CORS系統(tǒng)與免棱鏡全站儀相結(jié)合的應(yīng)用研究

摘 要：利用CORS系統(tǒng)和免棱鏡全站儀相結(jié)合的測(cè)量方法在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)代CORS系統(tǒng)的普及和應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)測(cè)量工作有了革命性的進(jìn)步，大大提高了野外測(cè)量工作的效率和精度。本文介紹和討論了CORS系統(tǒng)原理和全站儀測(cè)量方法及它們的優(yōu)勢(shì)，詳述了這兩種測(cè)量技術(shù)相結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

關(guān)鍵詞：CORS系統(tǒng)；全站儀；礦山地質(zhì)測(cè)量；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.073

隨著GNSS技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步和廣泛應(yīng)用普及，它在礦山地質(zhì)測(cè)量中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CORS），它是由多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立，也成為GNSS在礦山地質(zhì)工作中的應(yīng)用研究熱點(diǎn)。CORS系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新科技多方位、多要素、大深度結(jié)晶的產(chǎn)物。同時(shí)，全站儀測(cè)繪技術(shù)作為一種成熟的測(cè)量方法，在礦山地質(zhì)測(cè)量領(lǐng)域也有著不可替代的作用。本文主要通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，把這兩種重要的測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，為促進(jìn)礦山地質(zhì)事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

1 CORS技術(shù)

1.1 CORS系統(tǒng)工作原理

CORS系統(tǒng)在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干個(gè)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的GNSS固定參考站，GNSS參考站通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)的將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心首先對(duì)各個(gè)參考站的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和預(yù)處理，然后對(duì)特定時(shí)段內(nèi)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一解算，實(shí)時(shí)估算出站網(wǎng)內(nèi)的各種系統(tǒng)誤差改正項(xiàng)（對(duì)流層、電離層、衛(wèi)星軌道誤差等）獲得本區(qū)域的誤差改正模型。然后向用戶實(shí)時(shí)發(fā)送GNSS改正數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要使用一臺(tái)或多臺(tái)GNSS接收機(jī)，便可實(shí)時(shí)或事后獲得高精度的可靠的定位結(jié)果。

1.2 CORS系統(tǒng)構(gòu)成

CORS系統(tǒng)由五部分組成：基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)。每個(gè)基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接，形成一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)。

1.3 CORS系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

CORS系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用使外業(yè)測(cè)繪工作發(fā)生了一項(xiàng)革命性的進(jìn)步，與以往傳統(tǒng)RTK測(cè)量作業(yè)方式相比較，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1） 使得某一地區(qū)有了一個(gè)可靠的測(cè)量基準(zhǔn)框架，繼而從很大程度上解決了部分行業(yè)部門之間坐標(biāo)系統(tǒng)的不一致問(wèn)題；（2）可提供不同精度要求的數(shù)據(jù)，滿足各類用戶的不同需求；（3）大大的擴(kuò)展GNSS的有效服務(wù)范圍；（4）采用連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，用戶可全天候野外作業(yè)，提高了工作效率；（5）使用成熟完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理系統(tǒng)，在消除或削弱各種系統(tǒng)誤差的影響下，可實(shí)時(shí)獲得高精度、高可靠性的數(shù)據(jù)成果；（6）不考慮架設(shè)基站，可單人完成作業(yè)，作業(yè)成本大幅降低；（7）應(yīng)用可靠穩(wěn)定的通訊方式，能有效減少噪聲干擾；（8）向各類用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，大家可方便共享數(shù)據(jù)。

2 全站儀的特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

測(cè)繪技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和集成微機(jī)的廣泛應(yīng)用，測(cè)繪野外作業(yè)方法也得到了質(zhì)的提高 。作為一種測(cè)繪器材，全站儀在二十余年實(shí)際應(yīng)用中，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了獨(dú)特的不可替代的作用。當(dāng)然全站儀也在不斷的演化升級(jí)：野外作業(yè)時(shí)可在沒(méi)有反射棱鏡的情況下快速進(jìn)行距離和三維坐標(biāo)測(cè)量，這就是免棱鏡全站儀，它是在普通全站儀的基礎(chǔ)上新增的一項(xiàng)功能，觀測(cè)距離一般超過(guò)500m，最遠(yuǎn)已可達(dá)到2000m。由于免棱鏡全站儀具有無(wú)棱鏡測(cè)距功能，并裝配有紅外激光瞄準(zhǔn)器，可靈敏高效完成任何可視目標(biāo)定位作業(yè)，有棱鏡、無(wú)棱鏡模式可隨時(shí)切換，都可獲得精確可靠的測(cè)距結(jié)果。

全站儀為礦山地質(zhì)測(cè)量工作做出了許多貢獻(xiàn)，它具有操作方便、操作簡(jiǎn)單、功能齊全、精度高的優(yōu)點(diǎn)?？赏瓿蓽y(cè)角、高差、測(cè)距、高程、放樣、數(shù)據(jù)處理等工作。

3 應(yīng)用案例

3.1 工作區(qū)概況

鄭-少-洛高速沿線礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項(xiàng)目區(qū)（洛陽(yáng)段）位于洛陽(yáng)市龍門東山東部，緊鄰鄭-少-洛高速和二廣高速兩條黃金旅游通道，距世界文化遺產(chǎn)—洛陽(yáng)龍門石窟約2km。項(xiàng)目區(qū)的礦山開采活動(dòng)主要是上世紀(jì)八十年代開始的石灰?guī)r礦露天開采，多為無(wú)證開采，主要供給周圍的石料廠、石灰窯、水泥廠等企業(yè)。經(jīng)過(guò)20多年的無(wú)序開發(fā)和強(qiáng)力開采，致使該區(qū)的地形地貌景觀遭到嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響到龍門石窟景區(qū)和鄭-少-洛高速及二廣高速沿途景觀，2000年左右絕大部分石灰?guī)r礦被洛陽(yáng)市政府和洛陽(yáng)市國(guó)土資源局關(guān)停。經(jīng)過(guò)改革開放二十多年的高速發(fā)展，過(guò)去的一些認(rèn)識(shí)和弊端漸漸顯露出來(lái)，那種邊發(fā)展邊治理或先發(fā)展后治理的模式已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展形勢(shì)，既要美好生活，又要碧水藍(lán)天，這是廣大人民群眾迫切愿望，更國(guó)家對(duì)地方政府的具體要求。特別是今年新組建的自然資源部，更突顯國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視。通過(guò)對(duì)采石場(chǎng)的高陡邊坡進(jìn)行整治，清除危巖體、消除崩塌災(zāi)害隱患；清理、整治廢渣，采坑回填，覆土綠化，恢復(fù)植被，美化環(huán)境，讓久違的綠色重新布滿山澗，讓飛逝的鳥兒再來(lái)這里安家，使這一片區(qū)域與龍門石窟周圍環(huán)境整體相協(xié)調(diào)，并為洛陽(yáng)市民一個(gè)周末休閑放松的好去處。這其中無(wú)論前期勘查工作中的地形測(cè)繪、工程地質(zhì)剖面測(cè)繪，以及治理工作中的放樣驗(yàn)線，還是監(jiān)理檢查都需要各種測(cè)繪儀器提供精確可靠得數(shù)據(jù)的來(lái)支持各項(xiàng)工作的順利開展。（見圖1）

3.2 地形測(cè)繪

地形圖測(cè)量采用1980西安坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程系，中央子午線為112°30′。E級(jí)GNSS控制點(diǎn)觀測(cè)使用4臺(tái)套南方S86型雙頻接收機(jī)觀測(cè)，儀器標(biāo)稱精度為（5mm+2ppm）。碎部點(diǎn)測(cè)量采用CORS和全站儀相結(jié)合的方法，測(cè)繪滿足《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 工程地質(zhì)剖面測(cè)繪

為了查明項(xiàng)目區(qū)采場(chǎng)立體形態(tài)，對(duì)項(xiàng)目區(qū)開展1∶500工程地質(zhì)剖面測(cè)繪，剖面線布置主要依據(jù)采場(chǎng)的形態(tài)而定，縱向以貫穿多個(gè)標(biāo)高段采場(chǎng)為主，橫向基本垂直縱向剖面線?？v橫剖面線間距根據(jù)勘查區(qū)環(huán)境地質(zhì)復(fù)雜程度定位50×50m，局部區(qū)域加密控制，勘探線網(wǎng)度滿足勘查、設(shè)計(jì)需要。執(zhí)行《巖土工程勘察技術(shù)規(guī)范》及《工程測(cè)量規(guī)范》。（見圖2）

3.4 工程放樣驗(yàn)線測(cè)量

用一定的測(cè)量?jī)x器和方法把設(shè)計(jì)圖紙上的各項(xiàng)工程的平面位置和高程進(jìn)行實(shí)地測(cè)設(shè)稱為工程放樣（也稱施工放樣）；而驗(yàn)線測(cè)量則是采用一定的測(cè)量?jī)x器和方法采集施工中及已完工的各項(xiàng)工程的的平面位置和高程的數(shù)據(jù)，然后對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙上相應(yīng)位置是否一致的工作，驗(yàn)線工作是保證各項(xiàng)工程位置正確，符合精度要求，按圖施工，保質(zhì)保量，如期完成任務(wù)的重要措施。

4 結(jié)果分析研究

4.1 CORS在礦山環(huán)境治理中測(cè)量的可行性

工作區(qū)面積約3.6Km2，植被較少，結(jié)合CORS的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）作業(yè)效率高。一般的地形條件下，只要是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)（包括移動(dòng)、電信、聯(lián)通、）覆蓋的區(qū)域，都可以使用CORS進(jìn)行外業(yè)測(cè)量作業(yè)，進(jìn)而極大的降低布設(shè)多個(gè)野外控制點(diǎn)和測(cè)量?jī)x器頻繁的“遷站”的苦惱，只要一人單機(jī)，數(shù)秒時(shí)間即得一組高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，大幅度的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了作業(yè)速度，達(dá)到了提高勞動(dòng)效率，節(jié)省作業(yè)成本的目的。

（2）定位精度高，因?yàn)橛行У谋苊饬藗鹘y(tǒng)測(cè)量?jī)x器的誤差積累影響，所測(cè)數(shù)據(jù)安全可靠。在滿足CORS的基本工作條件下，CORS系統(tǒng)測(cè)量平面精度和高程精度可達(dá)到厘米級(jí)，能夠勝任多項(xiàng)常規(guī)外業(yè)測(cè)量任務(wù)。

（3）作業(yè)條件要求下降。在有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)環(huán)境下了，不需要考慮兩點(diǎn)通視，用CORS作業(yè)即可精度可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，相比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，能見度、通視條件、氣候、季節(jié)等因素對(duì)CORS系統(tǒng)的影響和限制較小，從傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段來(lái)看，那些受地形、地物障礙影響而無(wú)法開展作業(yè)的通視困難地區(qū)，只要達(dá)到了CORS系統(tǒng)的基本作業(yè)條件，就可進(jìn)行快速高效的野外作業(yè)。

4.2 CORS在礦山環(huán)境治理中測(cè)量的局限性

工作區(qū)西鄰龍門石窟景區(qū)，偏西部有二廣高速公路穿過(guò)，區(qū)內(nèi)渣堆眾多，坡坎遍布，陡壁林立，形成的采坑有多達(dá)158個(gè)。而為了保證CORS外業(yè)采集數(shù)據(jù)信號(hào)良好的要求，截止高度角必須大于15°，且多于4顆以上的有效衛(wèi)星，還要求精度因子PDOP<6。CORS系統(tǒng)的局限性所造成的干擾如樹木障礙、高層建筑和高頻信號(hào)源及城市地區(qū)，山地、林地等作業(yè)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)被遮擋比較嚴(yán)重，使其在測(cè)量中失去了一定優(yōu)勢(shì)。

4.3 免棱鏡全站儀在礦山環(huán)境治理中測(cè)量的可行性和局限性

（1）將免棱鏡全站儀應(yīng)用于開闊區(qū)域，達(dá)到直觀測(cè)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省時(shí)間的目的，大大提高了作業(yè)效率。

（2）兩個(gè)人即可組成一個(gè)作業(yè)組開展野外作業(yè)，一人操作儀器，另一人跑尺負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)站點(diǎn)的測(cè)設(shè)及碎部點(diǎn)的采集。

（3）在一些無(wú)法到達(dá)或到達(dá)困難的區(qū)域，比如溝渠、坑塘、陡峭的懸崖等，免棱鏡全站儀都能方便地測(cè)得目標(biāo)點(diǎn)的空間位置，從而避免跑尺人員安全問(wèn)題，在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，提高了作業(yè)精度及工作效率。

全站儀作為一種精度高、應(yīng)用廣且高度自動(dòng)化的野外測(cè)量器材，雖然不會(huì)像衛(wèi)星接收機(jī)那樣受傳播信號(hào)等因素的影響，但能見度、通視條件、氣候、季節(jié)等因素對(duì)全站儀作業(yè)有較大影響，而治理區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，坡坎遍布，陡崖交錯(cuò)，這就需要全站儀在碎部測(cè)量中頻繁設(shè)點(diǎn)“遷站”，因而加大了作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，增大了工作量，容易導(dǎo)致誤差積累，降低測(cè)量精度。

4.4 CORS系統(tǒng)聯(lián)合全站儀在礦山環(huán)境治理區(qū)測(cè)量的優(yōu)越性

在一般的地形條件下，只要是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的區(qū)域，都可以使用CORS進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，進(jìn)而極大的降低布設(shè)多個(gè)野外控制點(diǎn)和測(cè)量?jī)x器頻繁的“遷站”的要求，只要一人單機(jī)就可進(jìn)行野外作業(yè)。因此盡可能使用CORS在一般開闊地形條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；而由于全站儀具有測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在高崖陡坎及城市區(qū)域開展作業(yè)優(yōu)勢(shì)更為明顯，因此在野外作業(yè)時(shí)采用CORS在遮擋少信號(hào)好地方布設(shè)圖根級(jí)控制點(diǎn)，并同時(shí)進(jìn)行碎部點(diǎn)采集；有些區(qū)域CORS信號(hào)失鎖較嚴(yán)重和采集精度不理想，則用全站儀進(jìn)行碎部點(diǎn)的測(cè)量。這種兩種儀器相結(jié)合的綜合測(cè)量辦法，使得CORS測(cè)量在某些地方精度較低，不能滿足規(guī)范要求的弊端得以避免，又使采用常規(guī)的全站儀布設(shè)大量圖根導(dǎo)線工作繁重測(cè)量效率低下的缺憾大大降低；這樣在提高全站儀碎部點(diǎn)的采集精度的同時(shí)，又可大幅度減少支導(dǎo)線誤差積累。在野外實(shí)際工作中，一個(gè)項(xiàng)目組5人（其中3人3個(gè)CORS作業(yè)組，2人為一臺(tái)全站儀組）即可完成常規(guī)測(cè)量中4個(gè)作業(yè)小組8人（3臺(tái)全站儀組）的實(shí)際工作，生產(chǎn)效率提高了，工作強(qiáng)度降低了，很自然經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 實(shí)地檢查與精度分析

5.1 控制點(diǎn)的檢核

衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的好壞和衛(wèi)星的空間分布狀況及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱都會(huì)對(duì)CORS測(cè)量觀測(cè)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此，野外作業(yè)時(shí)必須進(jìn)行必要的質(zhì)量控制，來(lái)避免CORS測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的偶然誤差和系統(tǒng)誤差?，F(xiàn)在已知點(diǎn)檢核法和重測(cè)比較法是進(jìn)行CORS測(cè)量質(zhì)量控制的主要兩種方法。已知點(diǎn)檢核法，是采用GNSS或全站儀在布測(cè)控制網(wǎng)時(shí)盡可能多測(cè)設(shè)高等級(jí)控制點(diǎn)，然后和采用CORS測(cè)出相同控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)精度較低或不滿足要求的數(shù)據(jù)馬上采取措施進(jìn)行改正；重測(cè)比較法，是在開展野外作業(yè)前，先用CORS重測(cè)2個(gè)以上已知的高精度控制點(diǎn)或CORS圖根控制點(diǎn)，和已知數(shù)據(jù)檢核確認(rèn)無(wú)誤后再進(jìn)行CORS測(cè)量。這兩種方法中，已知點(diǎn)檢法是比較可靠的，但在野外布設(shè)高等級(jí)控制點(diǎn)單位成本較高，數(shù)量也很有限，所以可以采用CORS和全站儀相結(jié)合的方法在缺少控制點(diǎn)的地方進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。對(duì)治理區(qū)25個(gè)圖根級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行了檢核比較，根據(jù)公式計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，再根據(jù)公式，計(jì)算所有控制點(diǎn)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為1.61cm，高程的中誤差為1.69 cm。根據(jù)計(jì)算的各個(gè)點(diǎn)位誤差和高程的中誤差檢核結(jié)果來(lái)分析發(fā)現(xiàn)，CORS測(cè)量成果的高程中誤差平面中誤差均未超過(guò)5cm，可以看出，《工程測(cè)量規(guī)范》中最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于±5cm的相關(guān)要求，CORS技術(shù)可以滿足的。這25個(gè)圖根級(jí)控制點(diǎn)有5個(gè)點(diǎn)的誤差較大，是由于這5個(gè)點(diǎn)的衛(wèi)星和基站的信號(hào)傳輸時(shí)受到附近坡坎遮擋的影響所致，在對(duì)這5個(gè)點(diǎn)的重測(cè)檢核后，發(fā)現(xiàn)重測(cè)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)跟上次測(cè)得坐標(biāo)數(shù)據(jù)相比，差值很小，都分布在±3cm之內(nèi)，所以在野外的測(cè)量中，應(yīng)求取兩次坐標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值來(lái)作為最終成果開展作業(yè)。

5.2 碎部點(diǎn)檢核

衛(wèi)星狀態(tài)、觀測(cè)時(shí)段、高程異常、測(cè)區(qū)地物地形等問(wèn)題是影響CORS測(cè)量精度的主要因素，而定向、天氣、三軸誤差等情況也對(duì)全站儀測(cè)量結(jié)果的影響較大，采取相應(yīng)措施對(duì)兩者采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互檢核，以使數(shù)據(jù)精度最終完全達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求后才能外業(yè)測(cè)量工作。在對(duì)部分碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)檢核后發(fā)現(xiàn)全站儀坐標(biāo)數(shù)據(jù)和CORS坐標(biāo)數(shù)據(jù)在交匯處吻合度很高，并與甲方提供的測(cè)區(qū)原先局部地形圖吻合度也較好。通過(guò)對(duì)CORS和全站儀測(cè)圖的交接處部分同一特征點(diǎn)進(jìn)行檢核比較，并把采集數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析，具體做法和控制點(diǎn)分析相同。

6 結(jié)束語(yǔ)

在礦山環(huán)境治理中無(wú)論單獨(dú)使用CORS或者全站儀都有一定的局限性，實(shí)際應(yīng)用可以看出，把這兩者相結(jié)合的作業(yè)方法能大大提高勞動(dòng)效率及成果的可靠性，也極大擴(kuò)展了GNSS技術(shù)的服務(wù)范圍。在1︰500該區(qū)域地形圖測(cè)量及各項(xiàng)工程測(cè)量中，正常情況下流動(dòng)站5～10秒左右就可采集1個(gè)碎部點(diǎn)，即使是做一級(jí)GNSS圖根控制點(diǎn)，也僅需幾分鐘時(shí)間，且作業(yè)距離幾乎不受限制，更無(wú)需考慮遷站。用傳統(tǒng)的方法測(cè)量該測(cè)區(qū)外業(yè)工作需3個(gè)月左右工作日，用這種組合模式測(cè)量?jī)H需2個(gè)月的工作日就完成了，快速高效顯而易見。2020年我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將組網(wǎng)完成實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，伴隨著新一代導(dǎo)航定位技術(shù)、抗干擾技術(shù)、高保密技術(shù)（如量子通訊技術(shù)）等跨越式的高速發(fā)展，為GNSS的的發(fā)展空間和應(yīng)用領(lǐng)域提供了無(wú)限可能！

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：狄廣禮（1978-），男，河南封丘人，本科，工程師，主要從事地質(zhì)測(cè)繪、地籍測(cè)量等工作。