湯廖文

（增城市國(guó)土資源和房屋管理局地籍測(cè)量隊(duì)，廣東 增城 511300）

1 背景

數(shù)字地形圖便于使用、儲(chǔ)存和繪制，但目前大部分?jǐn)?shù)字地形圖仍然是二維的，即所有的高程點(diǎn)和所有線上的特征點(diǎn)只反映其平面位置，而不反映其高程，地形圖中所有的點(diǎn)和線都是二維的。為了克服二維數(shù)字地形圖在空間表示和應(yīng)用方面的不足，三維數(shù)字地形圖應(yīng)運(yùn)而生。在三維數(shù)字地形圖中，特征點(diǎn)和特征線都是三維的，這使得計(jì)算或查詢(xún)線狀地物上任意兩個(gè)特征點(diǎn)間空間折線段的長(zhǎng)度；查詢(xún)?nèi)我馓卣鼽c(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程即三維坐標(biāo)；繪制線狀地物上任意兩個(gè)特征點(diǎn)間的縱斷面圖；測(cè)量或查詢(xún)?nèi)我鈨蓚€(gè)特征點(diǎn)之間的傾斜距離、水平距離、高差、坡度、水平方位角和空間方位角變成可能。這些功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于線狀地物的工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)如灌渠路線的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、輸電線路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)等等具有極高的利用價(jià)值。

2 三維數(shù)字地形圖的基本概念

2.1 三維數(shù)字地形圖的概念

三維數(shù)字地形圖用三維離散點(diǎn)表示地物和地貌的空間位置和立體形狀，它把地形和地物都看成三維空間對(duì)象，其也是線劃地形圖。也就是說(shuō)，三維數(shù)字地形圖中所有表示地物和地貌的特征點(diǎn)和特征線都是三維的，其中X和Y用來(lái)表示地物或地貌在水平面上投影的位置；Z用來(lái)表示它的高程。

2.2 三維數(shù)字地形圖的特征

三維數(shù)字地形圖具有以下特征：①它不能是紙質(zhì)的，只能是數(shù)字或電子形式的。②它既能反映其上地物立體形狀，又能反映制圖區(qū)域內(nèi)地球自然表面的高低起伏。③它是按1：1或同一比例尺來(lái)表示地物的平面位置或大小與豎直方向的高程或高度（所謂高度就是地面上空一點(diǎn)沿鉛垂線到地面的距離）的。④它是用三維離散點(diǎn)表示地形或地貌以及地物空間立體形態(tài)的矢量地圖。⑤它在反映空間地理信息時(shí)都是比較精確、細(xì)致和詳細(xì)的，用比例尺（或空間分辨率）的概念表示就是大比例尺（或高分辨率）的，如 1：500（或 0.05 米）、1：1000（或 0.1 米）和 1：2000（或0.2米），且通常都是小區(qū)域的。

3 三維數(shù)字地形圖測(cè)繪實(shí)例分析

受廣州市某工業(yè)園區(qū)管理委員會(huì)委托，對(duì)其工業(yè)園建設(shè)用地進(jìn)行控制性測(cè)量和數(shù)字化三維地形圖測(cè)繪。該工業(yè)園區(qū)周邊有數(shù)個(gè)村落，南邊有一條國(guó)道通過(guò)，交通比較便利，測(cè)區(qū)村莊密集，村莊周?chē)鷺?shù)木較多，通視困難；測(cè)區(qū)東北部有大片水田；測(cè)區(qū)西部為魚(yú)塘，水深測(cè)量相當(dāng)困難，本次測(cè)繪所執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探并從多方面收集資料，測(cè)區(qū)附近有廣東省國(guó)土資源廳測(cè)繪院布設(shè)3個(gè)GPS-D級(jí)點(diǎn)、2個(gè)GPS-E級(jí)點(diǎn)作為本次平面控制起算點(diǎn)，測(cè)區(qū)高程控制采用4個(gè)四等水準(zhǔn)點(diǎn)作為本次測(cè)繪的高程起算，采用GPS高程擬合測(cè)區(qū)高程。

表1 本次測(cè)繪所執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 測(cè)繪選點(diǎn)和埋點(diǎn)

本次測(cè)量的首級(jí)平面、高程控制都是采用GPS全球定位系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)情況，在樓房、高坡地、公路邊、巖石區(qū)等土質(zhì)堅(jiān)硬的地方選點(diǎn)，采用預(yù)制好的混凝土標(biāo)石進(jìn)行標(biāo)示并對(duì)其編號(hào)，混凝土標(biāo)石的型號(hào)為上截面15cm×15cm、下截面20cm×20cm、高為60cm×60cm。

3.2 測(cè)量觀測(cè)方案

3.2.1 測(cè)前準(zhǔn)備。在觀測(cè)之前，先要注意做好GPS內(nèi)存數(shù)據(jù)容量檢查、認(rèn)真了解各GPS點(diǎn)所處的環(huán)境及最佳觀測(cè)時(shí)間、GPS各項(xiàng)設(shè)置如靜態(tài)或動(dòng)態(tài)、高度截止角、天線類(lèi)型、天線量測(cè)方式、數(shù)據(jù)采樣率等是否正確等數(shù)項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

3.2.2 觀測(cè)方案。觀測(cè)作業(yè)開(kāi)始后，出發(fā)到測(cè)點(diǎn)前，應(yīng)認(rèn)真檢查GPS主機(jī)、電池、電纜、測(cè)GPS天線的鋼尺、記錄紙、筆、腳架及對(duì)講機(jī)等必備品；認(rèn)真地架好儀器，對(duì)中、整平、接好電纜；量測(cè)天線高，這里要注意GPS天線高的量測(cè)一般都是量的斜高，不要人為地改為垂直高；開(kāi)始觀測(cè)時(shí)，只需按下電源開(kāi)關(guān)，這時(shí)記錄好測(cè)點(diǎn)名、開(kāi)機(jī)時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)天線高；觀測(cè)結(jié)束時(shí)，先關(guān)電源，不要馬上拆機(jī)，還要再量天線高，以判斷觀測(cè)過(guò)程中儀器是否動(dòng)過(guò)。

3.3 GPS數(shù)據(jù)傳輸及處理

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸一般要注意以下幾點(diǎn)：①由于開(kāi)關(guān)電源以及一些外界干擾會(huì)造成GPS數(shù)據(jù)異常，因此在數(shù)據(jù)傳輸之前首先要查看GPS中每個(gè)時(shí)段里記錄的數(shù)據(jù)是否大小相近，刪去無(wú)效數(shù)據(jù)；②隨后要檢查軟件中的各項(xiàng)設(shè)置如GPS類(lèi)型、天線類(lèi)型、天線高的測(cè)量方式等是否一致；③傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，要記錄好各數(shù)據(jù)文件的時(shí)段號(hào)、點(diǎn)名，以備基線解算后用；④在做好上述工作后，查看高級(jí)設(shè)置，給定高度截止角、PDOP值等幾個(gè)重要設(shè)置，即可傳輸數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理。①基線向量解算時(shí)，可根據(jù)不同情況，設(shè)置好是解算部分基線還是解算全部基線，軟件自動(dòng)解算；②基線向量解算后，可初步檢查一下評(píng)判各基線的置信參數(shù)，檢查同步環(huán)、異步環(huán)等閉合差，檢查不同時(shí)段同一條邊的較差，查出超限原因，剔除有粗差的基線；③若發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的基線，可以查看各點(diǎn)接收到的衛(wèi)星狀況及其他有關(guān)部因素，以查找原因，確定此基線是否重新解算還是重測(cè)。

3.4 平差計(jì)算和高程擬合

GPS定位結(jié)果要從WGS-84大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為1954年國(guó)家坐標(biāo)系，GPS基線向量網(wǎng)的平差一般分為無(wú)約束平差、約束平差和聯(lián)合平差三種類(lèi)型。GPS網(wǎng)一般要聯(lián)測(cè)3～5個(gè)已知點(diǎn)，聯(lián)合平差是解決GPS網(wǎng)成果轉(zhuǎn)換的有效手段，也是絕大多數(shù)地區(qū)目前唯一行之有效的方法；根據(jù)無(wú)約束平差成果分析，主要考察基線向量觀測(cè)值改正數(shù)、各點(diǎn)坐標(biāo)中誤差、點(diǎn)位中誤差、GPS基線向量邊的方位和邊長(zhǎng)相對(duì)精度，若發(fā)現(xiàn)有明顯粗差，則要在聯(lián)合平差前剔除；主要考察各類(lèi)觀測(cè)值的改正數(shù)的分布是否有明顯粗差，平差坐標(biāo)、點(diǎn)位誤差、轉(zhuǎn)換參數(shù)、單位權(quán)中誤差是否通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，邊長(zhǎng)相對(duì)精度是否滿足設(shè)計(jì)的精度要求。GPS高程擬合根據(jù)不同軟件的要求，至GPS高程擬合根據(jù)不同軟件的要求，至少要聯(lián)測(cè)4個(gè)水準(zhǔn)高程點(diǎn)，但其高程精度不高，一般能達(dá)到3cm左右。

4 數(shù)字化三維地形圖的測(cè)繪

4.1 圖根控制測(cè)量

測(cè)區(qū)采用全站儀布設(shè)成附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、支導(dǎo)線、極坐標(biāo)支點(diǎn)可以連續(xù)支兩次。導(dǎo)線相對(duì)閉合差≤1/4000、極坐標(biāo)支點(diǎn)不宜大于500米、三角高程測(cè)量其附合線路或閉合線路≤±40mm，其中D為測(cè)距邊邊長(zhǎng)（km），圖根導(dǎo)線采用簡(jiǎn)易平差計(jì)算。

4.2 數(shù)字化地形測(cè)繪

測(cè)區(qū)采用數(shù)字化測(cè)量，比例尺為1：500，基本等高距為0.5m，采用40cm×50cm矩形分幅。使用全站儀進(jìn)行野外采集數(shù)據(jù)，定向方向應(yīng)＞500m，并進(jìn)行其他方向點(diǎn)檢查，碎部點(diǎn)測(cè)量測(cè)距最大長(zhǎng)度＜300m，高程注記點(diǎn)間距為25m。測(cè)繪過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：①設(shè)站和檢查。儀器對(duì)中整平，儀器對(duì)中誤差≤5mm，量?jī)x器高，儀器高量至毫米；輸入氣溫、氣壓、棱鏡常數(shù)；建立（選擇）文件名；輸入測(cè)站坐標(biāo)、高程及儀器高；輸入后視點(diǎn)坐標(biāo)（或方位角），瞄準(zhǔn)后視目標(biāo)后確定。測(cè)量1個(gè)已知坐標(biāo)的點(diǎn)的坐標(biāo)并與已知坐標(biāo)對(duì)照（限差≤±5cm）；測(cè)量1個(gè)已知高程的點(diǎn)的高程并與已知高程比較（限差≤±5cm）；如果前兩項(xiàng)檢查都在限差范圍內(nèi)，便可開(kāi)始測(cè)量，否則檢查原因重新設(shè)站。②立鏡和觀測(cè)。依比例尺地物輪廓線折點(diǎn)立鏡，不依比例尺地物的中心位置立鏡。在建筑物的外角點(diǎn)、地界點(diǎn)、地形點(diǎn)上豎棱鏡，回報(bào)鏡高；全站儀跟蹤棱鏡，輸入點(diǎn)號(hào)和改變的棱鏡高，在坐標(biāo)測(cè)量狀態(tài)下按測(cè)量鍵，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)后，輸入測(cè)點(diǎn)類(lèi)型代碼后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。繼續(xù)下一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)。對(duì)于那些本站需要測(cè)量而儀器無(wú)法看見(jiàn)的點(diǎn)，可用皮尺量距來(lái)確定點(diǎn)位；半徑大于0.5m的點(diǎn)狀地物，如不能直接測(cè)定中心位置，應(yīng)測(cè)量偏心距，并在草圖上注明偏心方向；丈量的距離應(yīng)標(biāo)注在草圖上。③繪草圖和檢查?，F(xiàn)場(chǎng)繪制地形草圖，標(biāo)上立鏡點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)和丈量的距離，房屋結(jié)構(gòu)、層次，道路鋪材，植被，地名，管線走向、類(lèi)別等。草圖是內(nèi)業(yè)編繪工作的依據(jù)之一，應(yīng)盡量詳細(xì)。測(cè)量過(guò)程中每測(cè)量30點(diǎn)左右及收站前，應(yīng)檢查后視方向，也可以在其它控制點(diǎn)上進(jìn)行方位角或坐標(biāo)、高程檢查。④數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換。連接全站儀與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸電纜；設(shè)置通訊中端的通訊參數(shù)與全站儀的通訊參數(shù)一致；全站儀中選擇要傳輸?shù)奈募蛡鬏敻袷胶蟀窗l(fā)送命令；計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后以文本文件的形式存盤(pán)。通過(guò)軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成圖軟件識(shí)別的格式。⑤編繪并建立測(cè)區(qū)圖庫(kù)。成圖采用南方測(cè)繪儀器有限公司軟件CASS5.0成圖。圖幅編號(hào)采用西南角圖廓坐標(biāo)編碼，坐標(biāo)以公里為單位。建立測(cè)區(qū)圖庫(kù)，圖幅接邊，輸出成圖。

結(jié)論

隨著數(shù)字地形圖在工程應(yīng)用中的深入，為了便于進(jìn)行空間方面的量測(cè)和分析，人們對(duì)它表示地物和地貌的方法和精度提出了更高的要求。而三維數(shù)字地形圖在工程上具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，其可以查詢(xún)?nèi)我馓卣鼽c(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程等三維坐標(biāo)信息。因此，三維數(shù)字地形圖具有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，隨著三維數(shù)字地形圖的不斷開(kāi)發(fā)和完善，相信在不久的將來(lái)它一定會(huì)有越來(lái)越好的應(yīng)用前景。

[1]郭嵐.三維數(shù)字地形圖及其應(yīng)用的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2002，05：10-11.

[2]王繼周，李成名，等.城市三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)發(fā)展探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2004，29（4）：71-73.

[3]竇興偉，朱麗芳.臨港工業(yè)園建設(shè)用地控制測(cè)量及數(shù)字化地形測(cè)量技術(shù)研究 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，18：79-81.