數字化地形測量初探

廣東省

摘要：本文介紹了數字化成圖的三種方法，然后分析了數字化地形測量的實施過程和質量控制方法，并討論了需要注意的有關問題。

關鍵詞：數字化；地形測量

數字化地形測量是從傳統地形測量發展過來的，從小平板、大平板再到目前的數字化，不僅反映了測繪技術的巨大進步，更體現了它強大的生命力和廣闊的發展前景，因為無論是城市規劃、土地管理、道路交通、城市建設、環境保護和軍事工程等大項目，還是個人出行、旅游這些日常生活應用，都能從數字化地形測量中得到非常多的幫助。地形測量主要包括控制測量、地物地貌測量兩大部分。傳統測量將測量成果按一定比例繪制在圖紙上，由于成圖過程中測點、紙張不可避免地受到伸縮變形等因素影響，成圖精度較低，而且勞動強度大、出圖時間長，難以適應信息化時代經濟建設及各行各業的廣泛需求，因此數字化地形測量的出現，既是拜以計算機技術為核心的科學技術巨大進步所賜，更是順應了社會不斷發展而對地形測量提出的更多更高要求。那么，數字化成圖有哪些方法，數據收集、數據處理、成圖輸出又有哪些要求，本文結合實際應用進行了分析探討。

1 數字化成圖的三種方法

1.1 傳統測圖數字化

傳統測圖方法因為要將測量成果繪制在圖紙上，通稱白紙測圖。利用計算機、數字化儀、繪圖儀以及相應的數字化軟件，可將傳統白紙測圖成果轉化為數字化地圖。一般可采用手扶跟蹤數字化或掃描矢量化兩種方式。雖然后者較前者精度和效率高些，但這兩種數字化成果都是在原有測圖基礎上的再加工，精度比原圖有所降低，故而它僅是部分地區急需數字化地圖的權宜之計。但通過修測、補測等方式獲得部分重要點位的精確坐標，再替換掉經傳統測圖數字化后相應點位的坐標，隨著點位更新數量不斷增加，地圖精度可以得到較大改善[1]。

1.2 航空攝影數字化

利用測區航攝像片、影像數據、航攝儀校驗文件及其相關參數以及現有地形圖數據，通過建立數字模型，并利用相應的成圖軟件，也可獲得數字化地形圖。由于航攝成本較高，這種方法特別適合面積較大的城市密集地區數字化成圖，如果測區較小且偏遠，數字化成圖成本太高，可采用下述地面測量數字化技術。

1.3 地面測量數字化

利用全站儀、GPS接收定位儀等設備進行地形測量，再將野外測量獲得的數據輸入到計算機中，由數字化成圖軟件進行處理、編輯和成圖，這種數字化模式就稱為地面測量數字化。目前，主流模式是采用“GPS+全站儀+計算機”的全數字化地面測量方式，也是測量精度最高的一種模式。下面主要探討地面測量數字化技術的有關內容。

2 數字化地形測量的實施過程與質量控制

2.1 控制測量方法

控制測量包括平面控制測量和高程控制測量兩部分，隨著GPS技術與全站儀的普及，平面控制測量主要采用靜態GPS配合導線法、動態GPS（即GPS RTK）直接測量圖根點、單一導線或導線網法等，高程控制測量采用水準測量、三角高程測量、全站儀直接高差法、GPS高程擬合法等。下面以平面二級導線控制網、高程四等水準測量為例進行說明。

平面控制首級采用四等GPS控制點，故應先建立測區GPS控制網。GPS接收機分單、雙頻，單頻機價格便宜、操作攜帶方便、比較耐用，但測量精度易受電離層、對流層延遲影響，并且快速靜態和動態測量的觀測時間較長，雙頻機優缺點正好相反。本方案采用單頻機測量，以4臺GPS接收機邊連式連接施測。每個觀測時段，設置2臺GPS機為固定站，另外2臺為流動站，然后循環移動觀測，一直測完所有點。測量時控制衛星截止高度角≥150°，衛星觀測數量≥4，PDOP≤6，數據采集間隔15″，對中誤差≤2mm，天線高差值≤3mm[2]。采用隨機軟件解算、平差，得到測點坐標。所有測點都以永久性標石建立。

在GPS控制點基礎上布設二級導線網。導線點位位于GPS控制點之間，連成節點網。運用方向觀測法，水平角觀測一測回，邊長單程觀測兩測回，邊長每測回讀數4次。測距儀精度為Ⅰ級，mD≤5mm。每個測點都進行編號、記錄與整理，以確保數據滿足限差要求。主要控制項目有驗算方位角閉合差、導線相對閉合差及測角中誤差。限差滿足要求以后，進行平差和精度評定，產生導線網的精度指標、最弱點精度數據。按照《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）二級導線導線全長相對閉合差≤1/10000，方位角閉合差應在″范圍內，其中為測站數。

高程測量采用水準測量，雖然GPS高程擬合法比較便捷，但精度較差，不滿足測量要求。高程測量以已知水準點起測，通過水準觀測將平面控制點布成四等水準網。水準測量應采用自動安平水準儀及中絲讀數法，精度能滿足四等水準測量要求。控制i角誤差<20°，讀數方法采用中絲法，直讀距離。并以“后-前-前-后”順序進行觀測。若無固定點時，應加尺墊觀測。水準儀安置妥當后，即應精確整平圓水準器，但在觀測同一站點時，不得重復調焦，并且各測段的測站數量應為偶數。數據輸入計算機進行平差、精度評定，最后得到高程控制點數據。按照《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）四等水準測量閉合差精度范圍平原、丘陵地區應控制在mm范圍內，山區控制在mm范圍內，其中為附合路線或環線長度（km）。

2.2 碎部測量方法

碎部測量可采用動態GPS技術，但受到多種因素影響，用于大比例尺測圖時精度不易保證，采用全站儀再加上偏心觀測精度更易保證。目前，全站儀碎部測量有兩種模式，一種是數字側記模式，由全站儀采集碎部點位數據，電子手簿或PC卡記錄測點數據，室內作業時利用采集到的數據配合外業草圖進行數字化繪圖；另一種是電子平板繪圖模式，全站儀與平板電腦或筆記本電腦組合施測，利用軟件完成繪圖，也就是邊測邊繪、一次成圖。后面一種方法應用更為便利，利用極坐標法采集到碎部大部分坐標數據后，通過軟件中的方向交會、距離交會、十字尺測量法等功能可計算出其余各點的坐標數據，再利用軟件等高線繪制功能，最后得到數字化圖。這種方法外業測量非常靈活，遇到村莊、復雜地形時不必嚴格按照順序跑點，可以就近跑點測量，即使遇到阻擋看不見跑尺員，繪圖員也可就近支站、定向，指揮跑點人員利用地形完成測量。

2.3 測繪軟件與數據處理

數字化測量及成圖的關鍵環節之一是選用合適的軟件。目前，相關軟件種類較多，如南方CASS系列、廣州開思、武漢瑞得RDMS系列、北京威遠圖、清華山維等。這些軟件主要基于AutoCAD平臺開發的專用測繪軟件。CASS系列特別適用于外業利用電子平板采集數據，內業利用軟件編輯成圖的場合。RDMS系列軟件是在GIS平臺上開發的測繪軟件，既可利用電子平板，也能利用電子手簿或全站儀內存。其他軟件特點可查閱相關產品說明。

下面以CASS系列軟件說明數據處理過程。先將全站儀或電子手簿、電子平板中的數據傳輸到計算機中，目前大部分成圖軟件都有這個功能，沒有也可使用專門的傳輸軟件。CASS具有展點、連線、勾繪等高線等功能，完成圖形編輯以后保存，然后打印出地形圖供外業檢查巡視。外業按照規范進行自檢，主要是查漏補缺和改錯更正。然后對地形圖進行分幅處理，如50×50分幅或40×50分幅。經過圖廓整飾、核對無誤后，即可輸出打印。

2.4 成果檢查驗收方法

數字化地形測量成果的檢查驗收實行三級檢查、一級驗收制度[3]。三級檢查是指作業單位對測量成果進行自檢、全檢和專檢，外業記錄、平差結果、原始圖件、數字化圖等由作業組自檢，或與其他作業組進行互檢。在完成自檢的基礎上，由作業隊實施全檢，作業人員必須對檢查中的問題認真修改。通過全檢后，還必須進行專檢。專檢由作業單位專職質檢人員組成的檢查組負責，組長必須由作業單位負責人親自擔任。三檢合格進入驗收階段，經驗收通過后才能交付使用。檢查驗收內容包括文字部分、控制測量部分、地形要素測量部分、電腦數據資料部分等，依據這些內容進行質量評定和計分，只有超過規定的分數才能認定為合格。

3 數字化地形測量方法應用

3.1 項目概況

某測區南北長1750m，東西最寬處約540m，面積約595297m2，標高+334m～+276m。

3.2 測量環境

采用全站儀與GPS-RTK聯合測繪地形圖。全站儀采用6″級，其固定差≤10mm，比例誤差≤5ppm。GPS-RTK測圖平面較差≤5cm，高程