基于山西盂縣電廠新建工程的勘測設計及三維數字化成果探究

王 林，姚 遠，吳 峴，鄧夏瀾

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 測量區域概況

山西盂縣電廠新建工程位于山西省陽泉市盂縣境內，煤場廠址位于盂縣以東約10 km的石崖村和賈家溝村之間，該區域為丘陵地區。在廠址的西北角有國家電網220 kV溫池變電站，廠址內有多條220 kV和110 kV線路經過。測區屬于小丘陵地形，自然地貌高程在750 m左右。

本工程測圖目的是為盂縣電廠新建工程輸煤棧橋和煤場設計提供所選范圍1∶1000數字化地形圖。測圖的核心內容為控制點的選埋，外業數據釆集和內業圖形處理。外業數據采集包括：控制測量和碎步測量，采集方法為GPS-RTK與全站儀聯合測圖；內業圖形處理包括數據處理和數字化地圖編輯(圖1)。

圖1 聯合測圖作業流程

2 GPS-RTK與全站儀采集數據基本原理

2.1 GPS-RTK 基本原理

GPS-RTK 是采用載波相位差分技術進行GPS測量的技術手段[4]，它能夠實時地提供測站點指定坐標系中的厘米級精度的三維定位結果。在RTK作業模式下，流動站可以接收基準站通過數據鏈傳輸過來的觀測值和測站坐標信息，同時，流動站還會自行采集GPS觀測數據，并在系統內對差分觀測值進行實時處理，1 s內即可解算出厘米級的定位結果。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可以在動態條件下開機，進行整周模糊度的搜索求解，也可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業。流動站在整周未知數解固定后，可實時處理每個歷元，只要能保持跟蹤4顆以上衛星的相位觀測值，并構造必要的幾何圖形，即可隨時解算出厘米級的定位結果。

2.2 GPS-RTK測量系統組成

GPS-RTK測量系統主要由由GPS接收設備、無線電通訊設備、電子手簿、蓄電池、基站、流動站天線及連線配套設備組成[7]。

2.3 GPS-RTK的關鍵技術

GPS-RTK的關鍵技術在于數據傳輸和數據處理，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數據傳輸給流動站接收機，數據量比較大，一般都要求9600的波特率，這在無線電上不難實現。隨著科學技術地不斷發展，RTK技術已由傳統的1+1或1+2發展到了廣域差分系統WADGPS，有些城市建立起CORS系統，這就大大提高了RTK的測量范圍，當然在數據傳輸方面也有了長足的進展，電臺傳輸發展到現在的GPRS和GSM網絡傳輸，大大提高了數據的傳輸效率和范圍。在儀器方面，不僅精度高而且比傳統的RTK更簡潔、容易操作。

3 工程實例

3.1 測量內容及要求

按照任務要求，本次測量煤場地形圖，比例尺為1∶1000；測量廠外輸煤管帶機帶狀地形圖，比例尺為1∶1000。測量的主要技術要求如下。

(1) 廠址地形圖比例尺：1∶1000；1980年西安坐標系；1985國家高程基準。

(2) 平面及高程控制測量執行現行的測量技術規范。

(3) 等高線間距應執行現行的測量技術規范，做到精度滿足要求，圖面清晰美觀，方便使用。

(4) 地形圖圖式按國家標準局批準的圖式編制，測量圖幅分別按地形圖進行矩形分幅。

(5) 平面控制測量和高程控制測量應建立永久性控制點?？刂泣c位置的選擇應充分考慮將來施工開挖的影響，防止被損壞。

3.2 技術依據

地形測量除了滿足技術任務書的要求外，尚應滿足下列現行有關規范和標準的要求：《工程測量規范》(GB50026-2007)；《火力發電廠工程測量技術規程》(DL/T5001-2014);《國家基本比例尺地圖圖式第1部分1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》(GB/T20257.1-2007)。

3.3 搜資情況及資源配置

本次工程采用設計院于2015年6月完成的盂縣電廠工程(編號FA07921C-L0101)控制點測量成果D03、D05作為控制測量起算點。

設備情況：GNSS測量使用天寶R8 3臺，全站儀1臺，臺式計算機2臺及相關的輔助設備(表1)。

表1 主要儀器設備及精度

3.4 控制測量

3.4.1 平面控制測量

3.4.1.1 平面控制點的布置及埋設

經過實地踏勘，埋設控制點：布設的控制點間至少有一個通視方向，控制點位置的選擇充分考慮以下條件。

(1)將來施工開挖的影響，防止被損壞。

(2)周邊視野開闊，視場內障礙物的高度角低于15°，周邊環境適合安裝接收設備，且方便操作。

(3)距離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道大于50 m，距離大功率無線信號源大于200 m。

(4)方便采用多種形式的測量手段進行聯測。

(5)地質條件良好，基礎穩定，有利于保存點位。

煤場GPS一級網控制點埋設為混凝土加鋼質標芯的永久性標志，埋設基準點的規格為頂寬300 mm×300 mm、底寬400 mm×400 mm、高600 mm的混凝土鋼標芯結構。共布設了3個點，點號分別為：E31、 E32、E33。

3.4.1.2 GPS平面控制網的觀測及平差計算

GPS平面控制網觀測，使用Trimble R8 3臺作快速靜態測量，每點觀測時間為20～60 min。衛星高度角為15°，采樣時間間隔為15 s。

GPS控制網基線解算和平差計算，采用Trimble商業軟件Trimble Business Center (以下簡稱“TBC”)，數據處理包括基線解算、WGS84基準下的三維無約束平差、1980西安坐標系基準下的三維平差。橢球為1980西安坐標系參考橢球(長半軸a=6378140;扁率：1/298.257)，橢球轉換參數：使用GPS解算軟件Trimble Business Center自帶的橢球轉換參數Beijing 1982 (China)，由WGS84橢球至1980西安坐標系參考橢球的轉換采用Molodensky三參數轉換，三參數分別是X、Y、Z三軸平移量，分別是0、0、0。投影方法：采用橫軸墨卡托投影。煤場廠區GPS控制網的起算點為D05。由于測區高程數據較大，進行了測區的工地投影改正。

3.4.1.3 GPS平面控制網精度情況

控制聯測GPS網各網點的點位誤差如表2所示。

表2 盂縣電廠GPS網各點位誤差

GPS一級平面控制網水平精度和三維3D精度情況見表3。

表3 GPS 一級平面控制網水平精度和三維3D精度

3.4.1.4 平面控制點的檢測精度

在GPS控制網解算基線和平差計算處理后，對GPS控制點間的邊長使用全站儀進行了實測，并對GPS平面坐標反算邊長(以下稱GPS反算邊長)和全站儀實測邊長進行比較和分析，以檢驗GPS平面控制成果的精度和可靠性。

使用GPT-3002LN全站儀檢測控制點之間的邊長, 該儀器的標稱精度如下：測角中誤差2″，測距精度(2 mm+2(×10-6)×D (D:距離觀測值)，該儀器檢定的加常數為 -0.41 mm，乘常數為 -0.09 mm/km。

GPS平面控制網邊長檢測，在每一段距離測量前將測站位置的溫度和氣壓輸入全站儀，保證測得的邊長經過了氣象改正；使用全站儀測量，單向測各4個測回，取其平均值為觀測值 。

GPS一級平面控制網邊長檢測見表4。

表4 GPS一級平面控制網邊長檢測

從表4可知，測量精度符合《火力發電廠工程測量技術規程》中GPS網一級中最弱相鄰點邊長相對中誤差1/40000的要求。

3.4.2 高程控制測量

(1) 高程控制系統及起算點。1985國家高程基準，高程起算點數據所示，D5為高程起算點。

(2) 高程控制網的布設。高程控制網點與平面控制點共點位。

(3) 觀測和計算。GNSS高程控制網采用Trimble R8 GNSS接收機按四等GNSS高程測量技術要求，與平面觀測同步進行。平差采用天寶隨機軟件TBC與平面計算同步解算，高程以D5為起算點，引入大地水準面模型EGM96，擬合得到其它平面控制點的高程。

(4) 高程控制精度。平差計算最大的高度誤差3 mm，最弱3D精度比率為1/344239。

(5) GNSS高程控制測量的檢查。高程檢測與平面檢測同時進行，統計結果見表5。

表5 GNSS高程控制測量檢查統計

由表5可以看出，本次GNSS高程測量是符合要求的。

3.5 地形測量

3.5.1 圖名及圖幅分幅

地形圖的名稱以工程來命名，圖幅分幅按矩形進行分幅。圖幅接合表按順序編號，編號采用由上到下，從左到右的原則，順序編號。

3.5.2 地形圖測量

地形圖測圖方法采用GPS-RTK測量和全站儀測量相結合。現場測量自動記錄原始數據，現場繪制測點草圖，草圖的點號與使用儀器記錄的點號相一致。在內業處理時，首先把儀器自動記錄的原始數據導出生成軟件所需的數據文件，然后使用《大比例尺數字測圖軟件》(PowerMap)(軟件編號CL0380)讀取數據文件，根據測點草圖對地形、地物進行編輯、成圖。輸出AUTOCAD2004版DWG圖型文件。地形點的高程注記至dm。

本工程地形圖共12幅，測圖比例尺為1∶1000，等高距為1 m。

為保證成圖質量，在內業整資結束后，將編輯好的地形圖打印成白紙圖，在實地進行巡視，對地形、地物進行檢查和校對，對與實地地貌或地物不符合的圖形進行修改，保證了成圖的準確性。

4 廠區三維數字化

隨著計算機軟硬件技術的不斷進步，圖形處理的效率和質量已越來越高，通過結合高分辨率遙感影像圖和數字高程模型(DEM)，使用ArcGIS軟件作為工具，可以實現地形地貌的三維數字化，生動形象的再現真實場景，本文將探討通過本工程采集的數據來進行廠區地形三維可視化。

4.1 研究方法

主要運用Arcgis軟件平臺進行數據處理和成果輸出，使用的功能模塊主要包括Arcgis Desktop和ArcScence模塊[6]。

4.2 數據源及數據預處理

三維場景的真實再現需要依托數字領域的三維數據，高分辨率的遙感影像圖是平面數據的來源，而數字高程模型則可以提供高度維度上的數據，通過三維可視化平臺導入這兩種不同的數據源進行分析處理和疊加顯示，即可逼真還原研究區域的三位場景及其地形地貌的特點。本文研究的區域范圍只有工程測量的地形點和控制點坐標，為了生成三維模型，需要通過一定的手段獲取影像數據和數字高程模型。

4.2.1 提取廠區影像數據

由于沒有高精度高分辨率的衛片和航片，考慮使用BIGMAP軟件下載該軟件能提供的最高分辨率(約0.26 m)的影像數據，該影像還需要進行幾何校正和影像裁剪，才能與測區范圍匹配(圖2)。

圖2 盂縣電廠新建工程區域影像

4.2.1.1 幾何校正

幾何校正即校正成像過程中所造成的各種幾何畸變，將圖像數據投影到平面上，使其符合地圖投影系統的過程。該影像圖坐標系統為WGS84，需要進行幾何校正，與測量數據坐標系一致，才能進行下一步工作。

具體實現過程為：①選擇控制點：在遙感圖像和地形圖上分別選擇同名控制點，以建立圖像與地圖之間的投影關系，這些控制點應該選在能明顯定位的地方，如河流交叉點等。②建立整體映射函數：根據圖像的幾何畸變性質及地面控制點的多少來確定校正數學模型，建立起圖像與地圖之間的空間變換關系，如多項式方法、仿射變換方法等。③重采樣內插：為了使校正后的輸出圖像像元與輸入的未校正圖像相對應,根據確定的校正公式，對輸入圖像的數據重新排列。在重采樣中，由于所計算的對應位置的坐標不是整數值，必須通過對周圍的像元值進行內插來求出新的像元值。

4.2.1.2 影像裁剪

針對所要制作的地圖區域，按照校正后的地圖邊界對圖像進行裁剪；根據盂縣電廠新建工程煤場和輸煤棧橋的實際范圍對影像圖進行裁剪，將區域確定出來，具體實施步驟如下。

(1)數據管理工具→柵格→鑲嵌數據集→創建鑲嵌數據集(必須存放在GDB或MDB中，需要輸入鑲嵌數據集名稱和坐標系)。

(2)添加柵格數據后構建邊界，即可生成輸入柵格的邊界線狀要素(或者直接在3D Analyst工具中的轉換工具，選擇柵格范圍，亦可獲取輸入柵格的邊界)。

(3)通過柵格處理中的裁剪工具，可從影像上裁剪下邊界范圍內的影像(對于規則像素的柵格，可獲取矩形影像，對于不規則影像邊界，則需選中 使用輸入要素裁剪幾何),最后即可輸出所需影像范圍文件(圖3)。

圖3 盂縣電廠新建工程區域精準影像

4.2.2 提取數字高程模型

建立數字高程模型(DEM)的基本方法包括不規則三角網(TIN)和規則格網(GRID)等，格網模型能夠充分表現高程變化的細節，拓撲關系簡單，分析處理算法易于實現，某些空間操作及存儲組織靈活方便，但是其數據存儲占用巨大的空間，并且在不規則的地形特征和較為平坦的地形特征之間在數據表示方面不夠協調；而不規則三角網模型能夠進行高效率的存儲，數據結構簡單，與不規則的地面特征和諧一致，可以表示線性特征和迭加任意形狀的區域邊界，易于更新，可適應各種分布情況的數據。經過對比，本文采用建立TIN模型的方法來還原三維場景。

在ArcGIS中,可以通過等高線和高程點來建立表面模型,并且還可以對己經生成的TIN模型進行添加、修改要素,以達到使表面模型更加逼真的效果。這就要求在對矢量化后的數據進行屬性賦值之前,要對圖進行分開處理。等高線和高程點要分別存儲于兩個不同的圖層中。以下是建立DEM的基本步驟。

(1)由最基礎的測點數據，導入x y文件，輸入坐標系，在視圖中生成(圖4)。

圖4 ArcGIS導入點位

(2)數據導出為shp后，通過3D Analyst→數據管理→TIN→創建TIN(圖5)。

圖5 創建TIN

(3)3D Analyst→轉換→由TIN轉出→TIN轉柵格(圖6)。

圖6 創建柵格DEM

4.3 成果展示

在ArcScene中加載TIN數據，在屬性中從表面獲取高程，選擇TIN數據。

加載影像(圖7)，即可得到廠區三維影像成果(圖8)。

圖7 三維TIN模型

圖8 盂縣電廠三維地形

4.4 生產應用

ArcGIS產品是目前世界上最為領先的GIS平臺，平臺支持海量的數據格式，并且全球幾乎所有的GIS軟件都支持ArcGIS的數據格式，該平臺提供豐富的組件庫和友好的開發環境，可拓展性高。

本文探究的三維數字化成果主要包括TIN數據模塊、GBD數據模塊等，上述數據集均是ArcGIS通用格式，可應用于各類ArcGIS二次開發軟件體系以及支持ArcGIS數據格式的軟件平臺之中，圖9是將本文技術路線成果導入GIS系統中的顯示效果。

圖9 GIS軟件應用

公司電力工程三維數字平臺即是基于ArcEngine進行開發的，其三維數據組織模式與本文成果數據一致，如圖10。

圖10 數據對比

待該平臺開放數據接口，雙方數據即可進行無縫銜接，為生產實踐提供了多樣化選擇和更加靈活的組織模式。

5 結論和展望

5.1 結論

盂縣電廠新建工程煤場及輸煤棧橋區域范圍內地形破碎，地理條件復雜、地物眾多，GPS-RTK聯合全站儀測量能極大地提高測量的工作效率，可以使用更少的人力物力完成更多的測量任務，同時不會造成誤差的累積和傳播，保證成果精度，在測量過程中更詳盡地記錄地形地貌的變化和特征。通過對該區域的數字化測圖，為設計方提供了真實準確有效的現場數據，供其進行合理的規劃和設計工作，提高其設計效率及設計質量。

三維可視化在地理科學研究中具有重要的應用價值，它可以動態呈現實體的特點特征，多視角、全方位、多層次對實體進行描述， 能極大地促進實現虛擬現實技術的進步，再現地學面貌和現象。通過對測區的三維數字化處理，構建形象逼真的三維立體模型，可以快速、方便地獲得所需的GIS 空間數據將設計工作從二維平面化拓展到三維立體化領域，不僅可以快速、方便地獲得所需的GIS 空間數據，減少野外勘察的勞動量,還能進一步減輕設計壓力，加深設計深度，使設計方做到足不出戶，就能決策千里。

5.2 展望

(1)測繪儀器和成圖軟件的進步和發展大有余地。

(2)三維數字化流程的自動化處理有待研究。

(3)三維編輯功能可以繼續優化和完善。