数字化地形测图技术的应用

蒋勇军

摘要：随着科学技术的发展，使用GPS和全站仪进行数字化地形测图已经取代了传统的测图技术，本文论述了数字化测图的优越性以及具体应用。

关键词：GPS RTK；免棱镜；固定解；中误差；基线

数字化测图是采用GPS或全站仪直接测取碎部点坐标和高程，计算机编辑成图的技术方法。使用GPS或者全站仪测图通常是先布置控制点，一般是在国家高等级控制网的基础上加密次级控制网点，最后依据加密的控制点或图根点测定地物点和地形点。由于数字化测绘相对于传统平板测图具有精度高、作业效率高、劳动强度小等显著经济技术优势，加之近年来数字化测绘设备价格的持续下降，规划、设计等用图单位普遍采用计算机设计而要求提供数字化测绘成果等因素，测量单位普遍采用野外数字化测绘完成大比例尺地形测量工作。数字化测图已基本淘汰传统的平板仪测图技术，成为占主导地位的技术方法，数字化时代是对测绘成果应用方法变革的必然结果，本文以广西平果那荣矿段地形为例，主要介绍GPS在地形测量中的应用，以及利用全站仪作为辅助测量手段，最大效率地完成地形图的测绘。

1.利用GPS进行区域控制测量

为了较好的控制整个测区，根据测区高等级已知点，布置了4个E级GPS点，作为整个测区的首级控制网，通过对GPS数据的基线解算及网平差解算出4个E级GPS得平面坐标，具体操作流程如下。

GPS控制网的精度设计

根据国家测绘局《全球定位系统测量规范》，GPS相邻间基线长度精度可用如下公式表示：

σ=

式中：σ网中相邻点间基线中误差；

a为固定误差；

b为比例误差系数；

d相邻点间距离；

上式单位均按mm计算，其中E级网固定误差不大于10mm，比例误差系数不大于20。E级精度要求，相邻点间基线的水平分量不大于20mm，垂直分量不大于40mm，点间平均距离不大于3km。相对中误差容许值为1/45000。根据控制网精度要求，本次采用科力达K9双频双星型GPS进行测量。技术参数：静态平面精度：±（3mm+1ppm），静态高程精度：±(5mm+1ppm)，采用静态定位模式对待测控制点进行定测。

GPS控制网的基准设计

通过GPS测量可以获得WGS-84地心坐标系下的地面点间的基线向量，最终成果采用1980西安坐标系，85国家高程基准，通过对接收到的数据进行三维无约束平差，再以起算点的数据进行二维约束平差计算，得到最终的E级GPS相应的参心坐标系。

1.3GPS控制网的网形设计

图形设计的好坏直接关系到建网的费用与网的精度，也关系到网的可靠性，对GPS网来说，网形设计应保证质量的前提下，尽量可能地提高效率，降低成本。根据网的用途和要求，本次采用边连式网形，通过一条已知边将相邻的同步环图形连接在一起，形成重复基线和独立环，图形强度和作业效率比较高。

1.4 GPS选点、敷设

GPS点间不需要相互通实，网形结构灵活，但受信号、气象的影响较大，因此选点中除要注意基本的条件外还应注意一下几点:

点周围便于安排接收设备，且卫星截止高度角须大于15°；

远离大功率无线电发射源，距离大于200m；远离高压输电线和微波无线电传送通道，距离大于50m；

附近不应有强烈反射卫星信号物件（例如大型建筑物）；

应尽可能使测点局部环境和周围的大环境一致，以减少气象元素的代表性误差；

1.5 数据观测

本次采用4台GPS同步观测，对中整平仪器后量测仪器高度。同步观测有效卫星数不少于4颗，观测时间不少于40min，观测时段不少1.6，采用配备的电子手薄进行记录。观测前后各记录一次仪器高，并在观测中时刻注意接收卫星指示灯是否正常，电源是否充足，尽量使观测成果最理想。

1.6成果计算及精度评定

利用GPS平差软件，将外业观测数据输入电脑，检查点的编号以及仪器的高度输入是否正确。对基线向量先进行无约束平差，平差后通过观测改正值检验基线向量中是否存在粗差，剔除含有粗差的基线向量，再重新进行平差，确认网中没有粗差后再进行约束二维平差，计算误差大小。本次网形中最弱点中误差为0.005mm，最弱边相对中误差为1/53380，均滿足规范要求。

2．地形点测量

2.1GPS RTK地形点测量

应用GPS RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据及已知数据传给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到4颗以上的卫星后，可以实时地求解处出厘米级得流动站精度，通过使用GPS测量至少2个已知点坐标，求出测区的转换参数，然后通过任意已知点进行坐标校正后就可以使用RTK进行地形点、地物点等坐标的测量。GPS RTK技术参数：RTK平面精度为±（10mm+1ppm），RTK高程精度为±(20mm+1ppm)，完全满足常规比例尺地形测图精度要求。采用RTK技术测图，仅需一人手持仪器在要测的碎步点上放置1~2秒就可以准确的测定点的位置，并通过输入特征编码和电子手薄记录。由于RTK测图仅需要一人操作，因此不存在数据误报或者误听产生的错误记录，而且手持杆的高度基本不需要改变，也保证了高程的绝对正确性。野外工作完成后直接将数据导入电脑，使用Cass绘图软件，就可以生成地形图。

但GPS测图也有其缺点，例如在卫星高度角不理想的地方或者电磁干扰较大处GPS信号不连续，甚至接收不到固定解信号，不能进行差分解算。而且使用GPS进行山坡测图不便于携带，容易损坏。本测区由于地形起伏较大，山脚处卫星高度角不能满足接收条件，因此在对山坡进行高程点采集以及山脚或者树林茂盛处GPS RTK测图不能正常使用。另外对于悬崖处，或者坡度较陡、植被覆盖较小的山地，可以使用免棱镜全站仪测图。所有这些条件下利用全站仪进行测量有其优越性。

2.2全站仪地形测量

全站仪数字化测图按作业方法可分为编码和无码两种，编码方法在测点时必须按碎部点的类型及相互间联系输入特征编码以便事后编辑成图。操作仪器的作业员不仅要熟记编码，还要时刻观察地形才能正确输入，因此，这种方法对操作人员的技术、经验均有较高要求。就处理碎部点间关系而言，实际上与平板仪测图无异。无码方法则不需输入任何编码，而是代之以棱镜处作业员绘制草图记录所测点之位置、点号及与其它点的联系。测站照准目标测取数据后，只需向棱镜处作业员报告碎部点点号而已，测站与棱镜间联络较少，测图工作实际上主要在棱镜处进行。由于测点时不需观察地形，因而测量速度很快，一台仪器可观测二至三个棱镜，外业测图效率很高。作业时绘制草图的作业员在棱镜处现场绘制，简单而不易出错，只需熟悉地形、地物表示方法即可胜任；而观测员操作全站仪测点精度很高，数据传输又是自动进行，避免了人为的错误和读数误差；内业编辑则是计算机展点，对照草图应用绘图软件的各种编辑工具成图，等高线自动完成，轻松快捷。从理论上讲，数字图中碎部点精度与作业员操作技能关系不大，正常情况下已达到图根点的水平，测量误差可忽略不计。

对于悬崖，或者植被少只需测量高程点的山坡，则采用免棱镜测量可以大大提高效率。目前这类仪器采用的测距模式分为：相位比较式、脉冲式、脉冲相位比较式几种。脉冲相位比较式是这几年的新科技成果，测程远而且测距精度高。例如徕卡TS02-2Power以及拓普康的GTS-3005LN可免棱镜测距，标称测程都在1000m以上。观测时只要目标在测程范围内，无需司镜人员，观测员短时间内就可以收集到测点的信息。

高端测绘仪器的出现，使得在数字化测绘时，对作业人员的操作技能要求大大降低，进一步提高成图质量只能靠提升作业人员的理论水平。为适应这种新的形势，今后测绘技术人员的业务培训重点要从熟练、准确的技能训练转移到地形、地物的正确表达，计算机绘图理论、不同使用目的下地形图的不同取舍等更深层次的内容上来。

结语：随着科学技术的发展，测绘设备的先进程度对测量精度和效率起决定性的作用，GPS和全站仪测图各有其优劣性，他们的配合使用可以弥补相互的缺陷，使得数字化测图高效而又简捷。