基于GPS RTK技術在CASS中自動生成等高線的方法

董北平，張之孔

（1．68029 部隊,甘肅 蘭州 730020）

基于GPS RTK技術在CASS中自動生成等高線的方法

董北平1，張之孔1

（1．68029 部隊,甘肅 蘭州 730020）

著重討論了利用GPS RTK技術快速準確采集離散點，并在CASS中自動生成等高線的方法。實踐表明，該方法能夠明顯加快成圖速度與提高等高線成圖的精度。

實時動態差分定位；離散點；等高線；成圖

在面積較小、不適合采用航空攝影測量方式成圖的測區，非常需要尋找一種高效可靠的方法來自動生成等高線，測制高精度的地形圖。本文結合酒泉千萬千瓦級風電場二期測繪任務，著重討論了如何利用GPS RTK技術快速采集一定數量的離散點，在CASS軟件下自動生成等高線的方法。

1 利用GPS RTK技術采集離散點

1.1 GPS RTK技術

RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，是實時處理2個測站載波相位觀測量的差分方法[1]。它將一臺GPS接收機安裝在已知點上對GPS衛星進行觀測，再將根據該點準確坐標求出的其到衛星的距離改正信息和采集的載波相位觀測量調制到基準站電臺的載波上，然后通過基準站電臺發射出去。流動站在對GPS衛星進行觀測并采集載波相位觀測量的同時，通過電臺接收由基準站發射的信號，流動站將接收到的定位信息進行改正處理來修正其定位結果，即可求出未知點的定位坐標，精度可達到cm級。

1.2 離散點采集

GPS RTK技術已相當成熟，但其易受距離和地形的限制，超過10 km時，流動站固定解就不穩定。因此采用1臺中繼站和12臺流動站協同作業，既減少了基準站的搬站次數，又克服了RTK技術由于距離過遠導致信號太弱無法作業的缺點。在野外采集高程點過程中很容易出現“重采”、“漏采”等問題，影響作業進度和成果精度。為了避免這種情況，確定了“等距離格網法”的采集方法。從測區一側的范圍線開始，利用數據采集軟件的線放樣功能每隔50 m設置一條線平行向前推進，對平行線左右50 m范圍內進行高程點和部分特征點采集，保證了不“重采”和“漏采”，如圖1所示。

圖1 基于RTK技術的等距離網格法采集高程點

1.3 地形要素完整采集

在利用GPS RTK技術采集離散點時，一定要保證地物、地形信息的完整性[2]。對于獨立的山包、凹地，采集時要保證地形的完整性，必須在該類地形周圍和中心最高點或最低點采集高程點，如圖2、圖3所示。若是連續山包，可適當省去采集對整體地形信息完整描述影響不大的點位，但關鍵點必須采集，如山包之間的鞍部，如圖4所示。對于面積較大的山地或丘陵地形，為保證能正確描述地形的走勢，采集高程點時應著重采集地性線關鍵點，如圖5所示。

圖2 獨立山包高程點采集

圖3 凹地高程點采集

圖4 連續山包高程點采集

圖5 山地、丘陵地高程點采集

2 由離散點自動生成等高線

等高線是等值線的一種，離散點生成等高線其實就是生成等值線[3]，自動繪制等值線的方法從技術方向上可分為2大類：曲線擬合和插值。曲線擬合總體上效果不如插值算法。插值算法中首先生成Delaunay三角形，即不規則三角網。隨后需要在三角形的邊上插補等值點，將內插的等值點順序追蹤排列，繪出等值線。在CASS環境下自動繪制等高線的流程如圖6所示。

圖6 在CASS中生成等高線流程圖

1）建立數字地面模型（構建三角網）。數字地面模型（DTM）是由外業采集的一系列離散點生成的地表狀態模型，它的建立影響整個成圖過程的正確性和精度[4]。DTM的建立也是等高線自動生成的前提，在CASS軟件里，先定下顯示區，然后選擇“建立DTM”，再按照測區地形情況對是否考慮坎高、是否選擇地形線進行選擇，最后生成三角網[5]。

2）修改數字地面模型（修改三角網）。很多情況下，由于特殊地形地物的影響，以及現實地貌的多樣性和復雜性，導致自動構成的數字地面模型與實際地貌不太一致，使得外業采集的離散點很難一次性生成準確的等高線，需要通過修改三角網來修改這些局部不合理的地方[6]，主要包括刪除三角形、過濾三角形、增加三角形和刪除三角形頂點等。

3）自動生成等高線。等高線的繪制可以在平面圖的基礎上疊加，也可以在“新建圖形”狀態下繪制。如果在“新建圖形”狀態下繪制等高線，系統會提示輸入比例尺，在生成等高線的過程中，應根據成圖比例尺按照相應圖式規范和技術要求輸入等高距。等高線擬合的方式有3種：不光滑、張力樣條擬合和3次B樣條擬合[7]。若選“不光滑”，繪制出來的等高線是折線，是基于三角網得到的最原始的地形分析；若選“張力樣條擬合”，就是在“不光滑”的基礎上把折線進行張力樣條擬合，此時的等高線最貼近于實際地形，比折線要美觀；若選“3次B樣條擬合”，是最優化的等高線生成方式，其生成的等高線最光滑，外觀最好，即便會有少許失真，但不影響精度。

4）等高線編輯、修改。主要包括注記等高線、切除穿過建筑物、陡坎、圍墻以及指定區域內的等高線。同時，要進行等值線濾波操作，很大程度上是給繪制好的等高線圖形“減肥”，精簡樣條擬合曲線的多余錨點，還原等高線本來的特征。

3 實驗及結果分析

在酒泉某千萬千瓦級風電場二期測繪任務中，利用該方法生成了玉門、橋灣、瓜州等區域總面積約140 km2的1︰2 000地形圖，其中橋灣區域第一期任務中有部分區域已采用航空攝影測量方法測制了1︰2 000地形圖。為了驗證該方法精度，將兩者作對比，如圖7、圖8所示。

圖7 航空攝影測量方法測制等高線

圖8 離散點自動生成等高線

從實驗結果來看，利用CASS軟件自動生成等高線具有較好的精度和可靠性，但仍有部分區域與實地地形有一定偏差，主要是由關鍵點位高程漏采、采集不均勻等原因造成的。此外還有RTK的飛點現象：一般情況下，流動站鎖定衛星在5顆以上時，在5～10 s內可獲得固定解，此時流動站的收斂值真實反映了天線中心測量的內符合精度，可靠性較高；若RTK收斂60 s以上才得到固定解，收斂值有可能存在偽值，測量誤差可達到1 m，甚至2～3 m，這些就是飛點。

解決這些問題有效的辦法是：1）用于生成等高線的點位要均勻分布在測區，最好根據測區形狀按照橫向和縱向交叉形成格網，等距離采集點位高程。具體來說，可利用線放樣功能每隔30～50 m采集一個高程點，這樣可有效避免漏測和重復測量。當然，最好要根據地形條件進行距離的調整。遇到小山包、凹地等地形，應完整采集該地形特征點，保證地物信息的完整性。

2）在建立DTM的過程中，一定要考慮地性線是否準確。如果不能正確連接地性線，就會出現三角網中三角形邊懸空和切割地表的現象，導致錯誤的等高線走向。解決辦法是在野外采集數據時就繪制地性線草圖，內業編輯時將地性線結構繪出，建立正確的地性線結構，并將其作為DTM生成的強制約束條件。在DTM生成后，對其進行檢查編輯，尤其要注意查找高程有錯誤的點，刪除這些點和三角網外圍較長的邊和較小的角，這樣內插后的等高線就不會穿過修改前有錯誤的三角形，建立正確可靠的三角網。

3）在等高線生成階段需要注意的是：在地形變化不大時，應選擇自動生成等高線，比較實用，效果也很好。當地形變化較大時，如果利用自動生成等高線，等高線走向、形狀就會與實際地形差別較大，自動擬合生成的等高線有很多節點，修改時會非常麻煩，因此在繪制這種地形下的等高線時不要直接使用繪制等高線工具，而是使用復合線工具來繪制等高線，因為復合線非常容易拉動和修改，最后把修改后的復合線加注等高線屬性即可。

[1] 沈銘,王偉．GPS RTK技術的誤差分析及質量控制[J]．資源環境與工程,2007,10(5):603-605

[2] 謝曉然,王子洋,姜慧．選取離散點繪制自動站數據等值線方法[J]．林業勘查設計,2010(3):46-47

[3] 呂建升,須鼎興．基于離散點繪制等高線算法的研究[J]．現代測繪,2006,9(5):5-7

[4] 劉錦中,馬輝．基于等高線的DEM生成算法研究和實現[J]．現代測繪,2004,77(3):34- 35

[5] 代莉,陳春華,聶焱．在AutoCAD環境下不規則三角網構建及等高線生成[J]．地理空間信息,2011,9(2) :40-42

[6] 魏春生,高明凱,王建波．大比例尺地形圖等高線的自動繪制[J]．勘察科學技術,2005(4):25-27

[7] 王建雄．CAD 環境下基于不規則三角網的DEM算法及實現[J]．云南農業大學學報,2005,20(4):573-576

P231.5

B

1672-4623（2014）01-0108-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.037

董北平，高級工程師，主要從事衛星導航定位和攝影測量工作。

2013-11-28。