全站仪与GPS技术在数字化地形图中的应用

□孙 斌 □王 飞 □马程帅（河南水利建筑工程有限公司）

一、全站仪

全站仪是一种能够直接测定地面点三维坐标并自动存储三维坐标数据的仪器。用全站仪进行测量比以前各种传统方法均有较大优势，并且在地形图测绘中也得到广泛应用。优点有：一是操作相对简单，可直接获取地面点三维坐标；二是外业人员配备少，一般3人左右即可，工作效率高；三是能够配合CASS等专业的地形图测绘软件直接传输坐标成图，极大地提高碎部测量工作效率高；四是全站仪和平差易等专业的控制测量软件配合使用可以提高控制测量的工作效率；五是配合CASS等测绘的软件，在测站点、后视点的输入有误可以进行及时的调整，其纠错能力好。其最大的缺点就是要求通视良好，受天气、地形和人为因素影响大。

（一）全站仪数字化测图

全站仪数字化测图的工作过程主要有:数据采集、数据处理、图形编辑、图形的检查与校核、图形输出。外业采集一般有2种工作方式:

1.用全站仪采集数据,将数据存入全站仪内存中同时画草图记录测定实物大致位置等信息,然后再将测量的坐标等数据传入计算机用CASS或者CAD等软件绘成图形。

2.直接将全站仪与测图精灵等专业测绘软件连接在一起,实现坐标测量数据实时传输,现场加入地理属性和连接关系后直接成图。

（二）全站仪测图方式

1.控制测量。在碎部测量之前,应先进行平面和高程控制测量。通常与本测设区域内更高一级的控制点进行联测,即使用测区范围内的国家三角点或各等级的GPS点。若在测设区域内没有可利用的已知控制点,则可建立测区独立的平面直角坐标系,起始方位角可考虑以地球轴子午线方向为0°。根据测量区域的大小、高级控制点的位置、测量区域地形、地貌因素的影响可选择附合导线控制网、闭合导线控制网等，测量并记录角度、距离等要素；由于测量竖直角时盘左与盘右的相差较大，在用全站仪做平面控制测量的同时，用全站仪三角高程控制测量做高程控制测量时注意盘左与盘右的计算后其精度符合要求才可进行下一步的测量，并配合平差易等专业的控制测量软件进行测算可大大提高测量速度。

2.数据采集。首先在地形图测绘的区域内选择一个仪器测站点、后视点,该站点应尽量设置在控制测量的站点上，如不能设在控制测量的站点上，可设置支导线，设定站点后要及时做好记录、并在原地明显标示、做好保护措施。野外数据采集的工程中应根据地形、地物、地貌各自的特点进行测量,如测量形状相对规则房屋时只需要采集3个点,测量单独地物时如路灯就只需采集1个点,在野外数据的采集过程中可以设置固定的棱镜高，然后就可以直接测量出三维的坐标点，非常适合等高线的测量、绘制。

野外数据采集时注意以下几个方面:

（1）为提高测量速度,可同时采用多个棱镜测量,各棱镜的高度应尽量保持一致,当某一测点需调整棱镜高时,要重新修正该点的棱镜高。一旦出错,可重新调整棱镜高，采用同一点号覆盖原来的测点或者记录在案并在数据传输后在计算机上面及时修改。

（2）测量时需配备对讲机,仪器操作人员要及时与草图记录或采点人员沟通,校对仪器记录的点号是否与草图上记录的点号、地物属性、相对位置及是否用偏心测量或者悬高测量等具体的信息进行交流，使其保持一致。

（3）每建一仪器站时应准确记录该站的点号、后视的点号,一旦出错可利用坐标转换技术进行纠偏调整或者用CASS的坐标转换技术进行调整。

（4）测量时可对特定手势进行定义，通过特定手势运用可以提高测量的速度。

3.内业数据处理的方法。地形图是跟测点坐标同草图图示的结合绘制而成的，按照测图要求绘制地形图,全站仪测图的实施是由专门的测图软件来完成的,如CASS软件，它是南方测绘仪器公司开发软件，CASS7.1版本是市场上最为常用的版本,这种基于AutoCAD平台技术的数字化测绘数据采集系统,在地籍成图、地形成图、工程测量三个领域已经得到广泛的普及应用,通过CASS成图软件中的作业方式是的“电子平板”,这种作业方式可以同各种全站仪实现数据接口,野外数据采集可以自动输入并记录,野外采集的数据，并且可以在野外绘制出地形图,或将全站仪坐标数据导入到CASS上实现内业绘图。绘制地形图时可根据在野外采集数据时绘制的草图,用符号连接相应的点或绘制独立符号,地形图绘制完成后可以再根据实际地形情况绘制等高线进行适当的修补。

二、GPS测量技术

GPS技术于1964年1月研制成功，主要用于导航和定位。试验证明，该系统不受天气和时间的限制，只要能观测到卫星就可在地球上任何地方接收到卫星信号，进行单点定位或双点联测定位，进而可算得测站在地球坐标系中的三维地心坐标或两点间的三维坐标差，因此该系统得到广泛的应用。

图1

（一）GPS静态测量技术

常规的测量方法逐渐被GPS静态测量技术所取代，成为测定和建立各种类型和等级控制网的主要手段。GPS在布设和测定控制网方面有其明显的优势：

1.选点灵活，无需通视，作业范围大，降低了作业成本。

2.测量的精度高，常规的测量方法很难达到GPS的精度GPS基线向量可达到1/100000左右的相对精度。

3.不易受气候的影响，一次观测时间短。

4.观测、处理自动化，系列化。

（二）GPS实时动态测量技术

图2 RTK测量原理图

实时动态（Real Time Kinematic，简称RTK）测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。不仅能达到厘米级的精度，而且测点在指定坐标系中的三维定位结果可以实时的提供。在RTK作业模式下，其观测值和测站坐标信息可以由基准站通过数据链一起传送给流动站，移动站可以随时处在静止状态或者是运动状态。在测量时用RTK技术的优点如下：

1.可以全天候作业，可以实现无通视条件的连续作业。

2.平面定位精度较高，平面精度可达到1cm+1ppm，高程精度可达到2cm+1ppm。

3.劳动强度降低，作业效率高；用1+1的作业模式可以辐射5～10km半径的测区；用外接电台可以辐射15km，CORS基站辐射范围可以达到60～70km，这就可以极大地减少其他测量方法不可避免的由于不通视造成的仪器搬站，节省了外业费用。

4.操作方便，移动站与手簿可以分离作业，数据处理方便、快捷。数据传输、接受受干扰较大，山体、建筑物和大面积森林都会对数据传输产生一些干扰，这就要求电台发射天线应有一定的高度，应设于基站辐射范围内开阔的高点上，点周围高度角15°以上不要有障碍物，以免信号被遮挡或吸收。尤其在城市地形图测量中房屋建筑密集区建筑物高度一般较高，GPS就受到了极大的限制，但对于城市开阔地区的道路、管线、管道适合应用，尤其是郊区等比较空旷的地区有很大的应用空间。

三、工程实例

以许昌学院数字化地形图测设为例，地形起伏不大，建筑物高且多，测量的点较多，甚至包括偏心和悬高测量，只采用全站仪测量，通视不佳，多转点必然造成误差累积，精度难以保证，若只用GPS，在测量建筑物时精度达不到要求，于是采用GPS和全站仪联合作业的方法。

全站仪采用宾得全站仪R325N，做控制测量即平面控制测量和高程控制测量，并通过平差易专业控制测量软件进行控制测量内业计算。

图3 平面控制示意图

图4 RTK测量示意图

GPS采用南方S86双频接收机的RTK平面精度为1cm+1ppm，RTK高程精度为2cm+1ppm，在本项目的部分测量地段RTK技术相当方便，可用1+1（1台固定站和1台移动站）、1+2或者与CORS基站连接可以实现1+N连接，移动站在电台信号覆盖的范围内采集外业数据即可，在保证精度的前提下，可大大降低劳动强度、缩短测量时间，达到事半功倍的效果。但是在校内建筑密集地段，单纯使用GPS精度很难保证，而且难以实现像全站仪可以做的偏心测量和悬高测量，经过统计调查，发现困难地段多为独立柱要测中心，建筑物需要测高程时，再由全站仪跟进作业。使用全站仪完成具体测量工作。测量中只需要保证在做点校正时，所选择的校正点网能覆盖测区，从而使坐标转换最贴近测区地形，在特殊地区使用全站仪配合GPS作业是可行的，也是可以满足技术要求的。这样做既节约了工作时间，提高了作业效率，又确保了测量精度。

地形图是房建、道路、桥梁、隧道等实际工程设计的基础，采用现在传统的测量方法存在许多弊端，例如测量数据多，易出错，测量完毕不易校核和保存,采用数字化地形图可有效解决这一问题。采用专业数字化地形图测绘，经过处理后，可以满足工程建设规范的需求，数字化地形图可以形成永久保存的电子档案，勘测成果在图上一目了然，可重复利用，并可不断补充调整。目前我国数字化地形图测绘的水平并不高，集成化、系统化的程度较低，与世界先进水平相比还有一定的差距，难以适应工程建设要求。数字化地形图测绘中原始数据的采集已开始采用GPS、全站仪等多种现代化高效的数据采集手段。

四、结束语

全站仪和GPS技术已成为现代测绘技术的重要组成部分，在数字化地形图测绘中应用也越来越广泛，尤其是用CORS基站辐射的半径可以达到50km与全站仪测量相比确有非常明显的优势，但自身也有缺陷和不足，全站仪与GPS的联合应用在实际工作中能够扬长避短，相互补充，协同作业，在保证精度的前提下可以提高测量速度，减轻劳动强度，在未来的测绘中有很大的开发空间。

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