大比例尺數字化地形圖測繪方法的探討

吳勝強

隨著科技不斷發展,測繪技術不斷更新,測繪大比例尺地形圖的方法多年來由傳統的平板白紙測圖、經緯儀測圖等發展到現在的全站儀配合繪草圖、全站儀配合測圖精靈或筆記本電腦進行野外數字化成圖的方法,在技術和精度上都有很大的提高。同時,GPS實時動態定位(RTK)技術被廣泛應用于測量上,測繪大比例尺地形圖的精度和效率越來越高。近幾年,測量數字化技術的飛速發展,測量領域的高精尖儀器越來越多,三維激光掃描儀就是其中的一種,它的發展更推動了地形測繪向高科技立體圖形的發展。

平板白紙測圖是將測得的觀測值用圖解的方法轉化為圖形。這一轉化過程幾乎都是在野外實現的,即使是原圖的室內整飾一般也要在測區駐地完成,勞動強度較大,而且轉化過程使測得的數據達到的精度大幅降低。特別是在信息劇增,建設日新月異的今天,一紙之圖已難載諸多圖形信息,修改也極不方便,實在難以適應當前經濟建設的需要。

1 全站儀的測圖

1.1 全站儀測圖的工作過程

全站儀測圖的工作過程主要有:數據采集、數據處理、圖形編輯和圖形輸出。數據采集是獲取數字化成圖所必需的數據信息,包括描述地圖實體的空間位置和屬性信息。外業采集有兩種工作方式:1)在野外用全站儀采集數據,將數據存入與儀器相連的掌上電腦或全站儀內存中,然后再將測量數據傳入計算機供進一步處理。2)在野外直接將全站儀與計算機(便攜機)連接在一起,測量數據實時傳入計算機,現場加入地理屬性和連接關系后直接成圖。

1.2 全站儀測圖方法

1)平面控制坐標系的建立。在測量之前,首先確立平面坐標系。通常都是選擇大地坐標系,以方便使用測區范圍內的國家三角點或各等級的GPS點。在測圖范圍內若沒有可利用的已知控制點時,則可建立測區獨立的平面直角坐標系,起始方位角可考慮以地球正磁北為零度。

2)數據采集。首先在測繪地形圖的范圍內選擇一個儀器設站點,該站點要求視線開闊,能看到測圖范圍內的大多數測點,設站點確定后需標記。然后在設站點上架設全站儀連接掌上電腦,運用測圖精靈程序采集數據。在采集地物、地貌時所需的測點數是不一樣的,有的是獨點地物、有的是帶狀地物、有的是多點地物,所以在采集點時要分別對待,如測房屋時至少需要采3個點,測量獨點地物時只需采集1個點,設置不同地物用不同的測尺,在遮蔽處運用微導功能,山林中多采單點高程?？傊?我們在測量特殊地物時,采點一定要根據地物實際的變化情況,盡可能的控制其形狀變化,爭取將誤差控制在最小的范圍內。

此外,還應注意以下幾個方面:a.為了方便測量,如果用多個棱鏡同時測量時,各棱鏡的高度最好保持一致,當某一測點需變換棱鏡高時,一定要重新輸入該點的棱鏡高。萬一出錯,可在測圖精靈數據瀏覽中修改。b.工程測量時要配備對講機,儀器操作人員要及時與草圖記錄或采點人員溝通,校對儀器記錄的點號是否與草圖上記錄的點號一致或了解地物屬性。c.每建一儀器站時一定要弄清該站的點號、后視的點號,一旦出錯所有在該站測量的點將全部報廢。

3)地形圖繪制(內業數據處理)方法。根據測點坐標結合地圖圖示按照測圖要求繪制地形圖,全站儀測圖通過專門的測圖軟件實施,如南方測繪儀器公司開發的CASS軟件,目前常用的為CASS 2008版本,CASS成圖軟件是基于AutoCAD平臺技術的數字化測繪數據采集系統,廣泛應用于地形成圖、地籍成圖、工程測量應用三大領域,通過CASS成圖軟件的“電子平板”作業方式,實現與各種全站儀的數據接口,實現野外數據采集的自動輸入記錄,并可在野外將地形圖繪制出來,或通過掌上電腦下載測圖精靈數據在CASS上進行內業繪圖。

根據采集數據時繪制的草圖繪制地形圖,用符號連接相應的點或繪制獨立符號,地物繪制完成后再根據實際地形情況繪制等高線進行適當的修補。由于衛星圖像與地形圖二者的投影不同,紙張變形不同等原因,將衛片在地形圖上,二者不能完全疊合,對照比較,通過在局部范圍內重合的方法繪制相應地物。對已收集到的航片和地圖等資料進行野外調查,建立判讀標志,如房屋層次、結構和地名等相應文字符號,從而完成地貌的繪制。

2 GPS-RTK用于地形測圖

2.1 RTK工作原理

RTK測量由基準站和流動站組成。基準站對所有可見的GPS衛星進行連續觀測,并將觀測所得信息通過無線電實時傳送出去,基準站應盡量架設在比較高的位置。流動站至基準站的距離不宜過長,一般在5 km～8 km較好,流動站除了接收衛星信號外,同時還接收基準站發來的數據信息,并通過內置軟件實時解算出三維坐標信息。

2.2 測前準備

在進行測量前要校核部分控制點的靜態平面成果及水準高程成果,在誤差范圍內即可進行圖根控制點加密及外業的碎部測量。

2.3 數據采集

主站架設在已知控制點,設置好基準站,可幾臺流動站同時作業,流動站的操作只需1人,繪圖人員可很直觀地了解整個測區的地形地貌,避免以往全站儀測量離測站較遠時鏡站人員形容不當可能造成的繪制錯誤。所有數據全部存儲在與流動站連接的測量手簿中,避免了以往報、聽、記過程中可能發生的差錯,保證了數據采集的正確性。同時在有條件的時候到已知點上進行校核,確保RTK測量成果的準確性。在開闊的區域進行數據采集,可以充分發揮RTK快速高精度定位的優勢;在有部分樹林植被遮蔽,但四周仍可以看到很大面積的天空時,RTK還可以進行碎部點測量;在高大建筑物或植被稠密地區,GPS出現盲區,初始化時間長或失鎖,可采用RTK增補圖根導線點,配合全站儀測量碎部點的方法,從而快速地完成野外作業,也可以大大提高外業測圖的工作效率,進而達到縮短工期,節約成本的目的。

3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種新的測量地形方法,它的運用將帶來新的感觀。其原理就是三維激光掃描儀通過向物體發射激光束的方式,快速獲得高密度的三維點位,用于精確描述地物特征。其性能可靠,投入產出比高,正逐步成為一種成熟的測量技術。所得數據能快速生成TIN模型和等高線模型。開放的數據源能與專業的測量軟件實現無縫鏈接。其大的優勢在于可快速掃描地形及被測物體,不需反射棱鏡即可直接獲得高密度的掃描點云數據,可以高效地對真實世界進行三維模擬和虛擬重現。但是,在作業過程中,掃描儀對角度和距離都有限制,所以要選擇好架設儀器的位置。因為掃描光束是綠色的,光斑在晴天不易發現,需在控制點棱鏡前用白紙擋住,當確定反光點照準棱鏡中心后,再進行掃描棱鏡。野外掃描時,不可避免會掃描在灌木或水面上,首先要將代表灌木點、水面點等顏色的點刪去,然后在CAD中利用格式刷或特性匹配工具,將點云數據生成高程注記。因為點的密度過大,數據量大,也不易勾繪等高線,需將高程注記過濾,直到將錯誤點剔除完,最終生成等高線,形成成果圖。

4 結語

平板白紙測圖現今已難以適應時代;全站儀連接掌上電腦運用測圖精靈程序能較好地采集繪制出有不同屬性的線形、地物并生成大致圖形,直觀性好,靈活方便;GPS-RTK在控制點比較少,通視性較差,尤其在有高桿農作物的情況下,常規測量儀器完成難度較大的山地區域進行野外作業時更能發揮其優勢,同時節省了人力、物力;三維激光掃描儀在國內應用還處于起步階段,這主要因為:1)作為新儀器,其與傳統測繪的結合應用還需逐步摸索;2)作為新技術,該套設備價格現在還處于比較高的階段,雖然其具有替代一些傳統測繪作業的功能,但在傳統測繪領域的普及應用還需要一段時間?？傮w而言,全站儀測圖精靈與GPS-RTK技術配合測圖是目前比較好的方法,能更好地提高工作效率,產生良好的經濟效益,達到優勢互補。

[1]楊曉明,王軍德,石東玉.數字測圖(內外業一體化)[M].北京:測繪出版社,2000.

[2]聶上海,段立瓊.GPS-RTK技術在數字化地形圖的應用試驗[J].測繪通報,2005(3):30-31.

[3]羅 林,徐以盛,莊惠榮.實時動態差分GPS與全站儀配合在行道測量中的應用[J].海洋測繪,2005(2):69-71.

[4]趙保國,苗云鵬.3D激光掃描儀在河口村壩址地形圖測繪中的應用[J].測繪與空間信息,2009(4):177-178.

[5]吳月琴.大比例尺地面數字測圖的概述和草圖法測圖[J].山西建筑,2009,35(16):361-363.