GPS及現代測量儀器在大比例尺地形圖測量中的應用研究

許振興

（遼寧排山樓黃金礦業有限責任公司，遼寧 阜新 123000）

隨著測繪技術及計算機技術的發展，高科技測量技術在實際工作中的應用也越來越廣泛，比如無人機影像測量技術、三維激光掃描技術及GPS技術等。21世紀以來，隨著測量儀器技術與計算機技術協同發展和廣泛應用，基于GPS功能的移動客戶端軟件步入人民的生活中，例如導航。在專業工作方面，GPS無聲無息地取代了傳統測量儀器的使用頻率，其已經在很多領域體現出其優越性，如大范圍的城市控制測量、大面積的用地勘界測量，尤其是在大比例尺地形圖測量工作中，極大地發揮出高科技為實際工作帶來的便利性和高效性。

GPS-RTK技術是基于GPS衛星定位系統及網絡傳輸系統融合后產生的高性能測量技術，其具有控制面積大、定位精度高、獨立測量無誤差積累等特點，顯現了比其他常規測量儀器更大的優勢。GPS RTK測量技術是建立在載波相位觀測值基礎上的實時動態定位系統，其配置包括以下3部分：（1）基準站接收機；（2）移動站接收機；（3）數據鏈。此次研究如何完成42公頃大比例尺露天地形測量工作。現有設備有南方瑞得GPS一套（1基站+2流動站），全站儀2臺，其他設備若干。配備專業技術人員5人。計劃5個月完成地形測量工作。為了完成公司安排的測量工作，結合測量現場實際與現有設備情況，開展一系列研究工作，以指導實際生產工作。

1 GPS測量與傳統測量的比較

1.1 GPS的原理

GPS定位系統是利用在軌GPS衛星、地面接收站、手持GPS定位裝置形成的一套用于位置確定、速度測量的系統，當前GPS定位系統已經廣泛應用于測量、規劃、農業、建筑等諸多基礎性行業，為其提供詳實而準確的位置信息，使各行業能夠得到基礎性地理信息的支持，進而得到穩定的發展。

簡要概述GPS原理就是利用衛星連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，由GPS接收機接收并進行計算。由于傳輸的距離的差異，接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲，通常稱之為時延，因此，也可以通過時延的時間差與光速（電波速度）來確定點位之間的距離，通過解算，從而獲得該點的位置信息，即X、Y坐標。

1.2 傳統測量技術優缺點

20世紀中葉，隨著工程建設需要，光學測量儀器成為主流測量設備，例如徠卡光學經緯儀廣泛應用于我國建國初期大范圍地形測量工作中。光學測量設備主要是利用測角、量邊方法對地形要素進行數據采集，通過計算公式得到大地坐標。其特點是要求測站點和待測點間必須通視，并且在視距長度上有一定的限制，使得在進行大面積的測量工作時，單位工作效率低，支導線之間測量點的精度差，數據量大且難以處理平差等諸多弊端。其優勢在于不必考慮電波信號強弱等因素，在小范圍測量工作中，光電全站儀效率與GPS效率基本相當；對于位移觀測等重復的測量任務，全站儀能夠形成完整的原始記錄，便于存檔備案復查等工作。對于高精度基準點測量，采用高精度全站儀測量依舊是大多時采用的辦法。

1.3 GPS測量技術優缺點

GPS空間定位技術的出現彌補了傳統光學測量儀器通視要求的弊端。其具備任一點獨立測量的、不需要通視的先決條件，避免了因遮擋而帶來的通視剛性需求，大大提高了作業效率；大范圍作業區域，不受距離視距設備限制；測量精度高，測量數據相對獨立，誤差無累積；GPS操作簡便，定位精度高，其測量各點間的精度基本上是獨立的，減少了測量誤差傳播和積累。隨著GPS技術的不斷發展，自動化程度越來越高，體積越來越小，重量越來越輕，為快速獲取地形圖數據，實現信息化、數字化奠定了堅實的基礎。但GPS設備在野外實際工作中，存在部分地點信號較弱，無固定解的情況，降低測量工作效率。

1.4 南方瑞得儀器簡介

此次測量工作選用的是南方瑞得R6系列產品。其精度指標如下：

碼差分GNSS定位：水平：0.25m+1ppm RMS；垂直：0.50m+1ppm RMS；SBAS差分定位精度：典型＜5m 3DRMS。

靜態GNSS測量：平面：±（2.5mm+0.5×10-6D）；高程：±（5mm+0.5×10-6D）。

實時動態測量：平面：±（8mm+1×10-6D）；高程：±（15mm+1×10-6D）。

另外，此次工作的設備能夠全面接收北斗、GPS、GLONASS和Galileo衛星系統及各頻段數據，特別支持北斗三號全球衛星信號，真正意義的全頻點、全星座解算定位。產品特性如下：

續航長，采用雙電池設計，6800mAh高能鋰電池，搭配6800mAh智能電池桿，輕松保證30h靜態作業，15h動態應用，支持熱插拔，無限續航；距離遠、收發一體化全功能內置電臺，典型作業距離8km，滿足常規作業所需；數據穩定，4G全網通模塊，向下兼容，適用各種信號區域，更有多種配置可選，超遠連接距離，信號傳輸穩定，兼容2.1標準，遠程管理主機、遠程采集信息，應用便利靈活，支持多種數據鏈傳輸，可用手簿、手機、平板，與手簿連接便捷穩定，全新網絡架構，支持現行主流CORS系統；搭載Linux系統平臺，內部實時監控，自動控溫、調整功耗，運行穩定；可借助wifi連接網絡，獲取數據，亦可開放wifi熱點，由多種設備接入，進行更加豐富的設置與調整；IP67級工業防護，無懼風雨侵襲，抗3m自由跌落；內置IMU慣性測量傳感器，免校正，低延遲，超大60°測角，點到即測到。重量輕便，全新NFC閃觸配對技術，可快速建立通信數據鏈，擺脫傳統繁瑣的連接過程，獲得更順暢的使用體驗。

2 GPS測量與傳統測量相結合的施工方式

2.1 GPS與全站儀相結合的工作方式

根據現有的人員與設備情況，結合施工現場，將人員分為2組，分別為GPS組和全站儀組，并在測區周圍布設若干控制點，方便開展測繪工作。其中，主要區域為GPS測量區域，其現場坡度較大，荊條等較高、較多；全站儀測量區域主要為山腳、溝底等地類特征較為明顯，且GPS信號較弱的地點；以此互補設備弱勢，發揮協作優勢，大大提高作業效率。

2.2 使用GPS的測繪大比例尺地形圖的流程

首先到控制點附近架設基站，連接各部件后，開機并求取測區參數。流動站到控制點去檢核，檢查精度為水平：平面校差不應大于5cm，高程校差不應大于3mm，滿足以上精度要求后，即可開始作業。一般為單人作業，一人到每個碎部點上立桿并記錄數據，在記錄數據時要求測量人員立點要準確，盡量穩住對中桿。采取點名編號分類測量點的方式，實現地類特征點的采集，外業測量存儲的文件是專用的DAT數據庫文件，不可直接用來給成圖軟件調用，用“測點成果輸出”功能可以把原數據文件轉換為用戶所需要的CSV格式，轉換后的格式與所用軟件格式相一致，結合相應軟件工具，可快速地完成數字化DTM三角網內業成圖工作。日生產能力約為1000～2000點。

2.3 使用全站儀配合GPS測繪大比例尺地形圖的流程

首先，根據當日生產任務，劃定大致測量區域，選取該區域的控制點作為測站點，并以另一個測量控制點為后視點，架設全站儀。以此為中心，兩人持棱鏡進行碎步點采集，一人點號為單號，一人點號為雙號，特征點由持棱鏡人員進行記錄。通訊方式為旗語結合對講機方式。日生產能力約為500～1000點。

2.4 數據的管理

每日GPS組完成外業測量后，將DAT數據庫文件導出，并注明測量日期；每日全站儀組完成外業測量后，將TXT文件導出，并注明測量日期；每周休息日對本周的測量數據進行整理，將兩種數據文件進行格式轉換，坐標轉換，統一存儲為CSV數據格式，并注明匯總日期。每月將測量數據進行DTM三角網繪制，及針對特殊地類碎步點進行剔除、轉移等方式進行調整。繪制等高線圖為地形圖成果的底圖，另繪制例如山脊、道路、邊界線等特征點圖層，匯總后，檢查周工作成果，總結進度，布置下周任務。

3 實際操作中需要注意的問題

3.1 原始記錄管理

雖然現代測量設備高效性遠超傳統測量設備，但傳統測量中，對于原始記錄的管理及誤差管理體系還是值得新時代測繪工作中給予保留的，尤其是GPS、全站儀等數字化儀器，檢查、復檢等工作是需要做好原始記錄的。此次工作，每日的檢核和控制點復測都是檢驗設備精度和狀態的重要過程。并且要求每日將測量區域草圖進行存檔。

3.2 儀器管理

此次工作采取集中對設備進行管理。其中，施工前，將設備分為GPS組和全站儀組，并將其中的電池單獨存放，專人管理；每日出發工作前，各組負責檢查設備及配件是否齊全，組長檢查電池是否完成充電，以防止由于設備、配件不齊全影響作業量。分組管理的另一優點在于回收設備時，避免了配件遺落現場的情況發生，從而才能持續的開展大范圍地形測量工作。

3.3 安全管理

此次工作時間從3月開始，預計持續到8月，跨越春夏兩季，又處在野外山間，安全管理要求不得不考慮，從兩方面開展，一方面是加強自身防護，除必要的勞動保護用品外，增設了防蟲噴霧、防蛇鞋套及救援哨等，有效地提升了自身防護水平，確保了野外作業的人身安全；另一方面是加強用火管理，時值春夏山火高發期間，明確了野外禁止煙火的規定，有效的提升了防火意識，確保作業區安全。

3.4 環保管理

為了盡快完成測量工作，此次外業每日基本上連續作業5～7h，中間的補給按照單人的需求給與準備，為確保現場作業環境不受破壞、不受污染，要求食品、飲品的塑料包裝嚴禁亂扔，集中回收，集中處理，確保了作業區環境不受破壞。

4 關于現代測量儀器應用的思考

此次工作歷時120天完成，比計劃提前30天，隨著工作開展，每日工作熟練度及配合也相應提高，工作流程及標準有效得到保證，測量成果符合既定要求，得到了設計單位的一致認可。但依舊存在一些問題，可進一步改進提高。

4.1 設備效率與人員體力協調組織的思考

目前，測量設備的續航基本能夠滿足全天候施工的情況，反觀就是人員的體能是達不到每日滿負荷開展工作的，尤其是野外深山中，作業人員雖然一直維持5人，但期間輪換了多人以滿足外業人員體能消耗的補充，解決方案一是增加流動站，縮短作業時間；二是制定相應的輪班制度，確保外業作業人員體能滿足作業需求；三是采取新技術降低人員作業強度，進一步提高作業效率。

4.2 三維激光掃描測繪技術與無人機融合應用聯想

此項目于2016年實施，當時三維激光掃描技術剛投放市場，設備價格高居不下，均為固定式掃描設備，并且其設備與作業現場環境不相符，現場較多荊條、樹林等，掃描出的圖像難以滿足要求，未能實現。但隨技術的發展，現階段三維激光掃描技術實現了移動式，結合無人機能夠大范圍進行地形掃描，結合配套的數據處理軟件，能夠剔除荊條及樹林等地表附著物，基本能夠實現地形測量的精度指標，如現階段開展此類工作，可以研究開展三維激光掃描結合無人機的形式開展，大大減少人員勞動強度，提高作業效率。

4.3 基于遙感影像技術結合外業特征點核實應用的聯想

隨著測繪與計算機的技術發展，航空測繪技術突飛猛進，基于遙感影像技術延伸而來的無人機航飛測量也基本能夠實現大范圍大比例尺地形圖測量工作，并且結合相應的軟件，能夠將實測的地形結合影像，形成三維立體圖形，實測地形的坐標、高程精度高，作業效率更高，42公頃范圍預計航飛一周，就能完成外業測繪工作，如結合GPS對特征點進行采集，與航飛影像坐標進行校對，可完全替代人工碎步測量。

5 結語

隨著測量儀器與計算機技術的發展，三維激光掃描、無人機航飛影像測量及內業處理軟件的日益強大，相比較過去人海戰術的測量方式，科技不僅僅改變了工作方式，還改變了工作模式的思維，應用科技，實現高效、安全、智能的高質量發展目標，為大范圍大比例尺地形圖測量工作提供解決方案。