶距信息 测量数据实时显示与存储等过程。
由于CP 施测方法中相邻测站重复点具有关联性，利用极坐标和边角联合后方交会计算方法
[4]
，便
可自动计算出相邻测站重复目标点的学习数据，该功能在实际测量过程中可避免对大量重复点重新进行观测学习，减轻了外业的劳动强度，可极大地提高CP 外业数据的采集效率。
重复目标点学习数据生成算法的主要流程如下：对任意两个重复目标点进行观测学习并导入这两个重复目标点的坐标 采用边角联合后方交会的方法计算出测站点的坐标 导入相邻测站重复点坐标 根据测站点坐标和重复点坐标反算出重复点的水平方向和天顶距等学习信息 学习本测站新目标点 学习完毕后进行数据自动采集。具体计算方法将在系统计算原理部分阐述。
4 系统计算原理4 1 极坐标计算
极坐标计算方法用来计算各测站CP 点的坐标，以便于后续反算出水平方向观测值。本系统通过假设测站点和其中一个目标点的坐标建立局部坐标系。如图3所示,A 、B 为已知点，则由方位角 AB 可得出方位角 BP ，于是可计算出P 点的坐标
:
X P =X B +S BP cos BP Y P =Y B +S BP sin BP
(1)
图3 极坐标计算原理
4 2 边角联合后方交会计算
HOST 格式边角联合后方交会计算方法用于由相邻测站重复点坐标交会下一测站点的坐标，进而可用于重复目标点的自动寻。如图4所示,XOY 为测量坐标系,I 为已知控制点,P 为自由设站的测站点
(即待定点);X PY 为以P 为原点，以仪器度盘零方向为X 轴的局
部坐标系,a 0为X 与X 方向的夹角。当在P 点上观测
图4 边角联合后方交会原理
到了I 点的水平距离S i 和水平方向观测值a i 之后，其在X PY 坐标系中的局部坐标(X ,Y )为
X i Y
木工艺品制作
i
=
S i co s i S i s i n i (2)
将其从X PY 坐标系转换到测量坐标系XOY 中，则有
X i -X P Y i -Y P
=K
cos 0-sin 0sin 0
cos 0
X i Y
i玻璃钢套管
(3)
其中,(X i ,Y i )为控制点I 在XOY 坐标系中的坐标,(X P ,Y P )为测站点P 在XOY 坐标系中的待求坐标,a 0为水平度盘0方向的坐标方位角,K 是考虑气象条件等的比例误差系数。
令c =K cos 0,d =K si n 0，且令控制点I 坐标变换后为虚拟观测值，则其与原始已知坐标之差为虚拟观测值改正数(V x i ,V y i ),X P 、Y P 、c 、d 为待求未知量，控制点I 可列立如下误差方程
V x i V y i
=
10X
i -Y i
01
Y
i
X
i
X P
Y P c d
-
X i Y i
(4)
当观测的控制点数多于2个时，按最小二乘原理组成法方程解算X P 、Y P 的最或然值(具体的误差方程组成及其解算方法参考文献[4])。
4 3 已知平面坐标和高程信息反算水平方向和天顶距
为了实现相邻测站重复目标点的自动寻，需要
通过各重复目标点和测站点的坐标值反算出水平方向和天顶距观测值。首先需要由已知平面坐标反算出水平方向观测值，计算公式如下:
D ir BP =D ir BA + BP - BA 360
(5)
其中, BP 和 BA 为BP 和BA 边的方位角,D ir BP 和D ir BA 为其相应的水平方向值，且BA 边为起始方向值。然
后再由已知高程值反算出度盘的盘左天顶距(如图5所示)。
ZD 左=arctan [HD /(H P -H B )]
(6)
计算出BP 边的水平方向和天顶距之后，仪器即
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应用智能型全站仪与PDA 掌上电脑实现CP 数据自动化采集：周东卫
图5 已知高程值反算天顶距
可自动到目标点的棱镜中心。
5 系统基本功能5 1 文档管理功能
系统按工程项目进行管理和处理，对采集过程中生成的过程文件和成果文件均在所创建的工程项目中进行统一的管理，既方便用户使用，也便于存档和调阅。系统还对原始观测数据进行了加密，防止人为对测量成果的改动，保证测量成果的可靠。
5 2 数据通信功能
系统实现了与不同仪器进行串口通信的功能，通过PDA 可控制全站仪进行测量，同时全站仪测量的数据也可传回到PDA 进行计算分析与存储。如图6
所示。
图6 串口通信参数设置界面
5 3 数据质量控制
如图7所示，系统可按不同的测量精度要求灵活设置限差，并在测量过程中每半测回、一测回与测站观测完成时，对各项限差进行实时检核，保证测量成果的正确可靠。
5 4 数据采集自动化与智能化
系统在数据采集过程中无需人工照准和干预，通过内部计算可实现相邻测站重复目标点的自动寻，完全实现了测量过程的自动化与智能化。如图8和图9所示。
5 5 完整的输出成果
系统输出成果比较完整，主要包括项目配置信息、
学习点信息、目标点坐标文件、临时观测文件、合格观
图7 限差设置界面
图8 重复目标点学习信息的自动生成界面
图9 数据自动采集界面
测数据以及观测数据精度文件，并按统一的标准进行输出，与中铁一院开发的 C P 精密控制测量数据处理系统 可实现内外业一体化处理。
6 结束语
PDA 掌上电脑设备与智能型全站仪相连，实时控制全站仪进行外业数据自动采集，通过接收全站仪发送的测量数据，并及时处理、显示、报错、存储、查看，可形成内业数据处理所需要的测量数据文件。基于PDA 的CP 精密控制测量自动化数据采集系统的开发，有效解决了客运专线无碴轨道施工控制网数据采集中测量任务繁重、观测数据精度要求高等问题，它是现行勘测技术方法的重要补充，对提高野外测量工作
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铁 道 勘 察2008年第6期
的效率和质量，推动测量数据采集和处理的自动化、数字化、高效化与测量数据管理的科学化与标准化，促进内外业一体化的进一步发展，具有重要的实际意义。该系统已在郑西客运专线等多项工程中应用，产生了显著的经济效益。
参
考
文
献
[1] 铁建设[2006]189号，客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定
[S]
[2] GB /T15314 94 精密工程测量规范[S]
[3] 李延山.全站仪自由设站坐标解求和精度分析[J].工程建设与档
案,2003(3):31 32
[4] 赵 波，高树江.掌上野外数据采集系统的实现及其关键技术
[J].测绘工程,2001(10):32 35
[5] 黄远宏.应用全站仪与PDA 掌上电脑实现既有铁路测量一体化
原理探讨[J].铁道勘察,2007(1):21 23
收稿日期:2008 10 28
作者简介：欧阳平(1978 )，男,2007年毕业于中国地质大学资源与环境遥感专业，工学硕士，工程师。
CASS 与HTCAD 的方格网法土方计算比较
欧阳平
(漳州市测绘设计研究院，福建漳州 363000)
Co mparison bet ween CASS and HTCAD i n Calcul ation
of Eart hwork w it h Gri d Net work M et hod
Ou Y angping
摘 要 在工程建设中，经常要进行场地整平或改造成设计坡度的斜面，由此产生的土方量计算与
工程投资直接相关，准确、快速地计算土方量对开展规划设计和控制总投资及分配资金具有重要意义。分析比较了两种常用土方计算软件，用相对成熟精确的方格网法，对同一块场地进行土方计算，比较两者的操作性、运算速度和精度，分析其相对优缺点。
关键词 土方计算 方格网 数字地面模型
在工程建设中，常需要将自然地貌改造为水平或带有坡度的场地，以便于布置各类建筑物和构筑物。
土方量的大小与工程投资直接相关，准确、快速地计算土方量对开展规划设计、控制总投资及分配资金具有重要意义[1]
。土方量的计算方法有方格网法、数字地面模型(DT M )法、等高线法、断面法、区域土方量平衡法和平均高程法等。土方量的计算软件常用的是南方C ASS，近来杭州家园科技有限公司也推出了H TC AD 土方量计算软件。鉴于目前尚无公认、成熟的土方计算软件，本文采用相对成熟、精确的方格网法，在同一块场地，进行CASS 与HTC AD 土方计算的比较，分析二者相对的优点和缺点，供工程人员参考。
1 方格网法土方计算
方格网法土方计算适用于地形变化比较平缓的地
形情况，具体做法如下
[2]
:
(1)建立地形的坐标方格网，方格网的一边与地
形等高线或场地坐标网平行，大小根据地形变化的复杂程序和设计要求的精度确定，边长一般常采用20m 20m 或40m 40m (地形平坦、机械化施工时也可采用100m 100m )。
(2)求出方格各个角点的自然高程、设计高程以及施工高程。
(3)计算零点位置，在相邻的填方点和挖方点之间总存在一个零点，零点确定方法如图1及公式(1)。
导布辊图1 零点位置求解示意
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CASS 与HTCAD 的方格网法土方计算比较：欧阳平
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