基于GPS RTK技术在CASS中自动生成等高线的方法

董北平，张之孔

（1．68029 部队,甘肃 兰州 730020）

基于GPS RTK技术在CASS中自动生成等高线的方法

董北平1，张之孔1

（1．68029 部队,甘肃 兰州 730020）

着重讨论了利用GPS RTK技术快速准确采集离散点，并在CASS中自动生成等高线的方法。实践表明，该方法能够明显加快成图速度与提高等高线成图的精度。

实时动态差分定位；离散点；等高线；成图

在面积较小、不适合采用航空摄影测量方式成图的测区，非常需要寻找一种高效可靠的方法来自动生成等高线，测制高精度的地形图。本文结合酒泉千万千瓦级风电场二期测绘任务，着重讨论了如何利用GPS RTK技术快速采集一定数量的离散点，在CASS软件下自动生成等高线的方法。

1 利用GPS RTK技术采集离散点

1.1 GPS RTK技术

RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，是实时处理2个测站载波相位观测量的差分方法[1]。它将一台GPS接收机安装在已知点上对GPS卫星进行观测，再将根据该点准确坐标求出的其到卫星的距离改正信息和采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上，然后通过基准站电台发射出去。流动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，通过电台接收由基准站发射的信号，流动站将接收到的定位信息进行改正处理来修正其定位结果，即可求出未知点的定位坐标，精度可达到cm级。

1.2 离散点采集

GPS RTK技术已相当成熟，但其易受距离和地形的限制，超过10 km时，流动站固定解就不稳定。因此采用1台中继站和12台流动站协同作业，既减少了基准站的搬站次数，又克服了RTK技术由于距离过远导致信号太弱无法作业的缺点。在野外采集高程点过程中很容易出现“重采”、“漏采”等问题，影响作业进度和成果精度。为了避免这种情况，确定了“等距离格网法”的采集方法。从测区一侧的范围线开始，利用数据采集软件的线放样功能每隔50 m设置一条线平行向前推进，对平行线左右50 m范围内进行高程点和部分特征点采集，保证了不“重采”和“漏采”，如图1所示。

图1 基于RTK技术的等距离网格法采集高程点

1.3 地形要素完整采集

在利用GPS RTK技术采集离散点时，一定要保证地物、地形信息的完整性[2]。对于独立的山包、凹地，采集时要保证地形的完整性，必须在该类地形周围和中心最高点或最低点采集高程点，如图2、图3所示。若是连续山包，可适当省去采集对整体地形信息完整描述影响不大的点位，但关键点必须采集，如山包之间的鞍部，如图4所示。对于面积较大的山地或丘陵地形，为保证能正确描述地形的走势，采集高程点时应着重采集地性线关键点，如图5所示。

图2 独立山包高程点采集

图3 凹地高程点采集

图4 连续山包高程点采集

图5 山地、丘陵地高程点采集

2 由离散点自动生成等高线

等高线是等值线的一种，离散点生成等高线其实就是生成等值线[3]，自动绘制等值线的方法从技术方向上可分为2大类：曲线拟合和插值。曲线拟合总体上效果不如插值算法。插值算法中首先生成Delaunay三角形，即不规则三角网。随后需要在三角形的边上插补等值点，将内插的等值点顺序追踪排列，绘出等值线。在CASS环境下自动绘制等高线的流程如图6所示。

图6 在CASS中生成等高线流程图

1）建立数字地面模型（构建三角网）。数字地面模型（DTM）是由外业采集的一系列离散点生成的地表状态模型，它的建立影响整个成图过程的正确性和精度[4]。DTM的建立也是等高线自动生成的前提，在CASS软件里，先定下显示区，然后选择“建立DTM”，再按照测区地形情况对是否考虑坎高、是否选择地形线进行选择，最后生成三角网[5]。

2）修改数字地面模型（修改三角网）。很多情况下，由于特殊地形地物的影响，以及现实地貌的多样性和复杂性，导致自动构成的数字地面模型与实际地貌不太一致，使得外业采集的离散点很难一次性生成准确的等高线，需要通过修改三角网来修改这些局部不合理的地方[6]，主要包括删除三角形、过滤三角形、增加三角形和删除三角形顶点等。

3）自动生成等高线。等高线的绘制可以在平面图的基础上叠加，也可以在“新建图形”状态下绘制。如果在“新建图形”状态下绘制等高线，系统会提示输入比例尺，在生成等高线的过程中，应根据成图比例尺按照相应图式规范和技术要求输入等高距。等高线拟合的方式有3种：不光滑、张力样条拟合和3次B样条拟合[7]。若选“不光滑”，绘制出来的等高线是折线，是基于三角网得到的最原始的地形分析；若选“张力样条拟合”，就是在“不光滑”的基础上把折线进行张力样条拟合，此时的等高线最贴近于实际地形，比折线要美观；若选“3次B样条拟合”，是最优化的等高线生成方式，其生成的等高线最光滑，外观最好，即便会有少许失真，但不影响精度。

4）等高线编辑、修改。主要包括注记等高线、切除穿过建筑物、陡坎、围墙以及指定区域内的等高线。同时，要进行等值线滤波操作，很大程度上是给绘制好的等高线图形“减肥”，精简样条拟合曲线的多余锚点，还原等高线本来的特征。

3 实验及结果分析

在酒泉某千万千瓦级风电场二期测绘任务中，利用该方法生成了玉门、桥湾、瓜州等区域总面积约140 km2的1︰2 000地形图，其中桥湾区域第一期任务中有部分区域已采用航空摄影测量方法测制了1︰2 000地形图。为了验证该方法精度，将两者作对比，如图7、图8所示。

图7 航空摄影测量方法测制等高线

图8 离散点自动生成等高线

从实验结果来看，利用CASS软件自动生成等高线具有较好的精度和可靠性，但仍有部分区域与实地地形有一定偏差，主要是由关键点位高程漏采、采集不均匀等原因造成的。此外还有RTK的飞点现象：一般情况下，流动站锁定卫星在5颗以上时，在5～10 s内可获得固定解，此时流动站的收敛值真实反映了天线中心测量的内符合精度，可靠性较高；若RTK收敛60 s以上才得到固定解，收敛值有可能存在伪值，测量误差可达到1 m，甚至2～3 m，这些就是飞点。

解决这些问题有效的办法是：1）用于生成等高线的点位要均匀分布在测区，最好根据测区形状按照横向和纵向交叉形成格网，等距离采集点位高程。具体来说，可利用线放样功能每隔30～50 m采集一个高程点，这样可有效避免漏测和重复测量。当然，最好要根据地形条件进行距离的调整。遇到小山包、凹地等地形，应完整采集该地形特征点，保证地物信息的完整性。

2）在建立DTM的过程中，一定要考虑地性线是否准确。如果不能正确连接地性线，就会出现三角网中三角形边悬空和切割地表的现象，导致错误的等高线走向。解决办法是在野外采集数据时就绘制地性线草图，内业编辑时将地性线结构绘出，建立正确的地性线结构，并将其作为DTM生成的强制约束条件。在DTM生成后，对其进行检查编辑，尤其要注意查找高程有错误的点，删除这些点和三角网外围较长的边和较小的角，这样内插后的等高线就不会穿过修改前有错误的三角形，建立正确可靠的三角网。

3）在等高线生成阶段需要注意的是：在地形变化不大时，应选择自动生成等高线，比较实用，效果也很好。当地形变化较大时，如果利用自动生成等高线，等高线走向、形状就会与实际地形差别较大，自动拟合生成的等高线有很多节点，修改时会非常麻烦，因此在绘制这种地形下的等高线时不要直接使用绘制等高线工具，而是使用复合线工具来绘制等高线，因为复合线非常容易拉动和修改，最后把修改后的复合线加注等高线属性即可。

[1] 沈铭,王伟．GPS RTK技术的误差分析及质量控制[J]．资源环境与工程,2007,10(5):603-605

[2] 谢晓然,王子洋,姜慧．选取离散点绘制自动站数据等值线方法[J]．林业勘查设计,2010(3):46-47

[3] 吕建升,须鼎兴．基于离散点绘制等高线算法的研究[J]．现代测绘,2006,9(5):5-7

[4] 刘锦中,马辉．基于等高线的DEM生成算法研究和实现[J]．现代测绘,2004,77(3):34- 35

[5] 代莉,陈春华,聂焱．在AutoCAD环境下不规则三角网构建及等高线生成[J]．地理空间信息,2011,9(2) :40-42

[6] 魏春生,高明凯,王建波．大比例尺地形图等高线的自动绘制[J]．勘察科学技术,2005(4):25-27

[7] 王建雄．CAD 环境下基于不规则三角网的DEM算法及实现[J]．云南农业大学学报,2005,20(4):573-576

P231.5

B

1672-4623（2014）01-0108-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.037

董北平，高级工程师，主要从事卫星导航定位和摄影测量工作。

2013-11-28。