數字化地形測圖技術的應用

蔣勇軍

摘要：隨著科學技術的發展，使用GPS和全站儀進行數字化地形測圖已經取代了傳統的測圖技術，本文論述了數字化測圖的優越性以及具體應用。

關鍵詞：GPS RTK；免棱鏡；固定解；中誤差；基線

數字化測圖是采用GPS或全站儀直接測取碎部點坐標和高程，計算機編輯成圖的技術方法。使用GPS或者全站儀測圖通常是先布置控制點，一般是在國家高等級控制網的基礎上加密次級控制網點，最后依據加密的控制點或圖根點測定地物點和地形點。由于數字化測繪相對于傳統平板測圖具有精度高、作業效率高、勞動強度小等顯著經濟技術優勢，加之近年來數字化測繪設備價格的持續下降，規劃、設計等用圖單位普遍采用計算機設計而要求提供數字化測繪成果等因素，測量單位普遍采用野外數字化測繪完成大比例尺地形測量工作。數字化測圖已基本淘汰傳統的平板儀測圖技術，成為占主導地位的技術方法，數字化時代是對測繪成果應用方法變革的必然結果，本文以廣西平果那榮礦段地形為例，主要介紹GPS在地形測量中的應用，以及利用全站儀作為輔助測量手段，最大效率地完成地形圖的測繪。

1.利用GPS進行區域控制測量

為了較好的控制整個測區，根據測區高等級已知點，布置了4個E級GPS點，作為整個測區的首級控制網，通過對GPS數據的基線解算及網平差解算出4個E級GPS得平面坐標，具體操作流程如下。

GPS控制網的精度設計

根據國家測繪局《全球定位系統測量規范》，GPS相鄰間基線長度精度可用如下公式表示：

σ=

式中：σ網中相鄰點間基線中誤差；

a為固定誤差；

b為比例誤差系數；

d相鄰點間距離；

上式單位均按mm計算，其中E級網固定誤差不大于10mm，比例誤差系數不大于20。E級精度要求，相鄰點間基線的水平分量不大于20mm，垂直分量不大于40mm，點間平均距離不大于3km。相對中誤差容許值為1/45000。根據控制網精度要求，本次采用科力達K9雙頻雙星型GPS進行測量。技術參數：靜態平面精度：±（3mm+1ppm），靜態高程精度：±(5mm+1ppm)，采用靜態定位模式對待測控制點進行定測。

GPS控制網的基準設計

通過GPS測量可以獲得WGS-84地心坐標系下的地面點間的基線向量，最終成果采用1980西安坐標系，85國家高程基準，通過對接收到的數據進行三維無約束平差，再以起算點的數據進行二維約束平差計算，得到最終的E級GPS相應的參心坐標系。

1.3GPS控制網的網形設計

圖形設計的好壞直接關系到建網的費用與網的精度，也關系到網的可靠性，對GPS網來說，網形設計應保證質量的前提下，盡量可能地提高效率，降低成本。根據網的用途和要求，本次采用邊連式網形，通過一條已知邊將相鄰的同步環圖形連接在一起，形成重復基線和獨立環，圖形強度和作業效率比較高。

1.4 GPS選點、敷設

GPS點間不需要相互通實，網形結構靈活，但受信號、氣象的影響較大，因此選點中除要注意基本的條件外還應注意一下幾點:

點周圍便于安排接收設備，且衛星截止高度角須大于15°；

遠離大功率無線電發射源，距離大于200m；遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，距離大于50m；

附近不應有強烈反射衛星信號物件（例如大型建筑物）；

應盡可能使測點局部環境和周圍的大環境一致，以減少氣象元素的代表性誤差；

1.5 數據觀測

本次采用4臺GPS同步觀測，對中整平儀器后量測儀器高度。同步觀測有效衛星數不少于4顆，觀測時間不少于40min，觀測時段不少1.6，采用配備的電子手薄進行記錄。觀測前后各記錄一次儀器高，并在觀測中時刻注意接收衛星指示燈是否正常，電源是否充足，盡量使觀測成果最理想。

1.6成果計算及精度評定

利用GPS平差軟件，將外業觀測數據輸入電腦，檢查點的編號以及儀器的高度輸入是否正確。對基線向量先進行無約束平差，平差后通過觀測改正值檢驗基線向量中是否存在粗差，剔除含有粗差的基線向量，再重新進行平差，確認網中沒有粗差后再進行約束二維平差，計算誤差大小。本次網形中最弱點中誤差為0.005mm，最弱邊相對中誤差為1/53380，均滿足規范要求。

2．地形點測量

2.1GPS RTK地形點測量

應用GPS RTK技術進行定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據及已知數據傳給流動站GPS接收機，流動站快速求解整周模糊度，在觀測到4顆以上的衛星后，可以實時地求解處出厘米級得流動站精度，通過使用GPS測量至少2個已知點坐標，求出測區的轉換參數，然后通過任意已知點進行坐標校正后就可以使用RTK進行地形點、地物點等坐標的測量。GPS RTK技術參數：RTK平面精度為±（10mm+1ppm），RTK高程精度為±(20mm+1ppm)，完全滿足常規比例尺地形測圖精度要求。采用RTK技術測圖，僅需一人手持儀器在要測的碎步點上放置1~2秒就可以準確的測定點的位置，并通過輸入特征編碼和電子手薄記錄。由于RTK測圖僅需要一人操作，因此不存在數據誤報或者誤聽產生的錯誤記錄，而且手持桿的高度基本不需要改變，也保證了高程的絕對正確性。野外工作完成后直接將數據導入電腦，使用Cass繪圖軟件，就可以生成地形圖。

但GPS測圖也有其缺點，例如在衛星高度角不理想的地方或者電磁干擾較大處GPS信號不連續，甚至接收不到固定解信號，不能進行差分解算。而且使用GPS進行山坡測圖不便于攜帶，容易損壞。本測區由于地形起伏較大，山腳處衛星高度角不能滿足接收條件，因此在對山坡進行高程點采集以及山腳或者樹林茂盛處GPS RTK測圖不能正常使用。另外對于懸崖處，或者坡度較陡、植被覆蓋較小的山地，可以使用免棱鏡全站儀測圖。所有這些條件下利用全站儀進行測量有其優越性。

2.2全站儀地形測量

全站儀數字化測圖按作業方法可分為編碼和無碼兩種，編碼方法在測點時必須按碎部點的類型及相互間聯系輸入特征編碼以便事后編輯成圖。操作儀器的作業員不僅要熟記編碼，還要時刻觀察地形才能正確輸入，因此，這種方法對操作人員的技術、經驗均有較高要求。就處理碎部點間關系而言，實際上與平板儀測圖無異。無碼方法則不需輸入任何編碼，而是代之以棱鏡處作業員繪制草圖記錄所測點之位置、點號及與其它點的聯系。測站照準目標測取數據后，只需向棱鏡處作業員報告碎部點點號而已，測站與棱鏡間聯絡較少，測圖工作實際上主要在棱鏡處進行。由于測點時不需觀察地形，因而測量速度很快，一臺儀器可觀測二至三個棱鏡，外業測圖效率很高。作業時繪制草圖的作業員在棱鏡處現場繪制，簡單而不易出錯，只需熟悉地形、地物表示方法即可勝任；而觀測員操作全站儀測點精度很高，數據傳輸又是自動進行，避免了人為的錯誤和讀數誤差；內業編輯則是計算機展點，對照草圖應用繪圖軟件的各種編輯工具成圖，等高線自動完成，輕松快捷。從理論上講，數字圖中碎部點精度與作業員操作技能關系不大，正常情況下已達到圖根點的水平，測量誤差可忽略不計。

對于懸崖，或者植被少只需測量高程點的山坡，則采用免棱鏡測量可以大大提高效率。目前這類儀器采用的測距模式分為：相位比較式、脈沖式、脈沖相位比較式幾種。脈沖相位比較式是這幾年的新科技成果，測程遠而且測距精度高。例如徠卡TS02-2Power以及拓普康的GTS-3005LN可免棱鏡測距，標稱測程都在1000m以上。觀測時只要目標在測程范圍內，無需司鏡人員，觀測員短時間內就可以收集到測點的信息。

高端測繪儀器的出現，使得在數字化測繪時，對作業人員的操作技能要求大大降低，進一步提高成圖質量只能靠提升作業人員的理論水平。為適應這種新的形勢，今后測繪技術人員的業務培訓重點要從熟練、準確的技能訓練轉移到地形、地物的正確表達，計算機繪圖理論、不同使用目的下地形圖的不同取舍等更深層次的內容上來。

結語：隨著科學技術的發展，測繪設備的先進程度對測量精度和效率起決定性的作用，GPS和全站儀測圖各有其優劣性，他們的配合使用可以彌補相互的缺陷，使得數字化測圖高效而又簡捷。