工程地形图的测量技术与应用

刘华章

云浮市地理信息中心527300

摘要：工程地形图是开展工程规划、工程建设、工程管理等工作的重要依据，而施测工程地形图有较高的质量和进度要求，为此本文对全站仪数字化测图、GPS-RTK地形图测量、数字摄影地形图测量的技术原理与精度控制进行了分析，并结合工程案例对全站仪与GPS-RTK联合施测工程地形图的应用进行了阐述。

关键词：工程地形图；测量

工程地形图主要用于工程规划、工程建设、工程管理等方面，其测量方法分为白纸测图和数字化测图两种方法。白纸测图是地形图测量的传统方法，利用大小平板仪、经纬仪、平板仪与经纬仪结合等方法进行测图，实质为图解法制图，外业工作量大，图形信息承载量少，编辑、修改和变更极不方便，难以适应信息化时代经济建设的需要，有人也将这种方法称为模拟测图法[1]。数字化测图是以计算机及其软件系统支持下的测量技术，目前主要采用全站仪、GPS-RTK、数字摄影测量、遥感测图等技术，具有点位精度高、作业方便快捷、图件更新方便、地图表现力强等优势[2]，成为当前工程地形图测量的主要方法。本文结合工程案例对工程地形图的测量技术与应用进行分析和阐述。

1全站仪数字化测图技术

1.1测量原理

全站仪数字测图分为外业数据采集、内业数据处理和图形输出几部分。外业数据采集又分为控制测量和碎部测量。按测量层次，控制测量分为基本控制测量与图根控制测量；按测量类别，控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量一般采用GPS测量、导线测量等方法。高程控制测量采用几何水准测量、光电测距三角高程测量等方法。碎部测量主要采用极坐标法，当然也可以采用前方交会、后方交会等方法。内业数据处理，将数据传输到计算机中，利用记事本打开dat格式文件，对数据进行检查，然后将同一控制网内的数据进行合并。结合外业草图，利用数字化成图软件进行处理，并按地形图图示规定标记地物符号。地形图经过检查验收即可输出电子图，或打印成纸质图。

1.2精度控制

全站仪数字化测图的精度分为地形点平面位置精度和高程精度。平面位置精度由待测点平面点位中误差、水平距离中误差、水平角中误差三部分组成。高程采用三角高程测量时，高程中误差由仪器中误差与棱镜高中误差、竖直角中误差组成。通过测量实践可以发现，全站仪测图的点位误差主要受到测角误差影响，特别是棱镜偏心造成的测角误差影响尤为显著。对中误差也有一定影响。测距长度对点位精度的影响随测距长度增加而下降[3]。因此，地形测量应当提高对中精度，特别是提高棱镜对中和棱镜杆铅垂的精度。同时，还需要控制待测点偏心和测距长度，以便进一步提高测量精度。在高程测量精度影响方面，测距误差、仪器高测量误差、棱镜高度测量误差、竖直角测量误差程度相当，所以需要谨慎对待，避免因某一种因素导致高程测量误差突然增大。

2GPS-RTK地形图测量技术

2.1测量原理

GPS-RTK是一种实时动态定位技术，利用了GPS载波相位观测量以及基准站与流动站之间观测误差的空间相关性，通过差分处理将流动站观测数据误差中的大部分抵消掉，从而获得厘米级的定位精度。在这种作业模式下，基准站将其GPS观测值与坐标数据传输给流动站，流动站通过数据链接收来自基准站的数据，加上GPS观测值，就可以在系统内进行差分处理，所以该技术的关键是数据传输与处理技术。在进行地形测量时，先要对GPS网进行优化，选择一个地势高、无遮挡的位置架设基准站；另外还要按照星历预报结果选择最佳作业时间。由于GPS-RTK以WGS-84坐标系测量高程为大地高，而地形测量采用正常高系统测量高程为正常高，两者之间存在异常高。计算异常高一般采用拟合法，例如二次曲面拟合法在测区首级控制网为GPS网，且具有分布均匀的水准重合点，以及WGS-84、BJZ54两套坐标系成果的条件下，可以满足图根控制测量的需要。

2.2精度控制

GPS-RTK测量精度主要取决于人为测量误差、测量环境引起的误差、基站因素、GPS观测引起的误差、高程异常引起的误差等方面[4]。人为测量误差包括测量前有无初始化、手持杆是否垂直以及操作熟练程度等因素。测量环境中的电磁干扰、高大物体遮挡等会影响测量精度，所以应远离高压线、通讯塔以及高大的建筑物和树木。基准站架设的控制点精度、基准站信号强弱等因素对流动站测量精度有影响，所以基准站应设在地势高、无遮挡的位置，另外坚持每日作业前后、作业过程中进行比测，可提高测量数据的可靠性。GPS观测误差包括星历误差、电离层误差、对流层误差、卫星钟误差、信号传播延迟等。在平原小范围区域上述因素一般影响不大，如果测区较大应对测区进行分割，计算局部转换参数，并进行相邻小区结合带的比测，以确保测量精度。

3数字摄影地形图测量技术

3.1测量原理

数字摄影测量是以数字影像和摄影测量技术为基础，并利用计算机技术进行影像分析与处理，以获得多种形式数字产品。根据摄影平台，主要有航空摄影测量、地面摄影测量和近景摄影测量。航空摄影测量分为高中空航空摄影测量、低空航空摄影测量。前者摄影平台是有人飞机，用于大面积航摄及中、小比例尺地形图测量；后者摄影平台主要是无人机，用于小面积航摄及大比例尺地形图测量。随着我国无人机摄影测量平台的迅速发展，工程地形图测量上已越来越多的应用这种技术，所以关注这种技术非常有必要。低空无人机地形图测量的生产流程为：无人机低空摄影→像控布设与量测→区域网空三加密→制作DOM（数字正射影像）和DEM（数字高程模型）→内业立体判测→测制高程点、等高线及外业调绘补测→内业编辑、检查→修改成图。

3.2精度控制

与有人飞机相比，无人机飞行姿态控制能力较弱，容易受到天气影响；而且非量测相机成本低、容易搭载，但内方位元素未知，或者精度不高；影像畸变差过大等[5]。目前，一般采用GPS进行像控点测量，测量精度有保证，但像控点影像目标精度影响较大，这是因为无人机航摄相片重叠度高，所以应先在测区范围内布设像控点目标，这样可提高像控点精度。非量测相机影像畸变严重，又不够稳定，建立二维乃至三维控制场，并在测量前后进行检校和标定，以及采用金属架固定相机镜头，可改善影像畸变对测量精度的影响。无人机基高比小（与有人机对比0.14/0.29），所以高程测量精度较有人机低1倍以上，通过调整相机摆向（转过90°角）和减小相片重叠度，以增加基高比和提高高程精度。飞行方案的控制也很重要，这包括航速、航高等因素。航速应控制在80km/h，航高取决于测量目标和基高比平衡的结果，例如35mm镜头，航高273m，GSD（影像地面分辨率）为5cm，地面高程精度为12.2cm；而航高为547m，GSD为10cm，地面高程精度为24.3cm。无人机航摄一般采用区域网，布设野外控制点的方法与有人机航摄测量类似，控制点航向跨度可以适当放宽，例如1：2000地形图测量可放宽至20～30条基线，但应当布设一些检查点。

4全站仪与GPS-RTK联合地形图测量技术应用

4.1工程概况

某测区面积约1.75km2，丘陵地貌，地形较为复杂，含2个主要山体，山上有树木和杂草，1个村庄和1个工业园区为建筑密集区。测区内有2个GPS四等点，在测区附近还有1个GPS四等点，这3个点均保存完好，可作为图根控制的起算点。

4.2测量方案

根据测区情况，决定采用全站仪与GPS-RTK联合测量方案，利用GPS-RTK测量图根控制点，再利用全站仪与GPS-RTK联合测量碎部点。这样做的好处是克服全站仪作业过程中工序过多的弊端，可以提高作业效率，同时联合测量方案也解决了全站仪水平方向遮挡和GPS-RTK上方遮挡问题，避免了单独使用全站仪或GPS-RTK的局限性[6]。本方案碎步测量中，接收卫星信号好的平地、山坡采用GPS-RTK测量，涵洞、山地及上方有遮挡的地方采用全站仪测量。

4.3作业主要标准依据

1）《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2009）；

2）《工程测量规范》（GB50026-2007）；

3）《城市测量规范》（CJJ/T8-2011）；

4）《测绘产品质量评定标准》（CH1003-1995）；

5）《1:5001:10001:2000地形图数字化规范》（GB/T17160-2008）。

4.4仪器设备与成图规格

本次测图采用徕卡GPS1200接收机1套、徕卡TPS1200全站仪2台套。成图比例尺为1：2000，等高距为1m。平面坐标采用当地坐标系统，高程采用1985年国家高程基准。成图软件采用南方CASS7.0，成图时不分幅。

4.5作业方法

首先，选择地势较高、视野开阔楼房楼顶架设基准站，并设置相关参数。然后，设置流动站并进入测量模式。再根据需要利用已知点对所选坐标点进行校正。利用GPS-RTK为全站仪测图设置图根点，并做好点位标记。随后利用RTK模式对视野开阔的田野、公路、河流、水塘等测量区域进行全数字野外数据采集，而对建筑密集的村庄及GPS信号遮挡测量区域进行全站仪全数字野外数据采集。

4.6数据处理

为了使RTK、全站仪采集的数据与南方CASS软件展点数据格式统一，需要对输出数据进行整理，按“点位编号，逗号，X坐标，Y坐标，高程”的数据格式存为.dat文件。输入计算机后，参照外业草图在CASS7.0软件界面进行编辑操作。

4.7成果校核

在测区布设2条附合导线，起算点设为已知GPS点。对20个图根点进行了联测检查。图根点相对于相邻点位中误差与高程中误差见表1。利用表1数据统计图根点点位中误差±0.043m，高程中误差±0.063m，可见误差小于CJJ/T8-2011第6.3节表6.3.2规定的误差限值（点位中误差≤图上0.3mm=实际0.6m，高程中误差≤1/10×H=实际0.1m），满足图根控制和碎部点的精度要求。

注：△X、△Y为坐标X、Y方向的较差，△P、△H分别为点位较差和高程较差。

5结语

随着信息化时代的到来，工程地形图测量技术正向数字化、内外业一体化、测绘自动化方向发展，数字化测绘技术的应用不仅极大地提高了作业效率，测量精度也有显著改善。但是新技术的应用也对测量方法和质量控制提出了不同的要求，测量人员应当尽快熟悉和掌握新的测量技术，否则就无法发挥出新技术所带来巨大好处。

参考文献：

[1]赵节霞.工程地形图测量技术应用研究[J].测绘通报，2013(S1)：216-218.

[2]张国辉.工程测量实用技术手册[M].中国建材工业出版社，2009.

[3]赵桂生.全站仪大比例尺数字测图地形点位精度分析[J].北京测绘，2014(6)：100-114.

[4]焦崇明，肖建兵，王洪斌.GPS-RTK技术在小区域地形图测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2009,32(2)：147-149.

[5]朱正荣，李少龙.无人机摄影测量用于大比例尺地形图测绘的实践[J].测绘标准化，2014,30(1)：23-26.

[6]孟凡超.GPS-RTK与全站仪联合作业在数字测图中的应用[J].北京测绘，2010(2)：57-60.