基于山西盂縣電廠新建工程的勘測設計及三維數(shù)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(qū)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(nèi)，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(qū)域為丘陵地區(qū)。在廠址的西北角有國家電網(wǎng)220 kV溫池變電站，廠址內(nèi)有多條220 kV和110 kV線路經(jīng)過。測區(qū)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(shù)字化地形圖。測圖的核心內(nèi)容為控制點的選埋，外業(yè)數(shù)據(jù)釆集和內(nèi)業(yè)圖形處理。外業(yè)數(shù)據(jù)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(lián)合測圖；內(nèi)業(yè)圖形處理包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)字化地圖編輯(圖1)。

圖1 聯(lián)合測圖作業(yè)流程

2 GPS-RTK與全站儀采集數(shù)據(jù)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(yè)模式下，流動站可以接收基準站通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)對差分觀測值進行實時處理，1 s內(nèi)即可解算出厘米級的定位結果。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可以在動態(tài)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(tài)作業(yè)。流動站在整周未知數(shù)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(wèi)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(tǒng)組成

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

3 工程實例

3.1 測量內(nèi)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(zhí)行現(xiàn)行的測量技術規(guī)范。

(3) 等高線間距應執(zhí)行現(xiàn)行的測量技術規(guī)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。控制點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(jù)

地形測量除了滿足技術任務書的要求外，尚應滿足下列現(xiàn)行有關規(guī)范和標準的要求：《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007)；《火力發(fā)電廠工程測量技術規(guī)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(jīng)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(nèi)障礙物的高度角低于15°，周邊環(huán)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(lián)測。

(5)地質(zhì)條件良好，基礎穩(wěn)定，有利于保存點位。

煤場GPS一級網(wǎng)控制點埋設為混凝土加鋼質(zhì)標芯的永久性標志，埋設基準點的規(guī)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(wǎng)的觀測及平差計算

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

GPS控制網(wǎng)基線解算和平差計算，采用Trimble商業(yè)軟件Trimble Business Center (以下簡稱“TBC”)，數(shù)據(jù)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(shù)：使用GPS解算軟件Trimble Business Center自帶的橢球轉換參數(shù)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(shù)轉換，三參數(shù)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(qū)GPS控制網(wǎng)的起算點為D05。由于測區(qū)高程數(shù)據(jù)較大，進行了測區(qū)的工地投影改正。

3.4.1.3 GPS平面控制網(wǎng)精度情況

控制聯(lián)測GPS網(wǎng)各網(wǎng)點的點位誤差如表2所示。

表2 盂縣電廠GPS網(wǎng)各點位誤差

GPS一級平面控制網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)為 -0.41 mm，乘常數(shù)為 -0.09 mm/km。

GPS平面控制網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)邊長檢測見表4。

表4 GPS一級平面控制網(wǎng)邊長檢測

從表4可知，測量精度符合《火力發(fā)電廠工程測量技術規(guī)程》中GPS網(wǎng)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(tǒng)及起算點。1985國家高程基準，高程起算點數(shù)據(jù)所示，D5為高程起算點。

(2) 高程控制網(wǎng)的布設。高程控制網(wǎng)點與平面控制點共點位。

(3) 觀測和計算。GNSS高程控制網(wǎng)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(tǒng)計結果見表5。

表5 GNSS高程控制測量檢查統(tǒng)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(xiàn)場測量自動記錄原始數(shù)據(jù)，現(xiàn)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(nèi)業(yè)處理時，首先把儀器自動記錄的原始數(shù)據(jù)導出生成軟件所需的數(shù)據(jù)文件，然后使用《大比例尺數(shù)字測圖軟件》(PowerMap)(軟件編號CL0380)讀取數(shù)據(jù)文件，根據(jù)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(zhì)量，在內(nèi)業(yè)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(qū)三維數(shù)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(zhì)量已越來越高，通過結合高分辨率遙感影像圖和數(shù)字高程模型(DEM)，使用ArcGIS軟件作為工具，可以實現(xiàn)地形地貌的三維數(shù)字化，生動形象的再現(xiàn)真實場景，本文將探討通過本工程采集的數(shù)據(jù)來進行廠區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預處理

三維場景的真實再現(xiàn)需要依托數(shù)字領域的三維數(shù)據(jù)，高分辨率的遙感影像圖是平面數(shù)據(jù)的來源，而數(shù)字高程模型則可以提供高度維度上的數(shù)據(jù)，通過三維可視化平臺導入這兩種不同的數(shù)據(jù)源進行分析處理和疊加顯示，即可逼真還原研究區(qū)域的三位場景及其地形地貌的特點。本文研究的區(qū)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(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型。

4.2.1 提取廠區(qū)影像數(shù)據(jù)

由于沒有高精度高分辨率的衛(wèi)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(shù)據(jù)，該影像還需要進行幾何校正和影像裁剪，才能與測區(qū)范圍匹配(圖2)。

圖2 盂縣電廠新建工程區(qū)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(shù)據(jù)投影到平面上，使其符合地圖投影系統(tǒng)的過程。該影像圖坐標系統(tǒng)為WGS84，需要進行幾何校正，與測量數(shù)據(jù)坐標系一致，才能進行下一步工作。

具體實現(xiàn)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(shù)：根據(jù)圖像的幾何畸變性質(zhì)及地面控制點的多少來確定校正數(shù)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(nèi)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(jù)確定的校正公式，對輸入圖像的數(shù)據(jù)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(shù)值，必須通過對周圍的像元值進行內(nèi)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(qū)域，按照校正后的地圖邊界對圖像進行裁剪；根據(jù)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(qū)域確定出來，具體實施步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)管理工具→柵格→鑲嵌數(shù)據(jù)集→創(chuàng)建鑲嵌數(shù)據(jù)集(必須存放在GDB或MDB中，需要輸入鑲嵌數(shù)據(jù)集名稱和坐標系)。

(2)添加柵格數(shù)據(jù)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(nèi)的影像(對于規(guī)則像素的柵格，可獲取矩形影像，對于不規(guī)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(qū)域精準影像

4.2.2 提取數(shù)字高程模型

建立數(shù)字高程模型(DEM)的基本方法包括不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)(GRID)等，格網(wǎng)模型能夠充分表現(xiàn)高程變化的細節(jié)，拓撲關系簡單，分析處理算法易于實現(xiàn)，某些空間操作及存儲組織靈活方便，但是其數(shù)據(jù)存儲占用巨大的空間，并且在不規(guī)則的地形特征和較為平坦的地形特征之間在數(shù)據(jù)表示方面不夠協(xié)調(diào)；而不規(guī)則三角網(wǎng)模型能夠進行高效率的存儲，數(shù)據(jù)結構簡單，與不規(guī)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(qū)域邊界，易于更新，可適應各種分布情況的數(shù)據(jù)。經(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)導出為shp后，通過3D Analyst→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN(圖5)。

圖5 創(chuàng)建TIN

(3)3D Analyst→轉換→由TIN轉出→TIN轉柵格(圖6)。

圖6 創(chuàng)建柵格DEM

4.3 成果展示

在ArcScene中加載TIN數(shù)據(jù)，在屬性中從表面獲取高程，選擇TIN數(shù)據(jù)。

加載影像(圖7)，即可得到廠區(qū)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(chǎn)應用

ArcGIS產(chǎn)品是目前世界上最為領先的GIS平臺，平臺支持海量的數(shù)據(jù)格式，并且全球幾乎所有的GIS軟件都支持ArcGIS的數(shù)據(jù)格式，該平臺提供豐富的組件庫和友好的開發(fā)環(huán)境，可拓展性高。

本文探究的三維數(shù)字化成果主要包括TIN數(shù)據(jù)模塊、GBD數(shù)據(jù)模塊等，上述數(shù)據(jù)集均是ArcGIS通用格式，可應用于各類ArcGIS二次開發(fā)軟件體系以及支持ArcGIS數(shù)據(jù)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(tǒng)中的顯示效果。

圖9 GIS軟件應用

公司電力工程三維數(shù)字平臺即是基于ArcEngine進行開發(fā)的，其三維數(shù)據(jù)組織模式與本文成果數(shù)據(jù)一致，如圖10。

圖10 數(shù)據(jù)對比

待該平臺開放數(shù)據(jù)接口，雙方數(shù)據(jù)即可進行無縫銜接，為生產(chǎn)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(qū)域范圍內(nèi)地形破碎，地理條件復雜、地物眾多，GPS-RTK聯(lián)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(qū)域的數(shù)字化測圖，為設計方提供了真實準確有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，供其進行合理的規(guī)劃和設計工作，提高其設計效率及設計質(zhì)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(tài)呈現(xiàn)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(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的進步，再現(xiàn)地學面貌和現(xiàn)象。通過對測區(qū)的三維數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(fā)展大有余地。

(2)三維數(shù)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(xù)優(yōu)化和完善。