紅沙梁煤礦建設(shè)項目用地1:1000地形圖測圖技術(shù)設(shè)計淺析

盧紅梅

（甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊，甘肅 蘭州 730020）

大比例尺數(shù)字測圖[1]是一項精度要求較高、作業(yè)環(huán)節(jié)較多、組織管理較復(fù)雜的測繪工作。為了保證數(shù)字測圖工作的合理安排、正確實施，各工序之間的密切結(jié)合，使成果、成圖符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求以獲得最佳的社會效益和經(jīng)濟效益，必須在施工前進行技術(shù)設(shè)計。

該設(shè)計針對窯街煤電集團酒泉天寶煤業(yè)有限公司紅沙梁煤礦1∶1 000測圖工程從控制測量、數(shù)據(jù)采集、成果的檢查及驗收等環(huán)節(jié)都做了具體的安排。通過此次項目的實施對控制、數(shù)字測圖、成果的檢查及驗收等各個細(xì)節(jié)能有具體地了解，同時加深理論知識并提高業(yè)務(wù)水平，為以后的大比例尺地形圖測繪工作提供了較好的指導(dǎo)作用。

1 概述

1.1 任務(wù)概述

測區(qū)位于甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣馬鬃山鎮(zhèn)吐魯-紅沙梁礦區(qū)，地理范圍：東經(jīng)96°33′23.0″～96°39′17.7″，北緯41°36′47.8″～41°45′56.6″，礦區(qū)東北距馬鬃山鎮(zhèn)35 km，距京新高速馬鬃山鎮(zhèn)出入口40 km，南距玉門市180 km，礦區(qū)內(nèi)有便道可通行汽車，向東南的便道與G215國道相連，沿國道向南至連霍高速橋灣出入口，交通較為便利。測區(qū)地處戈壁荒灘，呈現(xiàn)干旱荒漠地貌景觀，周圍低山丘陵低矮平緩，地勢比較平坦，最高海拔2 010 m，最低海拔1 855 m。測區(qū)屬大陸性氣候，夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，氣候干燥、降水少、蒸發(fā)量大。無常年河流與湖泊，雨季時有暫時性洪水，地表全為第四系砂、泥、礫覆蓋，植物不發(fā)育，僅在盆地低洼處有稀疏的雜草，干旱多風(fēng)，春冬為風(fēng)季。本次測量工作的任務(wù)是在窯街煤電集團酒泉天寶煤業(yè)有限公司紅沙梁煤礦區(qū)一定范圍內(nèi)建立GNSS平面控制網(wǎng)，高程控制網(wǎng)，然后測繪1∶1 000比例尺地形圖。

1.2 已有資料和起算數(shù)據(jù)

測區(qū)內(nèi)控制測量起算點由甘肅省測繪工程院提供C級GNSS控制點4個，至少2個互相通視；四等水準(zhǔn)點2個，經(jīng)初步踏勘標(biāo)志完好，勘檢核驗無誤，成果可作為本次測量起算成果。

1.3 坐標(biāo)系統(tǒng)及投影帶

1）平面坐標(biāo)采用2000年國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000），高斯3度帶正形投影，中央子午線96°。

2）高程采用1985年國家高程基準(zhǔn)。

3）控制測量精度：本次GNSS E級控制網(wǎng)精度要求見表1。

表1 E級GNSS測量的精度要求

4）基本等高距：由于測區(qū)大部分為丘陵及山地，等高距采用1 m。

2 平面控制測量

2.1 起算數(shù)據(jù)的檢測和配置

利用已知點之前對其精度要進行檢核，所以用四等精度對C級GNSS平面已知控制點進行觀測。觀測后，分別對這幾個控制點之間的基線進行解算，通過約束平差算出控制點的坐標(biāo)，得出最弱邊相對中誤差[2]，本次工程最弱邊相對中誤差不低于1/120 000時即可用來做本次E級控制網(wǎng)的起始數(shù)據(jù)。

2.2 GNSS點的選取

本次工程的選點工作需要在充分了解測區(qū)地形、地物等有關(guān)條件后，再根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GNSS）城市測量技術(shù)規(guī)范》選點原則，劃分作業(yè)區(qū)并進行踏勘，在視野開闊的地方埋石布GNSS點。

GNSS點位選取應(yīng)有利于測量設(shè)備的聯(lián)測與通視要求，并且符合規(guī)范要求。（1）點位地理條件較好，地質(zhì)條件堅實穩(wěn)固，有利于點位的長期安全保存；（2）能夠滿足儀器架設(shè)和操作方便，保證儀器觀測的凈空要求，確保可視條件下觀測衛(wèi)星截止角不小于15°；（3）GNSS點位的標(biāo)石制作應(yīng)采用普通混凝土現(xiàn)場澆筑或預(yù)制，標(biāo)石規(guī)格大小應(yīng)為（上部20 cm×20 cm，底部為40 cm×40 cm，高40 cm），混凝土標(biāo)石的中心采用不銹鋼或其他十字標(biāo)志安置，E級控制點編號為“E01”“E02”“E03”……“E38”。

布設(shè)GNSS點的時候應(yīng)該充分考慮到點的利用效率，用最少的點完成最多的工作。GNSS點位選定應(yīng)滿足控制網(wǎng)布設(shè)原則，確定點位概略位置后制作點位選點圖，對點位布設(shè)方法及原則編寫選點工作總結(jié)。

2.3 GNSS點的埋石與點之記

GNSS網(wǎng)控制點埋設(shè)可選用預(yù)制混凝土標(biāo)石或者在現(xiàn)場澆筑方法，將選定網(wǎng)點按照標(biāo)石規(guī)格大小在坑底鋪設(shè)沙石，坑內(nèi)澆筑混凝土搗實后在表面用細(xì)沙石抹面均勻，在標(biāo)石中心設(shè)置帶有十字絲的精確標(biāo)志，同時確保新埋設(shè)標(biāo)石穩(wěn)固不受破壞。在基巖露頭地區(qū)，也可以在基巖上嵌入金屬標(biāo)志。每個點位標(biāo)石埋設(shè)后，應(yīng)填寫點之記并提交詳細(xì)資料。

2.4 GNSS網(wǎng)觀測

GNSS控制網(wǎng)觀測開始前應(yīng)對測區(qū)進行衛(wèi)星可見性分析，預(yù)測該時段衛(wèi)星可見數(shù)及運行狀況，提高控制網(wǎng)觀測質(zhì)量。衛(wèi)星預(yù)報分析表主要包括衛(wèi)星數(shù)及衛(wèi)星號、衛(wèi)星截止高度角和方位角、最佳衛(wèi)星觀測時間及衛(wèi)星組，以及衛(wèi)星觀測質(zhì)量點位PDOP值等內(nèi)容。衛(wèi)星預(yù)報分析表采用測區(qū)平均中心位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確保測區(qū)范圍全覆蓋；分析預(yù)報時間采用觀測作業(yè)的平均時間，確保觀測時段內(nèi)衛(wèi)星質(zhì)量滿足要求。作業(yè)組在外業(yè)觀測前應(yīng)制作外業(yè)觀測記錄表，根據(jù)靜態(tài)觀測接收機臺數(shù)，GNSS網(wǎng)型設(shè)計及點位布設(shè)圖，GNSS衛(wèi)星可見性預(yù)報分析表等制定工作計劃，外業(yè)觀測工作記錄表應(yīng)寫明測站名稱、測站點號、接收機號、觀測時間以及天氣狀況等內(nèi)容。觀測時應(yīng)使接收機天線指向正北，定向誤差小于±5°。觀測前量取三次天線高，量取角度互為120°，平均天線高小于3 mm。

1）觀測前對所有設(shè)備進行檢核，確保接收機等觀測設(shè)備滿足觀測要求。

2）GNSS控制網(wǎng)觀測采用5臺華測i70雙頻接收機以靜態(tài)方法施測，儀器標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm，E級GNSS網(wǎng)觀測精度要求最弱邊中誤差不超過1/45 000。

3）本次觀測考慮測區(qū)條件及網(wǎng)型布設(shè)要求，觀測時段采用2 h，觀測衛(wèi)星數(shù)不少于5顆，衛(wèi)星高度截止角大于等于15°，數(shù)據(jù)采樣間隔15 s，GNSS網(wǎng)點位幾何強度因子PDOP值不大于6。

4）觀測過程中，確保接收機周圍無信號干擾，不隨便接打電話和使用對講機，定期檢查接收機衛(wèi)星及星歷記錄狀態(tài)，及時填寫觀測記錄，將測站點名、點號、觀測時間、觀測時段、天線高等信息記錄表中，見表2。

表2 E級GNSS控制網(wǎng)野外觀測的技術(shù)要求

2.5 GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與成果精度

1）外業(yè)觀測數(shù)據(jù)處理。觀測結(jié)束后將不同時段接收機觀測記錄導(dǎo)入華測CGO2.0處理軟件，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、HCN及天線高的量測方式，確保文件號及測站名的正確?；€處理過程中設(shè)置衛(wèi)星高度截止角15 s，采樣間隔為15″，最小歷元數(shù)5，基線解算過程中采用基線類型均為雙差固定解，對基線的比率、參考變量、RMS進行核查后滿足要求。

基線解算在華測CGO2.0處理軟件設(shè)置完畢后自動解算，基線解算的起始數(shù)據(jù)是不同時段接收機觀測的衛(wèi)星廣播星歷坐標(biāo)值，不同的觀測點坐標(biāo)采用觀測時長不少于2 h單點定位的WGS-84坐標(biāo)值，基線解算使用雙差固定解數(shù)據(jù)處理模型，閉合環(huán)搜索深度設(shè)置為3，對觀測文件中衛(wèi)星星歷殘差較大以及周跳較多的衛(wèi)星信號進行處理和刪除，基線解算結(jié)果可同時檢查同步環(huán)和異步環(huán)閉合差值。針對相同觀測時段中基線質(zhì)量差的數(shù)據(jù)剔除率小于10%，采用不同數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型的單基線模式或雙基線模式解算基線，構(gòu)成完全獨立基線構(gòu)成閉合環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差、全長相對閉合差以及環(huán)的最大坐標(biāo)分量閉合差應(yīng)滿足規(guī)范要求[3]。

2）外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。觀測成果的外業(yè)檢核是基線解算及平差精度重要保證，當(dāng)天外業(yè)觀測結(jié)束后應(yīng)及時將數(shù)據(jù)備份記錄，并對觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與檢核，以發(fā)現(xiàn)觀測過程中存在不合格的數(shù)據(jù)，對問題數(shù)據(jù)進行分析整理，不合格數(shù)據(jù)應(yīng)進行重測或補測。檢核外業(yè)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)注意以下幾點：

（1）同步觀測邊的檢核：檢核各同步觀測基線的方差比（ratio）及均方差（rms）。GNSS E級控制網(wǎng)基線方差比大于3.0符合控制網(wǎng)的測量要求。對于地形條件比較困難地區(qū)可適當(dāng)放寬條件，將方差比調(diào)至2.0。

（2）重復(fù)基線邊的檢核：不同時段多次觀測同一條基線邊稱為重復(fù)基線邊。重復(fù)基線邊的邊長觀測互差應(yīng)小于E級規(guī)定精度的2倍。不同觀測時段的基線邊長度應(yīng)與其重復(fù)基線平均值之差不能超過E級網(wǎng)的規(guī)定精度。

（3）異步觀測環(huán)和同步觀測環(huán)閉合差的檢核：對于同步環(huán)以及異步環(huán)觀測邊長構(gòu)成的閉合圖形邊長閉合差、分量限差、總限差以及相對誤差應(yīng)滿足一定的規(guī)范要求。要求GNSS E級網(wǎng)最弱邊邊長相對中誤差要小于1/45 000，最弱點點位中誤差不得大于±0.05 m。

3 高程控制測量

3.1 高程系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)

根據(jù)本次項目任務(wù)及規(guī)范要求，該測區(qū)1∶1 000地形圖測繪高程系統(tǒng)采用正常高程系統(tǒng)，按照1985年國家高程基準(zhǔn)起算。

3.2 水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)計方案

本次水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)采用4個國家三等水準(zhǔn)點為起算點，在這4個點的控制下布設(shè)了四等水準(zhǔn)網(wǎng)[4]，采用DS3水準(zhǔn)儀在測區(qū)由南向北約30 km進行四等水準(zhǔn)測量，余下5 km采用GNSS擬合高程方法代替五等水準(zhǔn)測量來完成。

3.3 水準(zhǔn)觀測

3.3.1 儀器的選擇與檢驗

此次水準(zhǔn)測量采用DS3水準(zhǔn)儀，在施測之前檢查水準(zhǔn)儀的分劃線和注記是否粗細(xì)均勻、明顯清晰，望遠鏡視場是否明亮、均勻等。

3.3.2 水準(zhǔn)觀測的技術(shù)要求

四等水準(zhǔn)主要技術(shù)要求見表3、表4。

表3 水準(zhǔn)測量的主要技術(shù)要求

表4 水準(zhǔn)觀測技術(shù)要求

3.4 水準(zhǔn)網(wǎng)平差

數(shù)據(jù)處理時可采用平差易軟件進行平差工作。要求閉合差、容許閉合差應(yīng)符合四等水準(zhǔn)測量規(guī)定。按照規(guī)范要求水準(zhǔn)網(wǎng)平差結(jié)果精度要求應(yīng)滿足規(guī)程規(guī)定的每公里高差中誤差為±10 mm。

4 數(shù)字線劃圖制作

4.1 測圖比例尺

本次工程測區(qū)要求用1:1 000的比例尺測圖。

4.2 基本等高距

根據(jù)規(guī)范要求同一測區(qū)大比例尺地形圖應(yīng)采用同一種基本等高距，由于本測區(qū)大部分為丘陵及山地，按照規(guī)程故采用1 m等高距。

4.3 外業(yè)測圖

外業(yè)測圖過程中主要采用RTK技術(shù)方法，克服了傳統(tǒng)外業(yè)測量要求兩點間光學(xué)通視，只需要滿足主機和流動站進行數(shù)據(jù)交換，采用RTK和全站儀結(jié)合測圖可以有效避免大建筑物及茂密植物下難以接受衛(wèi)星和無線電信號的情況。采用全站儀進行測繪須建立圖根控制網(wǎng)[5]，可利用RTK實時給出圖根點的三維坐標(biāo)，全站儀架設(shè)測站進行數(shù)據(jù)采集，必要時外業(yè)測圖需繪制草圖。

4.4 內(nèi)業(yè)成圖

野外采集數(shù)據(jù)存儲在全站儀和GNSS手簿內(nèi)，應(yīng)及時傳輸?shù)接嬎銠C中，數(shù)據(jù)傳輸軟件采用南方CASS7.0數(shù)字化地形地籍成圖軟件。當(dāng)日測繪成果須及時備份整理，對照外業(yè)測繪草圖建立繪制編碼，根據(jù)成圖軟件分層繪制，先繪制平面及高程控制點、圖根點、河流、道路等地物，將地形圖大致劃分分區(qū)；其次繪制區(qū)域內(nèi)地物要素，包括房屋、植被、橋梁、陡坎等；最后根據(jù)高程信息繪制等高線，注意等高線不能切割地物要素如房屋、道路等。

地物要素繪制過程中應(yīng)先進行展點定位確定繪制范圍，對照外業(yè)測繪草圖及點位坐標(biāo)和點號直接采集要素，要素符號應(yīng)滿足圖式符號規(guī)范要求；對內(nèi)業(yè)判斷不準(zhǔn)確或含糊不清的應(yīng)及時進行外業(yè)調(diào)繪工作，制作外業(yè)調(diào)繪工作底圖并標(biāo)記清楚。道路通過居民地不可隨意中斷，應(yīng)根據(jù)實際情況表示，公路進入城區(qū)時，公路符號以街道線代替；永久的電力線、通訊線應(yīng)表示，同一桿架上有多種線路時，只表示主要的一種。不同類型的建筑物應(yīng)盡量按照房屋外輪廓特征點采集，不應(yīng)該進行統(tǒng)一綜合處理。河流、湖泊、水庫、水塘通常以岸邊線繪出，不繪水涯線。岸邊線和水崖線應(yīng)分別表示清楚，當(dāng)圖式要素在水平投影間距大于1 mm時應(yīng)繪制斜坡線。繪制有水生作物的水塘或魚塘?xí)r，應(yīng)繪制清楚水生作物符號及水生作物名稱。

分幅圖完成后，按照接圖表各分幅圖順序依次將圖拼接到一起，合成整個測區(qū)的合圖，即完成繪圖工作。數(shù)據(jù)圖層明細(xì)表見表5。

表5 數(shù)據(jù)圖層明細(xì)表

5 成圖精度分析

為評價采用RTK技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量手段繪制大比例尺地形圖的測量精度，本次檢驗通過實地選取測區(qū)均勻分布的10個平面檢查點和20個高程檢查點進行野外測量，獲取檢查點實地三維測量坐標(biāo)，根據(jù)實地點位在大比例尺地形圖上位置來計算實測坐標(biāo)與量測坐標(biāo)平面誤差，對比分析檢查點平面和高程精度是否符合規(guī)范要求。

5.1 平面精度檢查

針對該測區(qū)內(nèi)地形圖檢查點的平面精度檢驗，主要采用GNSS-RTK技術(shù)結(jié)合甘肅省衛(wèi)星連續(xù)運行參考站（GSCORS）系統(tǒng)，采用野外散點法均勻選取測區(qū)內(nèi)10個平面檢查點，分別對其觀測3次取平均值作為最終結(jié)果，并對實測坐標(biāo)和圖上量測坐標(biāo)進行了對比分析，平面精度統(tǒng)計分析見表6。

表6 地形圖檢查點平面精度分析

由表6可得10個不同檢查點實測坐標(biāo)和量測坐標(biāo)的平面坐標(biāo)誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)ΔX、ΔY 和ΔXY。按照點位坐標(biāo)中誤差計算公式可計算檢查點的點位中誤差mΔXY[6]，見公式（1）。

式中：mΔXY為檢查點的點位中誤差，ΔXY為檢查點實測坐標(biāo)與量測坐標(biāo)的點位誤差，n為檢查點個數(shù)。

平面精度檢查點共選取10個，采用點位中誤差公式計算得到該測區(qū)內(nèi)不同檢查點平面精度的點位中誤差為±0.086 m 。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2020）規(guī)定外業(yè)檢核圖上地物點相對于鄰近平面控制點的平面位置中誤差mΔXY不應(yīng)大于圖上0.8 mm要求，按照1∶1 000地形圖測圖要求即實測允許平面坐標(biāo)點位中誤差的限差為±0.8 m。本次1∶1 000地形圖平面坐標(biāo)點位中誤差±0.086 m，小于規(guī)范允許限差±0.8 m要求，可知檢查點位中誤差滿足1∶1 000地形圖測圖精度要求。

5.2 高程精度檢查

為檢驗該測區(qū)內(nèi)地形圖檢查點的高程精度，通過在測區(qū)均勻?qū)崪y20個檢查點高程，實測點高程與之對應(yīng)點位的圖上高程主要通過等高線內(nèi)插方法計算出，通過實測點與量測點高程誤差分析并計算檢查點高程中誤差，統(tǒng)計分析見表7。

表7 地形圖檢查點高程精度分析

根據(jù)檢查點實測高程與量測高程誤差對比分析可得到20組不同點位高程差值ΔH，通過高程中誤差公式（2）[7]可得到該檢查點的高程中誤差mΔH。

式中：mΔH為檢查點的高程中誤差，ΔΗ為實測點與量測點的高程誤差，n為檢查點個數(shù)。

根據(jù)中誤差公式計算得出該組檢查點的高程中誤差為±0.545 m，最大高程誤差為-0.98 m，最小高程誤差為-0.13 m。依據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2020），要求1∶1 000地形圖地形類別為丘陵及山地的高程中誤差限差為±1 m，由此可知本次檢查點高程精度能滿足1∶1 000比例尺的精度要求。

6 結(jié)論

隨著全球衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方法正被日益發(fā)展的GNSS技術(shù)所取代，GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)方法越來越靈活、簡單，被大量測繪項目廣泛應(yīng)用。針對測區(qū)為復(fù)雜地形，計劃以對點形式布設(shè)控制點，采用GNSS技術(shù)將為全野外大比例地形圖測繪創(chuàng)造有利條件。

此次工程全程用四等水準(zhǔn)施測要花費較長時間，用擬合高程代替五等水準(zhǔn)，并進行少量檢驗，在測量平面坐標(biāo)的同時，也得到了高程數(shù)據(jù)，既減少了工作量，也提高了工作效率。技術(shù)設(shè)計采用了創(chuàng)新的技術(shù)方法，利用RTK配合GSCORS系統(tǒng)進行工作，它具有需要的測量人員少、速度快、不需要同時觀測、精度高等特點，并符合規(guī)范規(guī)定及技術(shù)要求，可用于指導(dǎo)相關(guān)測繪生產(chǎn)。設(shè)計從控制測量、測圖及成果的精度分析都做了具體的技術(shù)安排，使技術(shù)設(shè)計更專業(yè)化、現(xiàn)代化，提高了作業(yè)人員分析、解決實際問題的能力。