Topcon影像全站儀在廢棄采石場地形測量中的應(yīng)用

高俊，梁超，彭賢鋒，許宗文，趙廷寧?，閆繼斌

(1.北京林業(yè)大學(xué)，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;2.北京川卅科技發(fā)展有限公司，100041，北京)

Topcon影像全站儀在廢棄采石場地形測量中的應(yīng)用

高俊1，梁超1，彭賢鋒1，許宗文1，趙廷寧1?，閆繼斌2

(1.北京林業(yè)大學(xué)，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;2.北京川卅科技發(fā)展有限公司，100041，北京)

近年來，廢棄礦山生態(tài)環(huán)境問題越來越受到國家的重視，廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)逐漸發(fā)展為我國城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要內(nèi)容之一，而區(qū)域地形測量則是生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)。影像全站儀測量技術(shù)作為近年來發(fā)展的一種新興地形測量技術(shù)，在廢棄采石場地形測量中應(yīng)用較為廣泛。在介紹日本Topcon Corporation公司生產(chǎn)的影像全站儀測量技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，以實例實現(xiàn)地形測量及后期成圖的全過程。實踐證明，影像全站儀測量技術(shù)具有操作簡單、測量速度快、精度高等優(yōu)點，特別是影像全站儀測量過程中不需要用棱鏡進行光線反射，極大地提高了地形測量的效率，同時對測量人員的安全性也有保障，適用于常規(guī)測量難以實現(xiàn)的困難立地地形測量。

影像全站儀;測量;采石場;地形圖

隨著我國生態(tài)環(huán)境事業(yè)的發(fā)展，廢棄采石場生態(tài)修復(fù)成為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要領(lǐng)域。在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的規(guī)劃設(shè)計工作中，測繪礦區(qū)1∶500的大比例尺地形圖，是對礦區(qū)進行立地類型劃分并制訂分區(qū)治理規(guī)劃的基礎(chǔ)。在影像全站儀測量技術(shù)出現(xiàn)以前，礦區(qū)地形測量通常采用經(jīng)緯儀視距法、GPS RTK法［1］或有棱鏡全站儀法，這些方法均需工作人員在待測的地形點上跑點，同時對一些無法到達的危險區(qū)域，如開采深坑、陡立坡面、毒害物質(zhì)區(qū)域等關(guān)鍵部位，均無法進行有效測量［2－3］。近年來，隨著影像全站儀測量技術(shù)的發(fā)展，地形測量的全面性、準確性有了較大提高，彌補了傳統(tǒng)地形測量技術(shù)的不足。影像全站儀測量技術(shù)只需設(shè)置相關(guān)掃描參數(shù)，無需測量人員跑點，即可對研究區(qū)域完成測量工作，工作量小，安全性高，極大地提高了測量效率;但由于其使用成本較高，目前國內(nèi)擁有影像全站儀數(shù)量較少，未能在廢棄采石場生態(tài)治理中廣泛推廣應(yīng)用。鑒于該測量技術(shù)在廢棄采石場地形測量和治理規(guī)劃設(shè)計中的技術(shù)優(yōu)勢，通過介紹筆者在2年內(nèi)使用日本Topcon Corpration公司生產(chǎn)的Topcon影像全站儀對多個廢棄采石場進行地形測量實踐的經(jīng)驗，針對影像全站儀測量技術(shù)在儀器安裝、TopSURV測量軟件使用等方面所遇到的關(guān)鍵問題，總結(jié)影像全站儀測量技術(shù)在地形測量中的關(guān)鍵技術(shù)和操作方法，以期為項目后期的數(shù)據(jù)分析以及水土流失治理措施的設(shè)計提供技術(shù)支持，同時為影像全站儀測量技術(shù)的進一步完善和推廣提供理論依據(jù)。

1 影像全站儀測量技術(shù)

1)影像全站儀測量原理。影像全站儀測量技術(shù)是利用發(fā)出的窄小激光束打到待測目標表面，再依靠目標表面反射激光，并由影像全站儀獲取的測量方法。該測量方法只需要待測目標在影像全站儀的量程內(nèi)，并符合影像全站儀測量對反射介質(zhì)的要求，不需在待測目標上放置反射棱鏡就可精確地測得該目標的三維坐標［3－4］。

2)影像全站儀功能特點。影像全站儀內(nèi)置有廣角鏡頭和長焦鏡頭2個數(shù)碼鏡頭，可以通過相機拍攝直接將測量現(xiàn)場的照片顯示在影像全站儀屏幕上，以此可以直接在照片上設(shè)定所需的掃描邊界;掃描方式多樣化，適應(yīng)于多種場景的目標數(shù)據(jù)獲取，可為后期成圖計算提供豐富的有效數(shù)據(jù);可達1 200～2 000 m 有效測距［5］。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

影像全站儀測量過程通常需要3名測量人員配合進行，其中2人負責(zé)全站儀的安裝及調(diào)試，另1人負責(zé)轉(zhuǎn)站時棱鏡立桿。免棱鏡測量設(shè)備包括拓普康IS201影像全站儀、腳架、棱鏡、棱鏡桿、GPS、卷尺等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

圖1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程Fig．1 Process of field data acquisition

2.1 布設(shè)控制網(wǎng)

在實施測量工作前，需要對采石場進行探察選點，選擇干擾較小、通透性較好、利于腳架儀器的點為控制點，布設(shè)范圍務(wù)必要覆蓋整個采石場。為方便控制點短期保留以便后續(xù)測量工作順利進行，建議在控制點位置打入長釘，并用紅漆做好記號。

2.2 儀器安裝

將全站儀腳架立于控制點上方，通過目視對中調(diào)平，為防止在測量過程中因全站儀轉(zhuǎn)動導(dǎo)致腳架發(fā)生偏移，要特別注意將腳架尖端部分踩入泥土或石縫中以固定腳架。建議基座固定在腳架上之前將全站儀腳螺旋全調(diào)至松開狀態(tài)，以方便后期微調(diào)平。通過光學(xué)對中器將全站儀對中至打好的控制點長釘上，通過控制腳架上的螺旋調(diào)節(jié)腳架升降，將全站儀圓氣泡調(diào)平，再次對中，并通過調(diào)平全站儀長氣泡不同方向，確認對中調(diào)平，完成安裝。

2.3 坐標系引測

地形測量時應(yīng)根據(jù)最近的大地坐標原點采用GPS靜態(tài)測量或GPS RTK技術(shù)引測水平面的坐標，標高則以平均海平面為依據(jù)選取。實際地形測量過程中，根據(jù)大地坐標原點引測坐標，通常是先定一個臨時原點，其他點的坐標則相對此原點的坐標測量獲得。筆者應(yīng)用影像全站儀測量采石場時，先選用GPS測量第1個控制點的經(jīng)緯度和高程，再用Arcgis軟件投影“Beijing－1954坐標系”生成該控制點的大地坐標，以此坐標引測其他點的相對坐標。

2.4 設(shè)置后視

有測站點和后視點才能確定方位，有測站點坐標和后視點坐標2個數(shù)據(jù)才能解算數(shù)方位角，利用全站儀測角和測距功能方可推算未知點的坐標，因此，必須先設(shè)置后視。有研究結(jié)果表明，影像全站儀測量精度能夠滿足基線測量的規(guī)定［2，6］，在常規(guī)地形測量中，可選用全站儀進行控制點觀測及后視。應(yīng)用角度后視的方法測出后視點的坐標后，為確保測量精度，務(wù)必要進行后視檢查，誤差小于0.01則說明測量精度在允許的誤差范圍內(nèi)，此時才能繼續(xù)進行下一步測量工作。

2.5 區(qū)域掃描

影像全站儀配套的軟件提供了多種區(qū)域掃描方法和掃描參數(shù)，根據(jù)測區(qū)特點選擇合適的掃描方法和參數(shù)，務(wù)必通過粗瞄器對準待測區(qū)域，測出儀器與待測區(qū)域的距離，以減小測量誤差。所有選項設(shè)置好后，即可進行自動掃描，掃描結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行輸出保存。

本站可視區(qū)域掃描完成后，需通過轉(zhuǎn)站完成下一待測區(qū)域掃描測量。將棱鏡立于下一個控制點，觀測棱鏡測出控制點坐標，得出控制點坐標后務(wù)必要點擊控制板上的Enter鍵，才可將控制點的坐標存入儀器中。將儀器移至該控制點上，重復(fù)以上操作步驟，對下一塊區(qū)域進行測量，相連的2塊測量區(qū)域應(yīng)有重合線。

3 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)測量工作結(jié)束后則可進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用 Arcgis［7－8］完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理工作，具體操作步驟如圖2所示。

圖2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程Fig．2 Process of indoor data processing

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

通過數(shù)據(jù)線將影像全站儀測量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，并保存為逗號分隔符“csv”格式，并將經(jīng)度值設(shè)為X坐標，緯度值設(shè)為Y坐標，高程值設(shè)為Z坐標。打開 Arcgis軟件，選擇“Beijing_1954_GK_Zone_17N”投影坐標系，導(dǎo)入所測采石場的所有測點數(shù)據(jù)文件。采石場點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

包子店門前是開闊的廣場，除了花圃和車位，還有很多空地，后來成了家長接送孩子滯留的地方。每當上學(xué)放學(xué)的時候，這里人頭攢動，談笑風(fēng)生，滿眼都是接送孩子的家長，爺爺奶奶居多。在這里開包子店，應(yīng)該是最佳選擇。

3.2 生成三維數(shù)據(jù)

圖3 采石場點云數(shù)據(jù)Fig．3 Point data of the quarry

在廢棄采石場地形應(yīng)用中，三維數(shù)據(jù)越來越受到重視，TIN是重要的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建和展示模型。TIN是按地形特征采集的點，根據(jù)一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的許多三角形構(gòu)成的一個不規(guī)則三角網(wǎng)。TIN能較好地顧及地貌等特征點、線，逼真地表達復(fù)雜地形起伏特征，克服地形起伏變化不大的地區(qū)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)的問題［9］。

通過ArcGIS的3D Analyst工具創(chuàng)建TIN圖，利用不規(guī)則點自動構(gòu)建不規(guī)則三角片網(wǎng)，并根據(jù)不同高程顯示不同顏色。創(chuàng)建的采石場的TIN圖見圖4。

圖4 創(chuàng)建的采石場的TIN圖Fig．4 Create TIN of quarry

3.3 TIN圖轉(zhuǎn)柵格圖

柵格結(jié)構(gòu)是最簡單最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物的非幾何屬性特征，所在的位置則根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標［10］。通過ArcGIS的3D Analyst工具中的“轉(zhuǎn)換”工具由TIN圖轉(zhuǎn)換成柵格圖，結(jié)果見圖5。

圖5 由TIN圖轉(zhuǎn)換后的柵格圖Fig．5 Raster converted from TIN

3.4 生成等高線圖

根據(jù)柵格圖進行空間分析，通過ArcGIS的Spatial Analyst工具中的“表面分析”工具生成等高線圖［11］，見圖 6。

圖6 由柵格圖生成的等高線圖Fig．6 Contour graph created from raster

因測量過程中難免會產(chǎn)生誤差點，需進一步對等高線圖進行誤差點修改，然后對等高線圖進行方向確認，最后標注高程。

3.5 面積查詢及坡向坡度分級

工程設(shè)計中涉及到項目區(qū)劃分和工程措施、植物措施布局，需要測區(qū)水平面積、實際面積及坡度分級等參數(shù)，在ArcGIS中，可以通過表面分析工具進行測區(qū)水平面積和表面積查詢，在TIN屬性設(shè)置里可以選取測區(qū)坡向和坡度分級，采石場分級結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 面積查詢Fig．7 Area query

圖8 坡向指示Fig．8 Slope direction

圖9 坡度分級Fig．9 Slope classification

根據(jù)廢棄采石場生態(tài)治理要求，通過ArcGIS制圖可查詢分析得到測區(qū)的水平面積、表面積、坡度、坡向、相對高差、坡面斷面圖等采石場生態(tài)治理規(guī)劃設(shè)計所必需的多項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可為完成采石場生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃設(shè)計提供可靠、詳實的數(shù)據(jù)支撐。

4 影像全站儀的優(yōu)勢、適用條件和測量過程中的注意事項

2)適用條件。影像全站儀適用于通視條件較好，無大面積遮擋物的區(qū)域地形測量;適用于地面裸露，反射介質(zhì)穩(wěn)定的區(qū)域地形測量。

3)注意事項。影像全站儀在掃描過程中耗電量較大，在進行區(qū)域地形掃描測量時，應(yīng)準備充足的備用電源，在有外接電源的環(huán)境下配置外接電源。影像全站儀測量是通過發(fā)射激光束并獲取反射激光束來實現(xiàn)的，在測量過程中，盡量少用眼睛通過目鏡觀測目標，以防受傷。在運輸過程中，影像全站儀受到顛簸易產(chǎn)生測量誤差，儀器使用一段時間后，應(yīng)對其進行誤差校正。

5 使用影像全站儀測量實例

使用Topcon影像全站儀，分別于2010年12月測量了北京市延慶縣占地面積為3 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖，2011年3月測量了北京市延慶縣占地面積為8 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖，2011年6月測量了房山區(qū)周口店占地面積134 hm2正在開采的采石場比例尺為1∶500的地形圖，2012年3月測量了河北省承德市承德縣15 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖。所有采石場測量結(jié)果可靠穩(wěn)定，測繪的地形圖均能滿足礦山生態(tài)治理設(shè)計需求。僅在使用該影像全站儀于2011年11月對四川省北川縣地震誘發(fā)滑坡災(zāi)害的地形測量過程中，不僅掃描區(qū)域出現(xiàn)大量盲點，后期的地形圖繪制也出現(xiàn)了較多斷線。主要原因是北川縣雨水較多，經(jīng)過地震后3年的自然恢復(fù)，坡體上植被恢復(fù)較好，影像全站儀掃描有植被的區(qū)域時，部分激光的反射光線因植被枝葉晃動影響而未能被全站儀成功接收，部分成功接收的反射光線為植被枝葉的三維坐標。根據(jù)地形圖和實際掃描區(qū)域比照，證實了出現(xiàn)盲點和斷線的區(qū)域均是有植被生長的區(qū)域。

6 結(jié)束語

影像全站儀在困難立地地形測量中有廣泛的應(yīng)用，但其對測量環(huán)境要求較高，在測量區(qū)域存在植被或其他障礙物的情況下，測量結(jié)果會受到很大的影響;另外，掃描測量得出的數(shù)據(jù)量很大，雖然能較好地反映測量區(qū)域的微地形，但也為后期數(shù)據(jù)處理造成了很大的困擾。如何改進困難立地地形測量技術(shù)，是需要進一步思考的問題。

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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

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“建設(shè)工程損毀林地植被修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(200904030)

高俊(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向:工程綠化技術(shù)、水土保持。E－mail:gj701715@163.com

?責(zé)任作者簡介:趙廷寧(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向:工程綠化技術(shù)、水土保持。E－mail:zhtning@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯:宋如華)