Topcon影像全站仪在废弃采石场地形测量中的应用

高俊，梁超，彭贤锋，许宗文，赵廷宁†，闫继斌

(1.北京林业大学，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;2.北京川卅科技发展有限公司，100041，北京)

Topcon影像全站仪在废弃采石场地形测量中的应用

高俊1，梁超1，彭贤锋1，许宗文1，赵廷宁1†，闫继斌2

(1.北京林业大学，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京;2.北京川卅科技发展有限公司，100041，北京)

近年来，废弃矿山生态环境问题越来越受到国家的重视，废弃矿山生态恢复逐渐发展为我国城市生态环境建设的重要内容之一，而区域地形测量则是生态恢复的基础。影像全站仪测量技术作为近年来发展的一种新兴地形测量技术，在废弃采石场地形测量中应用较为广泛。在介绍日本Topcon Corporation公司生产的影像全站仪测量技术原理的基础上，以实例实现地形测量及后期成图的全过程。实践证明，影像全站仪测量技术具有操作简单、测量速度快、精度高等优点，特别是影像全站仪测量过程中不需要用棱镜进行光线反射，极大地提高了地形测量的效率，同时对测量人员的安全性也有保障，适用于常规测量难以实现的困难立地地形测量。

影像全站仪;测量;采石场;地形图

随着我国生态环境事业的发展，废弃采石场生态修复成为我国生态环境建设的重要领域。在矿区生态环境治理的规划设计工作中，测绘矿区1∶500的大比例尺地形图，是对矿区进行立地类型划分并制订分区治理规划的基础。在影像全站仪测量技术出现以前，矿区地形测量通常采用经纬仪视距法、GPS RTK法［1］或有棱镜全站仪法，这些方法均需工作人员在待测的地形点上跑点，同时对一些无法到达的危险区域，如开采深坑、陡立坡面、毒害物质区域等关键部位，均无法进行有效测量［2－3］。近年来，随着影像全站仪测量技术的发展，地形测量的全面性、准确性有了较大提高，弥补了传统地形测量技术的不足。影像全站仪测量技术只需设置相关扫描参数，无需测量人员跑点，即可对研究区域完成测量工作，工作量小，安全性高，极大地提高了测量效率;但由于其使用成本较高，目前国内拥有影像全站仪数量较少，未能在废弃采石场生态治理中广泛推广应用。鉴于该测量技术在废弃采石场地形测量和治理规划设计中的技术优势，通过介绍笔者在2年内使用日本Topcon Corpration公司生产的Topcon影像全站仪对多个废弃采石场进行地形测量实践的经验，针对影像全站仪测量技术在仪器安装、TopSURV测量软件使用等方面所遇到的关键问题，总结影像全站仪测量技术在地形测量中的关键技术和操作方法，以期为项目后期的数据分析以及水土流失治理措施的设计提供技术支持，同时为影像全站仪测量技术的进一步完善和推广提供理论依据。

1 影像全站仪测量技术

1)影像全站仪测量原理。影像全站仪测量技术是利用发出的窄小激光束打到待测目标表面，再依靠目标表面反射激光，并由影像全站仪获取的测量方法。该测量方法只需要待测目标在影像全站仪的量程内，并符合影像全站仪测量对反射介质的要求，不需在待测目标上放置反射棱镜就可精确地测得该目标的三维坐标［3－4］。

2)影像全站仪功能特点。影像全站仪内置有广角镜头和长焦镜头2个数码镜头，可以通过相机拍摄直接将测量现场的照片显示在影像全站仪屏幕上，以此可以直接在照片上设定所需的扫描边界;扫描方式多样化，适应于多种场景的目标数据获取，可为后期成图计算提供丰富的有效数据;可达1 200～2 000 m 有效测距［5］。

2 外业数据采集

影像全站仪测量过程通常需要3名测量人员配合进行，其中2人负责全站仪的安装及调试，另1人负责转站时棱镜立杆。免棱镜测量设备包括拓普康IS201影像全站仪、脚架、棱镜、棱镜杆、GPS、卷尺等。外业数据采集流程如图1所示。

图1 外业数据采集流程Fig．1 Process of field data acquisition

2.1 布设控制网

在实施测量工作前，需要对采石场进行探察选点，选择干扰较小、通透性较好、利于脚架仪器的点为控制点，布设范围务必要覆盖整个采石场。为方便控制点短期保留以便后续测量工作顺利进行，建议在控制点位置打入长钉，并用红漆做好记号。

2.2 仪器安装

将全站仪脚架立于控制点上方，通过目视对中调平，为防止在测量过程中因全站仪转动导致脚架发生偏移，要特别注意将脚架尖端部分踩入泥土或石缝中以固定脚架。建议基座固定在脚架上之前将全站仪脚螺旋全调至松开状态，以方便后期微调平。通过光学对中器将全站仪对中至打好的控制点长钉上，通过控制脚架上的螺旋调节脚架升降，将全站仪圆气泡调平，再次对中，并通过调平全站仪长气泡不同方向，确认对中调平，完成安装。

2.3 坐标系引测

地形测量时应根据最近的大地坐标原点采用GPS静态测量或GPS RTK技术引测水平面的坐标，标高则以平均海平面为依据选取。实际地形测量过程中，根据大地坐标原点引测坐标，通常是先定一个临时原点，其他点的坐标则相对此原点的坐标测量获得。笔者应用影像全站仪测量采石场时，先选用GPS测量第1个控制点的经纬度和高程，再用Arcgis软件投影“Beijing－1954坐标系”生成该控制点的大地坐标，以此坐标引测其他点的相对坐标。

2.4 设置后视

有测站点和后视点才能确定方位，有测站点坐标和后视点坐标2个数据才能解算数方位角，利用全站仪测角和测距功能方可推算未知点的坐标，因此，必须先设置后视。有研究结果表明，影像全站仪测量精度能够满足基线测量的规定［2，6］，在常规地形测量中，可选用全站仪进行控制点观测及后视。应用角度后视的方法测出后视点的坐标后，为确保测量精度，务必要进行后视检查，误差小于0.01则说明测量精度在允许的误差范围内，此时才能继续进行下一步测量工作。

2.5 区域扫描

影像全站仪配套的软件提供了多种区域扫描方法和扫描参数，根据测区特点选择合适的扫描方法和参数，务必通过粗瞄器对准待测区域，测出仪器与待测区域的距离，以减小测量误差。所有选项设置好后，即可进行自动扫描，扫描结束后对数据进行输出保存。

本站可视区域扫描完成后，需通过转站完成下一待测区域扫描测量。将棱镜立于下一个控制点，观测棱镜测出控制点坐标，得出控制点坐标后务必要点击控制板上的Enter键，才可将控制点的坐标存入仪器中。将仪器移至该控制点上，重复以上操作步骤，对下一块区域进行测量，相连的2块测量区域应有重合线。

3 数据处理

外业测量工作结束后则可进行内业数据处理。应用 Arcgis［7－8］完成相关数据处理工作，具体操作步骤如图2所示。

图2 内业数据处理流程Fig．2 Process of indoor data processing

3.1 数据导入

通过数据线将影像全站仪测量的数据导入电脑中，并保存为逗号分隔符“csv”格式，并将经度值设为X坐标，纬度值设为Y坐标，高程值设为Z坐标。打开 Arcgis软件，选择“Beijing_1954_GK_Zone_17N”投影坐标系，导入所测采石场的所有测点数据文件。采石场点云数据如图3所示。

包子店门前是开阔的广场，除了花圃和车位，还有很多空地，后来成了家长接送孩子滞留的地方。每当上学放学的时候，这里人头攒动，谈笑风生，满眼都是接送孩子的家长，爷爷奶奶居多。在这里开包子店，应该是最佳选择。

3.2 生成三维数据

图3 采石场点云数据Fig．3 Point data of the quarry

在废弃采石场地形应用中，三维数据越来越受到重视，TIN是重要的三维数据构建和展示模型。TIN是按地形特征采集的点，根据一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形构成的一个不规则三角网。TIN能较好地顾及地貌等特征点、线，逼真地表达复杂地形起伏特征，克服地形起伏变化不大的地区产生冗余数据的问题［9］。

通过ArcGIS的3D Analyst工具创建TIN图，利用不规则点自动构建不规则三角片网，并根据不同高程显示不同颜色。创建的采石场的TIN图见图4。

图4 创建的采石场的TIN图Fig．4 Create TIN of quarry

3.3 TIN图转栅格图

栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物的非几何属性特征，所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标［10］。通过ArcGIS的3D Analyst工具中的“转换”工具由TIN图转换成栅格图，结果见图5。

图5 由TIN图转换后的栅格图Fig．5 Raster converted from TIN

3.4 生成等高线图

根据栅格图进行空间分析，通过ArcGIS的Spatial Analyst工具中的“表面分析”工具生成等高线图［11］，见图 6。

图6 由栅格图生成的等高线图Fig．6 Contour graph created from raster

因测量过程中难免会产生误差点，需进一步对等高线图进行误差点修改，然后对等高线图进行方向确认，最后标注高程。

3.5 面积查询及坡向坡度分级

工程设计中涉及到项目区划分和工程措施、植物措施布局，需要测区水平面积、实际面积及坡度分级等参数，在ArcGIS中，可以通过表面分析工具进行测区水平面积和表面积查询，在TIN属性设置里可以选取测区坡向和坡度分级，采石场分级结果如图7～图9所示。

图7 面积查询Fig．7 Area query

图8 坡向指示Fig．8 Slope direction

图9 坡度分级Fig．9 Slope classification

根据废弃采石场生态治理要求，通过ArcGIS制图可查询分析得到测区的水平面积、表面积、坡度、坡向、相对高差、坡面断面图等采石场生态治理规划设计所必需的多项关键数据，可为完成采石场生态环境治理规划设计提供可靠、详实的数据支撑。

4 影像全站仪的优势、适用条件和测量过程中的注意事项

2)适用条件。影像全站仪适用于通视条件较好，无大面积遮挡物的区域地形测量;适用于地面裸露，反射介质稳定的区域地形测量。

3)注意事项。影像全站仪在扫描过程中耗电量较大，在进行区域地形扫描测量时，应准备充足的备用电源，在有外接电源的环境下配置外接电源。影像全站仪测量是通过发射激光束并获取反射激光束来实现的，在测量过程中，尽量少用眼睛通过目镜观测目标，以防受伤。在运输过程中，影像全站仪受到颠簸易产生测量误差，仪器使用一段时间后，应对其进行误差校正。

5 使用影像全站仪测量实例

使用Topcon影像全站仪，分别于2010年12月测量了北京市延庆县占地面积为3 hm2的废弃采石场比例尺为1∶500的地形图，2011年3月测量了北京市延庆县占地面积为8 hm2的废弃采石场比例尺为1∶500的地形图，2011年6月测量了房山区周口店占地面积134 hm2正在开采的采石场比例尺为1∶500的地形图，2012年3月测量了河北省承德市承德县15 hm2的废弃采石场比例尺为1∶500的地形图。所有采石场测量结果可靠稳定，测绘的地形图均能满足矿山生态治理设计需求。仅在使用该影像全站仪于2011年11月对四川省北川县地震诱发滑坡灾害的地形测量过程中，不仅扫描区域出现大量盲点，后期的地形图绘制也出现了较多断线。主要原因是北川县雨水较多，经过地震后3年的自然恢复，坡体上植被恢复较好，影像全站仪扫描有植被的区域时，部分激光的反射光线因植被枝叶晃动影响而未能被全站仪成功接收，部分成功接收的反射光线为植被枝叶的三维坐标。根据地形图和实际扫描区域比照，证实了出现盲点和断线的区域均是有植被生长的区域。

6 结束语

影像全站仪在困难立地地形测量中有广泛的应用，但其对测量环境要求较高，在测量区域存在植被或其他障碍物的情况下，测量结果会受到很大的影响;另外，扫描测量得出的数据量很大，虽然能较好地反映测量区域的微地形，但也为后期数据处理造成了很大的困扰。如何改进困难立地地形测量技术，是需要进一步思考的问题。

7 参考文献

［1］杨俊.RTK结合全站仪的矿山地形测量技术研究［J］.科技资讯，2010(25):37

［2］徐柏松.免棱镜全站仪用于困难地区地形测量［J］.地理空间信息，2009(6):33－35

［3］任恒星.IS影像三维扫描全站仪在矿山开采土石方测量中的应用［J］.地矿测绘，2010(3):45－47

［4］王妍，曹慧楠，韩晓冰.拓普康IS201影像型3维扫描全站仪在矿山开采中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2011(4):182－183

［5］余兵.浅析免棱镜全站仪测距精度分析［J］.才智，2009(24):56

［6］范玖国，姜元军，王全全.无棱镜测量在测绘3维数字地形图中的应用［J］.测绘标准化，2009(1):41－43

［7］王黎.浅谈ArcGIS在制图综合中的运用［J］.测绘，2010(5):232－233

［8］卢立，张福利.基于ArcGIS地形图的制作与实现［J］.城市勘测，2010(6):57－60

［9］顾明明，黑文艳.基于ArcGIS数字高程模型建立研究［J］.山西建筑，2010(29):353－354

［10］王永信.基于ArcGIS 9.0的DEM的生成及坡度分析［J］.气象与环境科学，2007(2):48－51

［11］田洪阵，刘沁萍.基于ArcGIS的数字化成图研究［J］.许昌学院学报，2005(5):101－104

Application of topcon imaging total station in topographic survey of abandoned quarry

Gao Jun1，Liang Chao1，Peng Xianfeng1，Xu Zongwen1，Zhao Tingning1，Yan Jibin2
(1.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.Beijing Chuansa Science and Technology Development Co.Ltd.，100041，Beijing:China)

In recent years，the ecological problem of abandoned quarry is increasingly noticed by national government.Ecological restoration of abandoned quarry has been an important zone of urban ecological construction in China.The regional topographic survey is the basis of ecological restoration.Imaging total station measurement as a new topographic survey technique developed in recent years has been widely used in the topographic survey of abandoned quarry.Based on the introduction of measurement principle of imaging total station made in Topcon Corporation in Japan，the entire process of topographic survey and post－mapping was practiced in an instance.Practice has proved that the imaging total station measurement technology have advantages with simple operation，high speed，and high precision.In particular，the non－prism measurement without a prism light reflection greatly improved the efficiency of the topographic survey，and protect the safety of the surveyors at the same time.This method can be applied to topographic survey in tough area where the conventional measurement is difficult to achieve.

imaging total station;measurement;quarry;topographic map

2012－01－19

2012－05－27

林业公益性行业科研专项“建设工程损毁林地植被修复关键技术研究与示范”(200904030)

高俊(1987—)，男，硕士研究生。主要研究方向:工程绿化技术、水土保持。E－mail:gj701715@163.com

†责任作者简介:赵廷宁(1962—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向:工程绿化技术、水土保持。E－mail:zhtning@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)