數(shù)字化地形測(cè)量初探

廣東省

摘要：本文介紹了數(shù)字化成圖的三種方法，然后分析了數(shù)字化地形測(cè)量的實(shí)施過(guò)程和質(zhì)量控制方法，并討論了需要注意的有關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；地形測(cè)量

數(shù)字化地形測(cè)量是從傳統(tǒng)地形測(cè)量發(fā)展過(guò)來(lái)的，從小平板、大平板再到目前的數(shù)字化，不僅反映了測(cè)繪技術(shù)的巨大進(jìn)步，更體現(xiàn)了它強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前景，因?yàn)闊o(wú)論是城市規(guī)劃、土地管理、道路交通、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和軍事工程等大項(xiàng)目，還是個(gè)人出行、旅游這些日常生活應(yīng)用，都能從數(shù)字化地形測(cè)量中得到非常多的幫助。地形測(cè)量主要包括控制測(cè)量、地物地貌測(cè)量?jī)纱蟛糠帧鹘y(tǒng)測(cè)量將測(cè)量成果按一定比例繪制在圖紙上，由于成圖過(guò)程中測(cè)點(diǎn)、紙張不可避免地受到伸縮變形等因素影響，成圖精度較低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、出圖時(shí)間長(zhǎng)，難以適應(yīng)信息化時(shí)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)及各行各業(yè)的廣泛需求，因此數(shù)字化地形測(cè)量的出現(xiàn)，既是拜以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的科學(xué)技術(shù)巨大進(jìn)步所賜，更是順應(yīng)了社會(huì)不斷發(fā)展而對(duì)地形測(cè)量提出的更多更高要求。那么，數(shù)字化成圖有哪些方法，數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、成圖輸出又有哪些要求，本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析探討。

1 數(shù)字化成圖的三種方法

1.1 傳統(tǒng)測(cè)圖數(shù)字化

傳統(tǒng)測(cè)圖方法因?yàn)橐獙y(cè)量成果繪制在圖紙上，通稱(chēng)白紙測(cè)圖。利用計(jì)算機(jī)、數(shù)字化儀、繪圖儀以及相應(yīng)的數(shù)字化軟件，可將傳統(tǒng)白紙測(cè)圖成果轉(zhuǎn)化為數(shù)字化地圖。一般可采用手扶跟蹤數(shù)字化或掃描矢量化兩種方式。雖然后者較前者精度和效率高些，但這兩種數(shù)字化成果都是在原有測(cè)圖基礎(chǔ)上的再加工，精度比原圖有所降低，故而它僅是部分地區(qū)急需數(shù)字化地圖的權(quán)宜之計(jì)。但通過(guò)修測(cè)、補(bǔ)測(cè)等方式獲得部分重要點(diǎn)位的精確坐標(biāo)，再替換掉經(jīng)傳統(tǒng)測(cè)圖數(shù)字化后相應(yīng)點(diǎn)位的坐標(biāo)，隨著點(diǎn)位更新數(shù)量不斷增加，地圖精度可以得到較大改善[1]。

1.2 航空攝影數(shù)字化

利用測(cè)區(qū)航攝像片、影像數(shù)據(jù)、航攝儀校驗(yàn)文件及其相關(guān)參數(shù)以及現(xiàn)有地形圖數(shù)據(jù)，通過(guò)建立數(shù)字模型，并利用相應(yīng)的成圖軟件，也可獲得數(shù)字化地形圖。由于航攝成本較高，這種方法特別適合面積較大的城市密集地區(qū)數(shù)字化成圖，如果測(cè)區(qū)較小且偏遠(yuǎn)，數(shù)字化成圖成本太高，可采用下述地面測(cè)量數(shù)字化技術(shù)。

1.3 地面測(cè)量數(shù)字化

利用全站儀、GPS接收定位儀等設(shè)備進(jìn)行地形測(cè)量，再將野外測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，由數(shù)字化成圖軟件進(jìn)行處理、編輯和成圖，這種數(shù)字化模式就稱(chēng)為地面測(cè)量數(shù)字化。目前，主流模式是采用“GPS+全站儀+計(jì)算機(jī)”的全數(shù)字化地面測(cè)量方式，也是測(cè)量精度最高的一種模式。下面主要探討地面測(cè)量數(shù)字化技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容。

2 數(shù)字化地形測(cè)量的實(shí)施過(guò)程與質(zhì)量控制

2.1 控制測(cè)量方法

控制測(cè)量包括平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量?jī)刹糠?，隨著GPS技術(shù)與全站儀的普及，平面控制測(cè)量主要采用靜態(tài)GPS配合導(dǎo)線(xiàn)法、動(dòng)態(tài)GPS（即GPS RTK）直接測(cè)量圖根點(diǎn)、單一導(dǎo)線(xiàn)或?qū)Ь€(xiàn)網(wǎng)法等，高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、全站儀直接高差法、GPS高程擬合法等。下面以平面二級(jí)導(dǎo)線(xiàn)控制網(wǎng)、高程四等水準(zhǔn)測(cè)量為例進(jìn)行說(shuō)明。

平面控制首級(jí)采用四等GPS控制點(diǎn)，故應(yīng)先建立測(cè)區(qū)GPS控制網(wǎng)。GPS接收機(jī)分單、雙頻，單頻機(jī)價(jià)格便宜、操作攜帶方便、比較耐用，但測(cè)量精度易受電離層、對(duì)流層延遲影響，并且快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的觀(guān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，雙頻機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。本方案采用單頻機(jī)測(cè)量，以4臺(tái)GPS接收機(jī)邊連式連接施測(cè)。每個(gè)觀(guān)測(cè)時(shí)段，設(shè)置2臺(tái)GPS機(jī)為固定站，另外2臺(tái)為流動(dòng)站，然后循環(huán)移動(dòng)觀(guān)測(cè)，一直測(cè)完所有點(diǎn)。測(cè)量時(shí)控制衛(wèi)星截止高度角≥150°，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)量≥4，PDOP≤6，數(shù)據(jù)采集間隔15″，對(duì)中誤差≤2mm，天線(xiàn)高差值≤3mm[2]。采用隨機(jī)軟件解算、平差，得到測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。所有測(cè)點(diǎn)都以永久性標(biāo)石建立。

在GPS控制點(diǎn)基礎(chǔ)上布設(shè)二級(jí)導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)。導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)位位于GPS控制點(diǎn)之間，連成節(jié)點(diǎn)網(wǎng)。運(yùn)用方向觀(guān)測(cè)法，水平角觀(guān)測(cè)一測(cè)回，邊長(zhǎng)單程觀(guān)測(cè)兩測(cè)回，邊長(zhǎng)每測(cè)回讀數(shù)4次。測(cè)距儀精度為Ⅰ級(jí)，mD≤5mm。每個(gè)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行編號(hào)、記錄與整理，以確保數(shù)據(jù)滿(mǎn)足限差要求。主要控制項(xiàng)目有驗(yàn)算方位角閉合差、導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)閉合差及測(cè)角中誤差。限差滿(mǎn)足要求以后，進(jìn)行平差和精度評(píng)定，產(chǎn)生導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)的精度指標(biāo)、最弱點(diǎn)精度數(shù)據(jù)。按照《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ/T 8-2011）二級(jí)導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)全長(zhǎng)相對(duì)閉合差≤1/10000，方位角閉合差應(yīng)在″范圍內(nèi)，其中為測(cè)站數(shù)。

高程測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量，雖然GPS高程擬合法比較便捷，但精度較差，不滿(mǎn)足測(cè)量要求。高程測(cè)量以已知水準(zhǔn)點(diǎn)起測(cè)，通過(guò)水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)將平面控制點(diǎn)布成四等水準(zhǔn)網(wǎng)。水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀及中絲讀數(shù)法，精度能滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)測(cè)量要求?？刂苅角誤差<20°，讀數(shù)方法采用中絲法，直讀距離。并以“后-前-前-后”順序進(jìn)行觀(guān)測(cè)。若無(wú)固定點(diǎn)時(shí)，應(yīng)加尺墊觀(guān)測(cè)。水準(zhǔn)儀安置妥當(dāng)后，即應(yīng)精確整平圓水準(zhǔn)器，但在觀(guān)測(cè)同一站點(diǎn)時(shí)，不得重復(fù)調(diào)焦，并且各測(cè)段的測(cè)站數(shù)量應(yīng)為偶數(shù)。數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行平差、精度評(píng)定，最后得到高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。按照《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ/T 8-2011）四等水準(zhǔn)測(cè)量閉合差精度范圍平原、丘陵地區(qū)應(yīng)控制在mm范圍內(nèi)，山區(qū)控制在mm范圍內(nèi)，其中為附合路線(xiàn)或環(huán)線(xiàn)長(zhǎng)度（km）。

2.2 碎部測(cè)量方法

碎部測(cè)量可采用動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)，但受到多種因素影響，用于大比例尺測(cè)圖時(shí)精度不易保證，采用全站儀再加上偏心觀(guān)測(cè)精度更易保證。目前，全站儀碎部測(cè)量有兩種模式，一種是數(shù)字側(cè)記模式，由全站儀采集碎部點(diǎn)位數(shù)據(jù)，電子手簿或PC卡記錄測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，室內(nèi)作業(yè)時(shí)利用采集到的數(shù)據(jù)配合外業(yè)草圖進(jìn)行數(shù)字化繪圖；另一種是電子平板繪圖模式，全站儀與平板電腦或筆記本電腦組合施測(cè)，利用軟件完成繪圖，也就是邊測(cè)邊繪、一次成圖。后面一種方法應(yīng)用更為便利，利用極坐標(biāo)法采集到碎部大部分坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過(guò)軟件中的方向交會(huì)、距離交會(huì)、十字尺測(cè)量法等功能可計(jì)算出其余各點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再利用軟件等高線(xiàn)繪制功能，最后得到數(shù)字化圖。這種方法外業(yè)測(cè)量非常靈活，遇到村莊、復(fù)雜地形時(shí)不必嚴(yán)格按照順序跑點(diǎn)，可以就近跑點(diǎn)測(cè)量，即使遇到阻擋看不見(jiàn)跑尺員，繪圖員也可就近支站、定向，指揮跑點(diǎn)人員利用地形完成測(cè)量。

2.3 測(cè)繪軟件與數(shù)據(jù)處理

數(shù)字化測(cè)量及成圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是選用合適的軟件。目前，相關(guān)軟件種類(lèi)較多，如南方CASS系列、廣州開(kāi)思、武漢瑞得RDMS系列、北京威遠(yuǎn)圖、清華山維等。這些軟件主要基于A(yíng)utoCAD平臺(tái)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用測(cè)繪軟件。CASS系列特別適用于外業(yè)利用電子平板采集數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)利用軟件編輯成圖的場(chǎng)合。RDMS系列軟件是在GIS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的測(cè)繪軟件，既可利用電子平板，也能利用電子手簿或全站儀內(nèi)存。其他軟件特點(diǎn)可查閱相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明。

下面以CASS系列軟件說(shuō)明數(shù)據(jù)處理過(guò)程。先將全站儀或電子手簿、電子平板中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，目前大部分成圖軟件都有這個(gè)功能，沒(méi)有也可使用專(zhuān)門(mén)的傳輸軟件。CASS具有展點(diǎn)、連線(xiàn)、勾繪等高線(xiàn)等功能，完成圖形編輯以后保存，然后打印出地形圖供外業(yè)檢查巡視。外業(yè)按照規(guī)范進(jìn)行自檢，主要是查漏補(bǔ)缺和改錯(cuò)更正。然后對(duì)地形圖進(jìn)行分幅處理，如50×50分幅或40×50分幅。經(jīng)過(guò)圖廓整飾、核對(duì)無(wú)誤后，即可輸出打印。

2.4 成果檢查驗(yàn)收方法

數(shù)字化地形測(cè)量成果的檢查驗(yàn)收實(shí)行三級(jí)檢查、一級(jí)驗(yàn)收制度[3]。三級(jí)檢查是指作業(yè)單位對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行自檢、全檢和專(zhuān)檢，外業(yè)記錄、平差結(jié)果、原始圖件、數(shù)字化圖等由作業(yè)組自檢，或與其他作業(yè)組進(jìn)行互檢。在完成自檢的基礎(chǔ)上，由作業(yè)隊(duì)實(shí)施全檢，作業(yè)人員必須對(duì)檢查中的問(wèn)題認(rèn)真修改。通過(guò)全檢后，還必須進(jìn)行專(zhuān)檢。專(zhuān)檢由作業(yè)單位專(zhuān)職質(zhì)檢人員組成的檢查組負(fù)責(zé)，組長(zhǎng)必須由作業(yè)單位負(fù)責(zé)人親自擔(dān)任。三檢合格進(jìn)入驗(yàn)收階段，經(jīng)驗(yàn)收通過(guò)后才能交付使用。檢查驗(yàn)收內(nèi)容包括文字部分、控制測(cè)量部分、地形要素測(cè)量部分、電腦數(shù)據(jù)資料部分等，依據(jù)這些內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定和計(jì)分，只有超過(guò)規(guī)定的分?jǐn)?shù)才能認(rèn)定為合格。

3 數(shù)字化地形測(cè)量方法應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)1750m，東西最寬處約540m，面積約595297m2，標(biāo)高+334m～+276m。

3.2 測(cè)量環(huán)境

采用全站儀與GPS-RTK聯(lián)合測(cè)繪地形圖。全站儀采用6″級(jí)，其固定差≤10mm，比例誤差≤5ppm。GPS-RTK測(cè)圖平面較差≤5cm，高程