全站儀與GPS技術(shù)在數(shù)字化地形圖中的應(yīng)用

□孫 斌 □王 飛 □馬程帥（河南水利建筑工程有限公司）

一、全站儀

全站儀是一種能夠直接測定地面點三維坐標(biāo)并自動存儲三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的儀器。用全站儀進行測量比以前各種傳統(tǒng)方法均有較大優(yōu)勢，并且在地形圖測繪中也得到廣泛應(yīng)用。優(yōu)點有：一是操作相對簡單，可直接獲取地面點三維坐標(biāo)；二是外業(yè)人員配備少，一般3人左右即可，工作效率高；三是能夠配合CASS等專業(yè)的地形圖測繪軟件直接傳輸坐標(biāo)成圖，極大地提高碎部測量工作效率高；四是全站儀和平差易等專業(yè)的控制測量軟件配合使用可以提高控制測量的工作效率；五是配合CASS等測繪的軟件，在測站點、后視點的輸入有誤可以進行及時的調(diào)整，其糾錯能力好。其最大的缺點就是要求通視良好，受天氣、地形和人為因素影響大。

（一）全站儀數(shù)字化測圖

全站儀數(shù)字化測圖的工作過程主要有:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形編輯、圖形的檢查與校核、圖形輸出。外業(yè)采集一般有2種工作方式:

1.用全站儀采集數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)存入全站儀內(nèi)存中同時畫草圖記錄測定實物大致位置等信息,然后再將測量的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)傳入計算機用CASS或者CAD等軟件繪成圖形。

2.直接將全站儀與測圖精靈等專業(yè)測繪軟件連接在一起,實現(xiàn)坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)實時傳輸,現(xiàn)場加入地理屬性和連接關(guān)系后直接成圖。

（二）全站儀測圖方式

1.控制測量。在碎部測量之前,應(yīng)先進行平面和高程控制測量。通常與本測設(shè)區(qū)域內(nèi)更高一級的控制點進行聯(lián)測,即使用測區(qū)范圍內(nèi)的國家三角點或各等級的GPS點。若在測設(shè)區(qū)域內(nèi)沒有可利用的已知控制點,則可建立測區(qū)獨立的平面直角坐標(biāo)系,起始方位角可考慮以地球軸子午線方向為0°。根據(jù)測量區(qū)域的大小、高級控制點的位置、測量區(qū)域地形、地貌因素的影響可選擇附合導(dǎo)線控制網(wǎng)、閉合導(dǎo)線控制網(wǎng)等，測量并記錄角度、距離等要素；由于測量豎直角時盤左與盤右的相差較大，在用全站儀做平面控制測量的同時，用全站儀三角高程控制測量做高程控制測量時注意盤左與盤右的計算后其精度符合要求才可進行下一步的測量，并配合平差易等專業(yè)的控制測量軟件進行測算可大大提高測量速度。

2.數(shù)據(jù)采集。首先在地形圖測繪的區(qū)域內(nèi)選擇一個儀器測站點、后視點,該站點應(yīng)盡量設(shè)置在控制測量的站點上，如不能設(shè)在控制測量的站點上，可設(shè)置支導(dǎo)線，設(shè)定站點后要及時做好記錄、并在原地明顯標(biāo)示、做好保護措施。野外數(shù)據(jù)采集的工程中應(yīng)根據(jù)地形、地物、地貌各自的特點進行測量,如測量形狀相對規(guī)則房屋時只需要采集3個點,測量單獨地物時如路燈就只需采集1個點,在野外數(shù)據(jù)的采集過程中可以設(shè)置固定的棱鏡高，然后就可以直接測量出三維的坐標(biāo)點，非常適合等高線的測量、繪制。

野外數(shù)據(jù)采集時注意以下幾個方面:

（1）為提高測量速度,可同時采用多個棱鏡測量,各棱鏡的高度應(yīng)盡量保持一致,當(dāng)某一測點需調(diào)整棱鏡高時,要重新修正該點的棱鏡高。一旦出錯,可重新調(diào)整棱鏡高，采用同一點號覆蓋原來的測點或者記錄在案并在數(shù)據(jù)傳輸后在計算機上面及時修改。

（2）測量時需配備對講機,儀器操作人員要及時與草圖記錄或采點人員溝通,校對儀器記錄的點號是否與草圖上記錄的點號、地物屬性、相對位置及是否用偏心測量或者懸高測量等具體的信息進行交流，使其保持一致。

（3）每建一儀器站時應(yīng)準(zhǔn)確記錄該站的點號、后視的點號,一旦出錯可利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)進行糾偏調(diào)整或者用CASS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)進行調(diào)整。

（4）測量時可對特定手勢進行定義，通過特定手勢運用可以提高測量的速度。

3.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的方法。地形圖是跟測點坐標(biāo)同草圖圖示的結(jié)合繪制而成的，按照測圖要求繪制地形圖,全站儀測圖的實施是由專門的測圖軟件來完成的,如CASS軟件，它是南方測繪儀器公司開發(fā)軟件，CASS7.1版本是市場上最為常用的版本,這種基于AutoCAD平臺技術(shù)的數(shù)字化測繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在地籍成圖、地形成圖、工程測量三個領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的普及應(yīng)用,通過CASS成圖軟件中的作業(yè)方式是的“電子平板”,這種作業(yè)方式可以同各種全站儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口,野外數(shù)據(jù)采集可以自動輸入并記錄,野外采集的數(shù)據(jù)，并且可以在野外繪制出地形圖,或?qū)⑷緝x坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS上實現(xiàn)內(nèi)業(yè)繪圖。繪制地形圖時可根據(jù)在野外采集數(shù)據(jù)時繪制的草圖,用符號連接相應(yīng)的點或繪制獨立符號,地形圖繪制完成后可以再根據(jù)實際地形情況繪制等高線進行適當(dāng)?shù)男扪a。

二、GPS測量技術(shù)

GPS技術(shù)于1964年1月研制成功，主要用于導(dǎo)航和定位。試驗證明，該系統(tǒng)不受天氣和時間的限制，只要能觀測到衛(wèi)星就可在地球上任何地方接收到衛(wèi)星信號，進行單點定位或雙點聯(lián)測定位，進而可算得測站在地球坐標(biāo)系中的三維地心坐標(biāo)或兩點間的三維坐標(biāo)差，因此該系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。

圖1

（一）GPS靜態(tài)測量技術(shù)

常規(guī)的測量方法逐漸被GPS靜態(tài)測量技術(shù)所取代，成為測定和建立各種類型和等級控制網(wǎng)的主要手段。GPS在布設(shè)和測定控制網(wǎng)方面有其明顯的優(yōu)勢：

1.選點靈活，無需通視，作業(yè)范圍大，降低了作業(yè)成本。

2.測量的精度高，常規(guī)的測量方法很難達到GPS的精度GPS基線向量可達到1/100000左右的相對精度。

3.不易受氣候的影響，一次觀測時間短。

4.觀測、處理自動化，系列化。

（二）GPS實時動態(tài)測量技術(shù)

圖2 RTK測量原理圖

實時動態(tài)（Real Time Kinematic，簡稱RTK）測量技術(shù)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術(shù)。不僅能達到厘米級的精度，而且測點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果可以實時的提供。在RTK作業(yè)模式下，其觀測值和測站坐標(biāo)信息可以由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈一起傳送給流動站，移動站可以隨時處在靜止?fàn)顟B(tài)或者是運動狀態(tài)。在測量時用RTK技術(shù)的優(yōu)點如下：

1.可以全天候作業(yè)，可以實現(xiàn)無通視條件的連續(xù)作業(yè)。

2.平面定位精度較高，平面精度可達到1cm+1ppm，高程精度可達到2cm+1ppm。

3.勞動強度降低，作業(yè)效率高；用1+1的作業(yè)模式可以輻射5～10km半徑的測區(qū)；用外接電臺可以輻射15km，CORS基站輻射范圍可以達到60～70km，這就可以極大地減少其他測量方法不可避免的由于不通視造成的儀器搬站，節(jié)省了外業(yè)費用。

4.操作方便，移動站與手簿可以分離作業(yè)，數(shù)據(jù)處理方便、快捷。數(shù)據(jù)傳輸、接受受干擾較大，山體、建筑物和大面積森林都會對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生一些干擾，這就要求電臺發(fā)射天線應(yīng)有一定的高度，應(yīng)設(shè)于基站輻射范圍內(nèi)開闊的高點上，點周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收。尤其在城市地形圖測量中房屋建筑密集區(qū)建筑物高度一般較高，GPS就受到了極大的限制，但對于城市開闊地區(qū)的道路、管線、管道適合應(yīng)用，尤其是郊區(qū)等比較空曠的地區(qū)有很大的應(yīng)用空間。

三、工程實例

以許昌學(xué)院數(shù)字化地形圖測設(shè)為例，地形起伏不大，建筑物高且多，測量的點較多，甚至包括偏心和懸高測量，只采用全站儀測量，通視不佳，多轉(zhuǎn)點必然造成誤差累積，精度難以保證，若只用GPS，在測量建筑物時精度達不到要求，于是采用GPS和全站儀聯(lián)合作業(yè)的方法。

全站儀采用賓得全站儀R325N，做控制測量即平面控制測量和高程控制測量，并通過平差易專業(yè)控制測量軟件進行控制測量內(nèi)業(yè)計算。

圖3 平面控制示意圖

圖4 RTK測量示意圖

GPS采用南方S86雙頻接收機的RTK平面精度為1cm+1ppm，RTK高程精度為2cm+1ppm，在本項目的部分測量地段RTK技術(shù)相當(dāng)方便，可用1+1（1臺固定站和1臺移動站）、1+2或者與CORS基站連接可以實現(xiàn)1+N連接，移動站在電臺信號覆蓋的范圍內(nèi)采集外業(yè)數(shù)據(jù)即可，在保證精度的前提下，可大大降低勞動強度、縮短測量時間，達到事半功倍的效果。但是在校內(nèi)建筑密集地段，單純使用GPS精度很難保證，而且難以實現(xiàn)像全站儀可以做的偏心測量和懸高測量，經(jīng)過統(tǒng)計調(diào)查，發(fā)現(xiàn)困難地段多為獨立柱要測中心，建筑物需要測高程時，再由全站儀跟進作業(yè)。使用全站儀完成具體測量工作。測量中只需要保證在做點校正時，所選擇的校正點網(wǎng)能覆蓋測區(qū)，從而使坐標(biāo)轉(zhuǎn)換最貼近測區(qū)地形，在特殊地區(qū)使用全站儀配合GPS作業(yè)是可行的，也是可以滿足技術(shù)要求的。這樣做既節(jié)約了工作時間，提高了作業(yè)效率，又確保了測量精度。

地形圖是房建、道路、橋梁、隧道等實際工程設(shè)計的基礎(chǔ)，采用現(xiàn)在傳統(tǒng)的測量方法存在許多弊端，例如測量數(shù)據(jù)多，易出錯，測量完畢不易校核和保存,采用數(shù)字化地形圖可有效解決這一問題。采用專業(yè)數(shù)字化地形圖測繪，經(jīng)過處理后，可以滿足工程建設(shè)規(guī)范的需求，數(shù)字化地形圖可以形成永久保存的電子檔案，勘測成果在圖上一目了然，可重復(fù)利用，并可不斷補充調(diào)整。目前我國數(shù)字化地形圖測繪的水平并不高，集成化、系統(tǒng)化的程度較低，與世界先進水平相比還有一定的差距，難以適應(yīng)工程建設(shè)要求。數(shù)字化地形圖測繪中原始數(shù)據(jù)的采集已開始采用GPS、全站儀等多種現(xiàn)代化高效的數(shù)據(jù)采集手段。

四、結(jié)束語

全站儀和GPS技術(shù)已成為現(xiàn)代測繪技術(shù)的重要組成部分，在數(shù)字化地形圖測繪中應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是用CORS基站輻射的半徑可以達到50km與全站儀測量相比確有非常明顯的優(yōu)勢，但自身也有缺陷和不足，全站儀與GPS的聯(lián)合應(yīng)用在實際工作中能夠揚長避短，相互補充，協(xié)同作業(yè)，在保證精度的前提下可以提高測量速度，減輕勞動強度，在未來的測繪中有很大的開發(fā)空間。

[1]祝建聰.全站儀和GPS在鐵路測量中的聯(lián)合應(yīng)用[J].鐵道勘察與設(shè)計，2009，(2)：1.

[2]王寶乙.GPS在路橋工程測量中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(8)：1.

[3]韓高樓.GPS定位技術(shù)的優(yōu)缺點[J].陜西建筑，2011，(176)：1-2.

[4]程潔.基于GPS的工程測量技術(shù)研究與應(yīng)用[J].安陽工學(xué)院學(xué)報，2005，(15)：1.

[5]王茜.數(shù)字化地形圖在公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用[J].科教文化，2011，(176)：1-2.