GPS RTK技术和地形图数字化相结合在矿山监测中的应用

2013-11-23王福增张建巍

张家口职业技术学院学报 2013年3期

王福增，张建巍

(河北地质职工大学，河北石家庄050081)

0 引言

GPS RTK技术以其高精度、高效率、易操作等优点被广泛应用于各种地形测量、施工放样等方面。在地形复杂，通视情况较差，测区面积较小的测区，RTK可以替代传统的导线网，大大缩短作业时间。地形图数字化技术通常应用于城市规划、地籍调查和GIS建库等工作中。在这里需要将现有的纸质线划地图进行数字化，使其成为计算机能够识别和处理的数字地形图。现在，扫描数字化地形图已经成为地形图数字化的主要方式。

在石家庄市某县的矿山监测工作中，由于工期紧、任务量大和经费紧张等原因，采用了RTK技术和地形图数字化相结合的方法进行作业。两种技术的结合应用，有效提高了工作效率，节约了成本，效果理想。本次作业中各矿范围不大、地势为丘陵地带，通视情况不好，各个矿点范围都不是太大。但在测区内每个矿上都布设了一个E级GPS点。GPS静态网设计依据规范GB/T18314－2001《全球定位系统GPS测量规范》完成，利用徕卡公司的VIVA GS15 GNSS接收机进行施测，并用徕卡后处理软件LGO进行基线结算和平差，精度良好。

1 矿山监测工程流程图

RTK配合地形图扫描数字化作业的基本流程见图。

矿山监测工程基本流程示意图

2 地形图扫描数字化

2.1 原图质量检查

纸质图受温度和湿度的影响产生的变形会直接影响图像的几何纠正，而聚酯薄膜的二底图与纸质图相比，材料原因产生的误差较小，所以最好用聚酯薄膜作为扫描底图。根据国标 GB/T17106 －1997《1∶500，1∶1000，1∶2000地形图数字化规范》的部分规定，所选用的扫描底图应满足以下规定:

a)工作底图一般应为聚酯薄膜图，并且其变形应≤0.02%;

b)图框点位误差≤0.15mm，图框边长误差≤0.2mm，图框对角线误差≤0.3mm，公里网点间距离≤0.2mm;

c)工作底图上的地物、地貌、水系、植被等图形要素应表示清楚、正确。

在本工程中以其中一张1:2000的标准分幅聚酯薄膜图说明原图质量检查精度，结果如表1所示。

表1 原图质量检查(mm)

由上表可见在本工程中所选用的原图符合要求。

2.2 扫描仪分辨率的选择

地形图扫描数字化时使用的扫描仪大部分为以CCD或PMT为核心的扫描仪，提高扫描仪的分辨率无疑会提高图像的质量，但相应的扫描图的数据量也会随之成倍地增长，会造成计算机处理时间延长。因此我们在地形图扫描时，对于图面负载量较小的采用分辨率300DPI即可满足要求，对于地形图中地形、地物较复杂或等高线较密的高山地区扫描分辨率不小于500DPI即可满足要求。在本工程中扫描精度选用400DPI，对原图和扫描后的图框边长进行比较，结果见表2。

表2 原图与扫描图比较(mm)

由以上比较结果可以看出，扫描变形是影响数字化精度的主要因素，必须对图像进行几何纠正。

2.3 图像的几何纠正

扫描后的图像会在不同程度上产生旋转、平移、缩放等变形，在地形图矢量化前必须进行几何纠正。几何纠正是保证地形图矢量化精度的关键，本工程中使用南方公司的CASS 6.0软件进行图纸定向和几何纠正。以1:2000地形图的扫描数字化为例，定向误差对成果精度的影响最大值不超过0.15mm，当采用4点定向时，定向精度不应超过图上0.10mm;采用9点定向时，定向精度不应超过图上0.15mm。

2.4 作业内容检查

地形图矢量化完成后要对每个作业内容按照设计要求进行检查，主要包括七个方面的内容:①文件及各种控制信息是否完整、正确;②图幅定位误差是否在限差规定范围之内;③图内各要素的采集是否有错漏;④图内各要素代码及附属信息是否完整、正确;⑤采集点的误差是否符合限差规定;⑥分层是否正确;⑦拓扑关系是否正确。

2.5 矢量化精度分析

在本工程中使用南方公司的CASS 6.0软件对扫描图进行定向和数字化作业，作业完成后进行了精度检查，检查采用如下方法:在原图和数字化图上量取和捕捉相同点的坐标计算点位中误差(其中包括图框点、控制点和网格点)。下面以其中一幅图为例说明检查情况(详见表3)。

表3 坐标比较区间分布

平面位置精度中误差计算公式如下:

对采集的550个点的点位平均中误差按上式进行计算，结果为MS=0.17mm。可以看出，在本工程中严格按照规范要求进行操作可以保证地形图数字化的精度。

3 所用仪器简介

本次测量使用4台徕卡公司的VIVA GS15 GNSS接收机。徕卡VIVA GS15 GNSS接收机是全球首款第三代GNSS接收机，支持北斗卫星系统，采用模块化设计可自行更换通讯模块，主机内置电台天线和手机天线，是业内首创，即使不外接天线也能使用，具有两个电池仓支持电池的热插拔，使得仪器能使用更长时间;这款仪器采用全新、高效的测量软件，没有太多的专业术语，引导式菜单及图形描述加文字说明，操有多款针对中国用户的本地化测量解决方案，作业更加便捷、效率更高;控制手簿带有自动对焦数码相机，可野外进行点之记等拍摄，拍摄图片能和测量点进行关联。同时，徕卡VIVA GS15 GNSS接收机具有行业最高的置信度(优于99.99%)，使得测量结果可靠性有保障，RTK精度为:

①RTK水平精度:10mm+1 ppm(rms);

②RTK垂直精度:20mm+1 ppm(rms);

③初始化时间:典型8s。