GPS及現(xiàn)代測(cè)量儀器在大比例尺地形圖測(cè)量中的應(yīng)用研究

許振興

（遼寧排山樓黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000）

隨著測(cè)繪技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高科技測(cè)量技術(shù)在實(shí)際工作中的應(yīng)用也越來越廣泛，比如無人機(jī)影像測(cè)量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)及GPS技術(shù)等。21世紀(jì)以來，隨著測(cè)量儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)協(xié)同發(fā)展和廣泛應(yīng)用，基于GPS功能的移動(dòng)客戶端軟件步入人民的生活中，例如導(dǎo)航。在專業(yè)工作方面，GPS無聲無息地取代了傳統(tǒng)測(cè)量儀器的使用頻率，其已經(jīng)在很多領(lǐng)域體現(xiàn)出其優(yōu)越性，如大范圍的城市控制測(cè)量、大面積的用地勘界測(cè)量，尤其是在大比例尺地形圖測(cè)量工作中，極大地發(fā)揮出高科技為實(shí)際工作帶來的便利性和高效性。

GPS-RTK技術(shù)是基于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)融合后產(chǎn)生的高性能測(cè)量技術(shù)，其具有控制面積大、定位精度高、獨(dú)立測(cè)量無誤差積累等特點(diǎn)，顯現(xiàn)了比其他常規(guī)測(cè)量儀器更大的優(yōu)勢(shì)。GPS RTK測(cè)量技術(shù)是建立在載波相位觀測(cè)值基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其配置包括以下3部分：（1）基準(zhǔn)站接收機(jī)；（2）移動(dòng)站接收機(jī)；（3）數(shù)據(jù)鏈。此次研究如何完成42公頃大比例尺露天地形測(cè)量工作?，F(xiàn)有設(shè)備有南方瑞得GPS一套（1基站+2流動(dòng)站），全站儀2臺(tái)，其他設(shè)備若干。配備專業(yè)技術(shù)人員5人。計(jì)劃5個(gè)月完成地形測(cè)量工作。為了完成公司安排的測(cè)量工作，結(jié)合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與現(xiàn)有設(shè)備情況，開展一系列研究工作，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)工作。

1 GPS測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量的比較

1.1 GPS的原理

GPS定位系統(tǒng)是利用在軌GPS衛(wèi)星、地面接收站、手持GPS定位裝置形成的一套用于位置確定、速度測(cè)量的系統(tǒng)，當(dāng)前GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)量、規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、建筑等諸多基礎(chǔ)性行業(yè)，為其提供詳實(shí)而準(zhǔn)確的位置信息，使各行業(yè)能夠得到基礎(chǔ)性地理信息的支持，進(jìn)而得到穩(wěn)定的發(fā)展。

簡要概述GPS原理就是利用衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和位置信息的無線電信號(hào)，由GPS接收機(jī)接收并進(jìn)行計(jì)算。由于傳輸?shù)木嚯x的差異，接收機(jī)接收到信號(hào)的時(shí)刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的時(shí)刻延遲，通常稱之為時(shí)延，因此，也可以通過時(shí)延的時(shí)間差與光速（電波速度）來確定點(diǎn)位之間的距離，通過解算，從而獲得該點(diǎn)的位置信息，即X、Y坐標(biāo)。

1.2 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

20世紀(jì)中葉，隨著工程建設(shè)需要，光學(xué)測(cè)量儀器成為主流測(cè)量設(shè)備，例如徠卡光學(xué)經(jīng)緯儀廣泛應(yīng)用于我國建國初期大范圍地形測(cè)量工作中。光學(xué)測(cè)量設(shè)備主要是利用測(cè)角、量邊方法對(duì)地形要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算公式得到大地坐標(biāo)。其特點(diǎn)是要求測(cè)站點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)間必須通視，并且在視距長度上有一定的限制，使得在進(jìn)行大面積的測(cè)量工作時(shí)，單位工作效率低，支導(dǎo)線之間測(cè)量點(diǎn)的精度差，數(shù)據(jù)量大且難以處理平差等諸多弊端。其優(yōu)勢(shì)在于不必考慮電波信號(hào)強(qiáng)弱等因素，在小范圍測(cè)量工作中，光電全站儀效率與GPS效率基本相當(dāng)；對(duì)于位移觀測(cè)等重復(fù)的測(cè)量任務(wù)，全站儀能夠形成完整的原始記錄，便于存檔備案復(fù)查等工作。對(duì)于高精度基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量，采用高精度全站儀測(cè)量依舊是大多時(shí)采用的辦法。

1.3 GPS測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

GPS空間定位技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量儀器通視要求的弊端。其具備任一點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量的、不需要通視的先決條件，避免了因遮擋而帶來的通視剛性需求，大大提高了作業(yè)效率；大范圍作業(yè)區(qū)域，不受距離視距設(shè)備限制；測(cè)量精度高，測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，誤差無累積；GPS操作簡便，定位精度高，其測(cè)量各點(diǎn)間的精度基本上是獨(dú)立的，減少了測(cè)量誤差傳播和積累。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度越來越高，體積越來越小，重量越來越輕，為快速獲取地形圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但GPS設(shè)備在野外實(shí)際工作中，存在部分地點(diǎn)信號(hào)較弱，無固定解的情況，降低測(cè)量工作效率。

1.4 南方瑞得儀器簡介

此次測(cè)量工作選用的是南方瑞得R6系列產(chǎn)品。其精度指標(biāo)如下：

碼差分GNSS定位：水平：0.25m+1ppm RMS；垂直：0.50m+1ppm RMS；SBAS差分定位精度：典型＜5m 3DRMS。

靜態(tài)GNSS測(cè)量：平面：±（2.5mm+0.5×10-6D）；高程：±（5mm+0.5×10-6D）。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量：平面：±（8mm+1×10-6D）；高程：±（15mm+1×10-6D）。

另外，此次工作的設(shè)備能夠全面接收北斗、GPS、GLONASS和Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)及各頻段數(shù)據(jù)，特別支持北斗三號(hào)全球衛(wèi)星信號(hào)，真正意義的全頻點(diǎn)、全星座解算定位。產(chǎn)品特性如下：

續(xù)航長，采用雙電池設(shè)計(jì)，6800mAh高能鋰電池，搭配6800mAh智能電池桿，輕松保證30h靜態(tài)作業(yè)，15h動(dòng)態(tài)應(yīng)用，支持熱插拔，無限續(xù)航；距離遠(yuǎn)、收發(fā)一體化全功能內(nèi)置電臺(tái)，典型作業(yè)距離8km，滿足常規(guī)作業(yè)所需；數(shù)據(jù)穩(wěn)定，4G全網(wǎng)通模塊，向下兼容，適用各種信號(hào)區(qū)域，更有多種配置可選，超遠(yuǎn)連接距離，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，兼容2.1標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)程管理主機(jī)、遠(yuǎn)程采集信息，應(yīng)用便利靈活，支持多種數(shù)據(jù)鏈傳輸，可用手簿、手機(jī)、平板，與手簿連接便捷穩(wěn)定，全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持現(xiàn)行主流CORS系統(tǒng)；搭載Linux系統(tǒng)平臺(tái)，內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)控溫、調(diào)整功耗，運(yùn)行穩(wěn)定；可借助wifi連接網(wǎng)絡(luò)，獲取數(shù)據(jù)，亦可開放wifi熱點(diǎn)，由多種設(shè)備接入，進(jìn)行更加豐富的設(shè)置與調(diào)整；IP67級(jí)工業(yè)防護(hù)，無懼風(fēng)雨侵襲，抗3m自由跌落；內(nèi)置IMU慣性測(cè)量傳感器，免校正，低延遲，超大60°測(cè)角，點(diǎn)到即測(cè)到。重量輕便，全新NFC閃觸配對(duì)技術(shù)，可快速建立通信數(shù)據(jù)鏈，擺脫傳統(tǒng)繁瑣的連接過程，獲得更順暢的使用體驗(yàn)。

2 GPS測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量相結(jié)合的施工方式

2.1 GPS與全站儀相結(jié)合的工作方式

根據(jù)現(xiàn)有的人員與設(shè)備情況，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)，將人員分為2組，分別為GPS組和全站儀組，并在測(cè)區(qū)周圍布設(shè)若干控制點(diǎn)，方便開展測(cè)繪工作。其中，主要區(qū)域?yàn)镚PS測(cè)量區(qū)域，其現(xiàn)場(chǎng)坡度較大，荊條等較高、較多；全站儀測(cè)量區(qū)域主要為山腳、溝底等地類特征較為明顯，且GPS信號(hào)較弱的地點(diǎn)；以此互補(bǔ)設(shè)備弱勢(shì)，發(fā)揮協(xié)作優(yōu)勢(shì)，大大提高作業(yè)效率。

2.2 使用GPS的測(cè)繪大比例尺地形圖的流程

首先到控制點(diǎn)附近架設(shè)基站，連接各部件后，開機(jī)并求取測(cè)區(qū)參數(shù)。流動(dòng)站到控制點(diǎn)去檢核，檢查精度為水平：平面校差不應(yīng)大于5cm，高程校差不應(yīng)大于3mm，滿足以上精度要求后，即可開始作業(yè)。一般為單人作業(yè)，一人到每個(gè)碎部點(diǎn)上立桿并記錄數(shù)據(jù)，在記錄數(shù)據(jù)時(shí)要求測(cè)量人員立點(diǎn)要準(zhǔn)確，盡量穩(wěn)住對(duì)中桿。采取點(diǎn)名編號(hào)分類測(cè)量點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)地類特征點(diǎn)的采集，外業(yè)測(cè)量存儲(chǔ)的文件是專用的DAT數(shù)據(jù)庫文件，不可直接用來給成圖軟件調(diào)用，用“測(cè)點(diǎn)成果輸出”功能可以把原數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為用戶所需要的CSV格式，轉(zhuǎn)換后的格式與所用軟件格式相一致，結(jié)合相應(yīng)軟件工具，可快速地完成數(shù)字化DTM三角網(wǎng)內(nèi)業(yè)成圖工作。日生產(chǎn)能力約為1000～2000點(diǎn)。

2.3 使用全站儀配合GPS測(cè)繪大比例尺地形圖的流程

首先，根據(jù)當(dāng)日生產(chǎn)任務(wù)，劃定大致測(cè)量區(qū)域，選取該區(qū)域的控制點(diǎn)作為測(cè)站點(diǎn)，并以另一個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)為后視點(diǎn)，架設(shè)全站儀。以此為中心，兩人持棱鏡進(jìn)行碎步點(diǎn)采集，一人點(diǎn)號(hào)為單號(hào)，一人點(diǎn)號(hào)為雙號(hào)，特征點(diǎn)由持棱鏡人員進(jìn)行記錄。通訊方式為旗語結(jié)合對(duì)講機(jī)方式。日生產(chǎn)能力約為500～1000點(diǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)的管理

每日GPS組完成外業(yè)測(cè)量后，將DAT數(shù)據(jù)庫文件導(dǎo)出，并注明測(cè)量日期；每日全站儀組完成外業(yè)測(cè)量后，將TXT文件導(dǎo)出，并注明測(cè)量日期；每周休息日對(duì)本周的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將兩種數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一存儲(chǔ)為CSV數(shù)據(jù)格式，并注明匯總?cè)掌?。每月將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行DTM三角網(wǎng)繪制，及針對(duì)特殊地類碎步點(diǎn)進(jìn)行剔除、轉(zhuǎn)移等方式進(jìn)行調(diào)整。繪制等高線圖為地形圖成果的底圖，另繪制例如山脊、道路、邊界線等特征點(diǎn)圖層，匯總后，檢查周工作成果，總結(jié)進(jìn)度，布置下周任務(wù)。

3 實(shí)際操作中需要注意的問題

3.1 原始記錄管理

雖然現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備高效性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，但傳統(tǒng)測(cè)量中，對(duì)于原始記錄的管理及誤差管理體系還是值得新時(shí)代測(cè)繪工作中給予保留的，尤其是GPS、全站儀等數(shù)字化儀器，檢查、復(fù)檢等工作是需要做好原始記錄的。此次工作，每日的檢核和控制點(diǎn)復(fù)測(cè)都是檢驗(yàn)設(shè)備精度和狀態(tài)的重要過程。并且要求每日將測(cè)量區(qū)域草圖進(jìn)行存檔。

3.2 儀器管理

此次工作采取集中對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。其中，施工前，將設(shè)備分為GPS組和全站儀組，并將其中的電池單獨(dú)存放，專人管理；每日出發(fā)工作前，各組負(fù)責(zé)檢查設(shè)備及配件是否齊全，組長檢查電池是否完成充電，以防止由于設(shè)備、配件不齊全影響作業(yè)量。分組管理的另一優(yōu)點(diǎn)在于回收設(shè)備時(shí)，避免了配件遺落現(xiàn)場(chǎng)的情況發(fā)生，從而才能持續(xù)的開展大范圍地形測(cè)量工作。

3.3 安全管理

此次工作時(shí)間從3月開始，預(yù)計(jì)持續(xù)到8月，跨越春夏兩季，又處在野外山間，安全管理要求不得不考慮，從兩方面開展，一方面是加強(qiáng)自身防護(hù)，除必要的勞動(dòng)保護(hù)用品外，增設(shè)了防蟲噴霧、防蛇鞋套及救援哨等，有效地提升了自身防護(hù)水平，確保了野外作業(yè)的人身安全；另一方面是加強(qiáng)用火管理，時(shí)值春夏山火高發(fā)期間，明確了野外禁止煙火的規(guī)定，有效的提升了防火意識(shí)，確保作業(yè)區(qū)安全。

3.4 環(huán)保管理

為了盡快完成測(cè)量工作，此次外業(yè)每日基本上連續(xù)作業(yè)5～7h，中間的補(bǔ)給按照單人的需求給與準(zhǔn)備，為確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境不受破壞、不受污染，要求食品、飲品的塑料包裝嚴(yán)禁亂扔，集中回收，集中處理，確保了作業(yè)區(qū)環(huán)境不受破壞。

4 關(guān)于現(xiàn)代測(cè)量儀器應(yīng)用的思考

此次工作歷時(shí)120天完成，比計(jì)劃提前30天，隨著工作開展，每日工作熟練度及配合也相應(yīng)提高，工作流程及標(biāo)準(zhǔn)有效得到保證，測(cè)量成果符合既定要求，得到了設(shè)計(jì)單位的一致認(rèn)可。但依舊存在一些問題，可進(jìn)一步改進(jìn)提高。

4.1 設(shè)備效率與人員體力協(xié)調(diào)組織的思考

目前，測(cè)量設(shè)備的續(xù)航基本能夠滿足全天候施工的情況，反觀就是人員的體能是達(dá)不到每日滿負(fù)荷開展工作的，尤其是野外深山中，作業(yè)人員雖然一直維持5人，但期間輪換了多人以滿足外業(yè)人員體能消耗的補(bǔ)充，解決方案一是增加流動(dòng)站，縮短作業(yè)時(shí)間；二是制定相應(yīng)的輪班制度，確保外業(yè)作業(yè)人員體能滿足作業(yè)需求；三是采取新技術(shù)降低人員作業(yè)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。

4.2 三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)與無人機(jī)融合應(yīng)用聯(lián)想

此項(xiàng)目于2016年實(shí)施，當(dāng)時(shí)三維激光掃描技術(shù)剛投放市場(chǎng)，設(shè)備價(jià)格高居不下，均為固定式掃描設(shè)備，并且其設(shè)備與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不相符，現(xiàn)場(chǎng)較多荊條、樹林等，掃描出的圖像難以滿足要求，未能實(shí)現(xiàn)。但隨技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式，結(jié)合無人機(jī)能夠大范圍進(jìn)行地形掃描，結(jié)合配套的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠剔除荊條及樹林等地表附著物，基本能夠?qū)崿F(xiàn)地形測(cè)量的精度指標(biāo)，如現(xiàn)階段開展此類工作，可以研究開展三維激光掃描結(jié)合無人機(jī)的形式開展，大大減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

4.3 基于遙感影像技術(shù)結(jié)合外業(yè)特征點(diǎn)核實(shí)應(yīng)用的聯(lián)想

隨著測(cè)繪與計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展，航空測(cè)繪技術(shù)突飛猛進(jìn)，基于遙感影像技術(shù)延伸而來的無人機(jī)航飛測(cè)量也基本能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍大比例尺地形圖測(cè)量工作，并且結(jié)合相應(yīng)的軟件，能夠?qū)?shí)測(cè)的地形結(jié)合影像，形成三維立體圖形，實(shí)測(cè)地形的坐標(biāo)、高程精度高，作業(yè)效率更高，42公頃范圍預(yù)計(jì)航飛一周，就能完成外業(yè)測(cè)繪工作，如結(jié)合GPS對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行采集，與航飛影像坐標(biāo)進(jìn)行校對(duì)，可完全替代人工碎步測(cè)量。

5 結(jié)語

隨著測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描、無人機(jī)航飛影像測(cè)量及內(nèi)業(yè)處理軟件的日益強(qiáng)大，相比較過去人海戰(zhàn)術(shù)的測(cè)量方式，科技不僅僅改變了工作方式，還改變了工作模式的思維，應(yīng)用科技，實(shí)現(xiàn)高效、安全、智能的高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，為大范圍大比例尺地形圖測(cè)量工作提供解決方案。