三維數(shù)字地形圖的測繪技術(shù)研究

湯廖文

（增城市國土資源和房屋管理局地籍測量隊，廣東 增城 511300）

1 背景

數(shù)字地形圖便于使用、儲存和繪制，但目前大部分?jǐn)?shù)字地形圖仍然是二維的，即所有的高程點和所有線上的特征點只反映其平面位置，而不反映其高程，地形圖中所有的點和線都是二維的。為了克服二維數(shù)字地形圖在空間表示和應(yīng)用方面的不足，三維數(shù)字地形圖應(yīng)運而生。在三維數(shù)字地形圖中，特征點和特征線都是三維的，這使得計算或查詢線狀地物上任意兩個特征點間空間折線段的長度；查詢?nèi)我馓卣鼽c的平面坐標(biāo)和高程即三維坐標(biāo)；繪制線狀地物上任意兩個特征點間的縱斷面圖；測量或查詢?nèi)我鈨蓚€特征點之間的傾斜距離、水平距離、高差、坡度、水平方位角和空間方位角變成可能。這些功能的實現(xiàn)對于線狀地物的工程規(guī)劃和設(shè)計如灌渠路線的規(guī)劃和設(shè)計、輸電線路的規(guī)劃和設(shè)計等等具有極高的利用價值。

2 三維數(shù)字地形圖的基本概念

2.1 三維數(shù)字地形圖的概念

三維數(shù)字地形圖用三維離散點表示地物和地貌的空間位置和立體形狀，它把地形和地物都看成三維空間對象，其也是線劃地形圖。也就是說，三維數(shù)字地形圖中所有表示地物和地貌的特征點和特征線都是三維的，其中X和Y用來表示地物或地貌在水平面上投影的位置；Z用來表示它的高程。

2.2 三維數(shù)字地形圖的特征

三維數(shù)字地形圖具有以下特征：①它不能是紙質(zhì)的，只能是數(shù)字或電子形式的。②它既能反映其上地物立體形狀，又能反映制圖區(qū)域內(nèi)地球自然表面的高低起伏。③它是按1：1或同一比例尺來表示地物的平面位置或大小與豎直方向的高程或高度（所謂高度就是地面上空一點沿鉛垂線到地面的距離）的。④它是用三維離散點表示地形或地貌以及地物空間立體形態(tài)的矢量地圖。⑤它在反映空間地理信息時都是比較精確、細(xì)致和詳細(xì)的，用比例尺（或空間分辨率）的概念表示就是大比例尺（或高分辨率）的，如 1：500（或 0.05 米）、1：1000（或 0.1 米）和 1：2000（或0.2米），且通常都是小區(qū)域的。

3 三維數(shù)字地形圖測繪實例分析

受廣州市某工業(yè)園區(qū)管理委員會委托，對其工業(yè)園建設(shè)用地進(jìn)行控制性測量和數(shù)字化三維地形圖測繪。該工業(yè)園區(qū)周邊有數(shù)個村落，南邊有一條國道通過，交通比較便利，測區(qū)村莊密集，村莊周圍樹木較多，通視困難；測區(qū)東北部有大片水田；測區(qū)西部為魚塘，水深測量相當(dāng)困難，本次測繪所執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。經(jīng)現(xiàn)場勘探并從多方面收集資料，測區(qū)附近有廣東省國土資源廳測繪院布設(shè)3個GPS-D級點、2個GPS-E級點作為本次平面控制起算點，測區(qū)高程控制采用4個四等水準(zhǔn)點作為本次測繪的高程起算，采用GPS高程擬合測區(qū)高程。

表1 本次測繪所執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 測繪選點和埋點

本次測量的首級平面、高程控制都是采用GPS全球定位系統(tǒng)。根據(jù)測區(qū)的現(xiàn)場情況，在樓房、高坡地、公路邊、巖石區(qū)等土質(zhì)堅硬的地方選點，采用預(yù)制好的混凝土標(biāo)石進(jìn)行標(biāo)示并對其編號，混凝土標(biāo)石的型號為上截面15cm×15cm、下截面20cm×20cm、高為60cm×60cm。

3.2 測量觀測方案

3.2.1 測前準(zhǔn)備。在觀測之前，先要注意做好GPS內(nèi)存數(shù)據(jù)容量檢查、認(rèn)真了解各GPS點所處的環(huán)境及最佳觀測時間、GPS各項設(shè)置如靜態(tài)或動態(tài)、高度截止角、天線類型、天線量測方式、數(shù)據(jù)采樣率等是否正確等數(shù)項準(zhǔn)備工作。

3.2.2 觀測方案。觀測作業(yè)開始后，出發(fā)到測點前，應(yīng)認(rèn)真檢查GPS主機(jī)、電池、電纜、測GPS天線的鋼尺、記錄紙、筆、腳架及對講機(jī)等必備品；認(rèn)真地架好儀器，對中、整平、接好電纜；量測天線高，這里要注意GPS天線高的量測一般都是量的斜高，不要人為地改為垂直高；開始觀測時，只需按下電源開關(guān)，這時記錄好測點名、開機(jī)時間、開機(jī)時天線高；觀測結(jié)束時，先關(guān)電源，不要馬上拆機(jī)，還要再量天線高，以判斷觀測過程中儀器是否動過。

3.3 GPS數(shù)據(jù)傳輸及處理

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸一般要注意以下幾點：①由于開關(guān)電源以及一些外界干擾會造成GPS數(shù)據(jù)異常，因此在數(shù)據(jù)傳輸之前首先要查看GPS中每個時段里記錄的數(shù)據(jù)是否大小相近，刪去無效數(shù)據(jù)；②隨后要檢查軟件中的各項設(shè)置如GPS類型、天線類型、天線高的測量方式等是否一致；③傳輸數(shù)據(jù)時，要記錄好各數(shù)據(jù)文件的時段號、點名，以備基線解算后用；④在做好上述工作后，查看高級設(shè)置，給定高度截止角、PDOP值等幾個重要設(shè)置，即可傳輸數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理。①基線向量解算時，可根據(jù)不同情況，設(shè)置好是解算部分基線還是解算全部基線，軟件自動解算；②基線向量解算后，可初步檢查一下評判各基線的置信參數(shù)，檢查同步環(huán)、異步環(huán)等閉合差，檢查不同時段同一條邊的較差，查出超限原因，剔除有粗差的基線；③若發(fā)現(xiàn)有問題的基線，可以查看各點接收到的衛(wèi)星狀況及其他有關(guān)部因素，以查找原因，確定此基線是否重新解算還是重測。

3.4 平差計算和高程擬合

GPS定位結(jié)果要從WGS-84大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為1954年國家坐標(biāo)系，GPS基線向量網(wǎng)的平差一般分為無約束平差、約束平差和聯(lián)合平差三種類型。GPS網(wǎng)一般要聯(lián)測3～5個已知點，聯(lián)合平差是解決GPS網(wǎng)成果轉(zhuǎn)換的有效手段，也是絕大多數(shù)地區(qū)目前唯一行之有效的方法；根據(jù)無約束平差成果分析，主要考察基線向量觀測值改正數(shù)、各點坐標(biāo)中誤差、點位中誤差、GPS基線向量邊的方位和邊長相對精度，若發(fā)現(xiàn)有明顯粗差，則要在聯(lián)合平差前剔除；主要考察各類觀測值的改正數(shù)的分布是否有明顯粗差，平差坐標(biāo)、點位誤差、轉(zhuǎn)換參數(shù)、單位權(quán)中誤差是否通過統(tǒng)計檢驗，邊長相對精度是否滿足設(shè)計的精度要求。GPS高程擬合根據(jù)不同軟件的要求，至GPS高程擬合根據(jù)不同軟件的要求，至少要聯(lián)測4個水準(zhǔn)高程點，但其高程精度不高，一般能達(dá)到3cm左右。

4 數(shù)字化三維地形圖的測繪

4.1 圖根控制測量

測區(qū)采用全站儀布設(shè)成附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、支導(dǎo)線、極坐標(biāo)支點可以連續(xù)支兩次。導(dǎo)線相對閉合差≤1/4000、極坐標(biāo)支點不宜大于500米、三角高程測量其附合線路或閉合線路≤±40mm，其中D為測距邊邊長（km），圖根導(dǎo)線采用簡易平差計算。

4.2 數(shù)字化地形測繪

測區(qū)采用數(shù)字化測量，比例尺為1：500，基本等高距為0.5m，采用40cm×50cm矩形分幅。使用全站儀進(jìn)行野外采集數(shù)據(jù)，定向方向應(yīng)＞500m，并進(jìn)行其他方向點檢查，碎部點測量測距最大長度＜300m，高程注記點間距為25m。測繪過程主要分為以下幾個步驟：①設(shè)站和檢查。儀器對中整平，儀器對中誤差≤5mm，量儀器高，儀器高量至毫米；輸入氣溫、氣壓、棱鏡常數(shù)；建立（選擇）文件名；輸入測站坐標(biāo)、高程及儀器高；輸入后視點坐標(biāo)（或方位角），瞄準(zhǔn)后視目標(biāo)后確定。測量1個已知坐標(biāo)的點的坐標(biāo)并與已知坐標(biāo)對照（限差≤±5cm）；測量1個已知高程的點的高程并與已知高程比較（限差≤±5cm）；如果前兩項檢查都在限差范圍內(nèi)，便可開始測量，否則檢查原因重新設(shè)站。②立鏡和觀測。依比例尺地物輪廓線折點立鏡，不依比例尺地物的中心位置立鏡。在建筑物的外角點、地界點、地形點上豎棱鏡，回報鏡高；全站儀跟蹤棱鏡，輸入點號和改變的棱鏡高，在坐標(biāo)測量狀態(tài)下按測量鍵，顯示測量數(shù)據(jù)后，輸入測點類型代碼后存儲數(shù)據(jù)。繼續(xù)下一個點的觀測。對于那些本站需要測量而儀器無法看見的點，可用皮尺量距來確定點位；半徑大于0.5m的點狀地物，如不能直接測定中心位置，應(yīng)測量偏心距，并在草圖上注明偏心方向；丈量的距離應(yīng)標(biāo)注在草圖上。③繪草圖和檢查?，F(xiàn)場繪制地形草圖，標(biāo)上立鏡點的點號和丈量的距離，房屋結(jié)構(gòu)、層次，道路鋪材，植被，地名，管線走向、類別等。草圖是內(nèi)業(yè)編繪工作的依據(jù)之一，應(yīng)盡量詳細(xì)。測量過程中每測量30點左右及收站前，應(yīng)檢查后視方向，也可以在其它控制點上進(jìn)行方位角或坐標(biāo)、高程檢查。④數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換。連接全站儀與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸電纜；設(shè)置通訊中端的通訊參數(shù)與全站儀的通訊參數(shù)一致；全站儀中選擇要傳輸?shù)奈募蛡鬏敻袷胶蟀窗l(fā)送命令；計算機(jī)接收數(shù)據(jù)后以文本文件的形式存盤。通過軟件將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成圖軟件識別的格式。⑤編繪并建立測區(qū)圖庫。成圖采用南方測繪儀器有限公司軟件CASS5.0成圖。圖幅編號采用西南角圖廓坐標(biāo)編碼，坐標(biāo)以公里為單位。建立測區(qū)圖庫，圖幅接邊，輸出成圖。

結(jié)論

隨著數(shù)字地形圖在工程應(yīng)用中的深入，為了便于進(jìn)行空間方面的量測和分析，人們對它表示地物和地貌的方法和精度提出了更高的要求。而三維數(shù)字地形圖在工程上具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，其可以查詢?nèi)我馓卣鼽c的平面坐標(biāo)和高程等三維坐標(biāo)信息。因此，三維數(shù)字地形圖具有其獨特的應(yīng)用價值，隨著三維數(shù)字地形圖的不斷開發(fā)和完善，相信在不久的將來它一定會有越來越好的應(yīng)用前景。

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[2]王繼周，李成名，等.城市三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)發(fā)展探討[J].測繪科學(xué)，2004，29（4）：71-73.

[3]竇興偉，朱麗芳.臨港工業(yè)園建設(shè)用地控制測量及數(shù)字化地形測量技術(shù)研究 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，18：79-81.