董北平，張之孔

（1．68029 部隊(duì),甘肅 蘭州 730020）

基于GPS RTK技術(shù)在CASS中自動(dòng)生成等高線(xiàn)的方法

董北平1，張之孔1

（1．68029 部隊(duì),甘肅 蘭州 730020）

著重討論了利用GPS RTK技術(shù)快速準(zhǔn)確采集離散點(diǎn)，并在CASS中自動(dòng)生成等高線(xiàn)的方法。實(shí)踐表明，該方法能夠明顯加快成圖速度與提高等高線(xiàn)成圖的精度。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位；離散點(diǎn)；等高線(xiàn)；成圖

在面積較小、不適合采用航空攝影測(cè)量方式成圖的測(cè)區(qū)，非常需要尋找一種高效可靠的方法來(lái)自動(dòng)生成等高線(xiàn)，測(cè)制高精度的地形圖。本文結(jié)合酒泉千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)二期測(cè)繪任務(wù)，著重討論了如何利用GPS RTK技術(shù)快速采集一定數(shù)量的離散點(diǎn)，在CASS軟件下自動(dòng)生成等高線(xiàn)的方法。

1 利用GPS RTK技術(shù)采集離散點(diǎn)

1.1 GPS RTK技術(shù)

RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法[1]。它將一臺(tái)GPS接收機(jī)安裝在已知點(diǎn)上對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，再將根據(jù)該點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)求出的其到衛(wèi)星的距離改正信息和采集的載波相位觀測(cè)量調(diào)制到基準(zhǔn)站電臺(tái)的載波上，然后通過(guò)基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)射出去。流動(dòng)站在對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并采集載波相位觀測(cè)量的同時(shí)，通過(guò)電臺(tái)接收由基準(zhǔn)站發(fā)射的信號(hào)，流動(dòng)站將接收到的定位信息進(jìn)行改正處理來(lái)修正其定位結(jié)果，即可求出未知點(diǎn)的定位坐標(biāo)，精度可達(dá)到cm級(jí)。

1.2 離散點(diǎn)采集

GPS RTK技術(shù)已相當(dāng)成熟，但其易受距離和地形的限制，超過(guò)10 km時(shí)，流動(dòng)站固定解就不穩(wěn)定。因此采用1臺(tái)中繼站和12臺(tái)流動(dòng)站協(xié)同作業(yè)，既減少了基準(zhǔn)站的搬站次數(shù)，又克服了RTK技術(shù)由于距離過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致信號(hào)太弱無(wú)法作業(yè)的缺點(diǎn)。在野外采集高程點(diǎn)過(guò)程中很容易出現(xiàn)“重采”、“漏采”等問(wèn)題，影響作業(yè)進(jìn)度和成果精度。為了避免這種情況，確定了“等距離格網(wǎng)法”的采集方法。從測(cè)區(qū)一側(cè)的范圍線(xiàn)開(kāi)始，利用數(shù)據(jù)采集軟件的線(xiàn)放樣功能每隔50 m設(shè)置一條線(xiàn)平行向前推進(jìn)，對(duì)平行線(xiàn)左右50 m范圍內(nèi)進(jìn)行高程點(diǎn)和部分特征點(diǎn)采集，保證了不“重采”和“漏采”，如圖1所示。

圖1 基于RTK技術(shù)的等距離網(wǎng)格法采集高程點(diǎn)

1.3 地形要素完整采集

在利用GPS RTK技術(shù)采集離散點(diǎn)時(shí)，一定要保證地物、地形信息的完整性[2]。對(duì)于獨(dú)立的山包、凹地，采集時(shí)要保證地形的完整性，必須在該類(lèi)地形周?chē)椭行淖罡唿c(diǎn)或最低點(diǎn)采集高程點(diǎn)，如圖2、圖3所示。若是連續(xù)山包，可適當(dāng)省去采集對(duì)整體地形信息完整描述影響不大的點(diǎn)位，但關(guān)鍵點(diǎn)必須采集，如山包之間的鞍部，如圖4所示。對(duì)于面積較大的山地或丘陵地形，為保證能正確描述地形的走勢(shì)，采集高程點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重采集地性線(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)，如圖5所示。

圖2 獨(dú)立山包高程點(diǎn)采集

圖3 凹地高程點(diǎn)采集

圖4 連續(xù)山包高程點(diǎn)采集

圖5 山地、丘陵地高程點(diǎn)采集

2 由離散點(diǎn)自動(dòng)生成等高線(xiàn)

等高線(xiàn)是等值線(xiàn)的一種，離散點(diǎn)生成等高線(xiàn)其實(shí)就是生成等值線(xiàn)[3]，自動(dòng)繪制等值線(xiàn)的方法從技術(shù)方向上可分為2大類(lèi)：曲線(xiàn)擬合和插值。曲線(xiàn)擬合總體上效果不如插值算法。插值算法中首先生成Delaunay三角形，即不規(guī)則三角網(wǎng)。隨后需要在三角形的邊上插補(bǔ)等值點(diǎn)，將內(nèi)插的等值點(diǎn)順序追蹤排列，繪出等值線(xiàn)。在CASS環(huán)境下自動(dòng)繪制等高線(xiàn)的流程如圖6所示。

圖6 在CASS中生成等高線(xiàn)流程圖

1）建立數(shù)字地面模型（構(gòu)建三角網(wǎng)）。數(shù)字地面模型（DTM）是由外業(yè)采集的一系列離散點(diǎn)生成的地表狀態(tài)模型，它的建立影響整個(gè)成圖過(guò)程的正確性和精度[4]。DTM的建立也是等高線(xiàn)自動(dòng)生成的前提，在CASS軟件里，先定下顯示區(qū)，然后選擇“建立DTM”，再按照測(cè)區(qū)地形情況對(duì)是否考慮坎高、是否選擇地形線(xiàn)進(jìn)行選擇，最后生成三角網(wǎng)[5]。

2）修改數(shù)字地面模型（修改三角網(wǎng)）。很多情況下，由于特殊地形地物的影響，以及現(xiàn)實(shí)地貌的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致自動(dòng)構(gòu)成的數(shù)字地面模型與實(shí)際地貌不太一致，使得外業(yè)采集的離散點(diǎn)很難一次性生成準(zhǔn)確的等高線(xiàn)，需要通過(guò)修改三角網(wǎng)來(lái)修改這些局部不合理的地方[6]，主要包括刪除三角形、過(guò)濾三角形、增加三角形和刪除三角形頂點(diǎn)等。

3）自動(dòng)生成等高線(xiàn)。等高線(xiàn)的繪制可以在平面圖的基礎(chǔ)上疊加，也可以在“新建圖形”狀態(tài)下繪制。如果在“新建圖形”狀態(tài)下繪制等高線(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)提示輸入比例尺，在生成等高線(xiàn)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)成圖比例尺按照相應(yīng)圖式規(guī)范和技術(shù)要求輸入等高距。等高線(xiàn)擬合的方式有3種：不光滑、張力樣條擬合和3次B樣條擬合[7]。若選“不光滑”，繪制出來(lái)的等高線(xiàn)是折線(xiàn)，是基于三角網(wǎng)得到的最原始的地形分析；若選“張力樣條擬合”，就是在“不光滑”的基礎(chǔ)上把折線(xiàn)進(jìn)行張力樣條擬合，此時(shí)的等高線(xiàn)最貼近于實(shí)際地形，比折線(xiàn)要美觀；若選“3次B樣條擬合”，是最優(yōu)化的等高線(xiàn)生成方式，其生成的等高線(xiàn)最光滑，外觀最好，即便會(huì)有少許失真，但不影響精度。

4）等高線(xiàn)編輯、修改。主要包括注記等高線(xiàn)、切除穿過(guò)建筑物、陡坎、圍墻以及指定區(qū)域內(nèi)的等高線(xiàn)。同時(shí)，要進(jìn)行等值線(xiàn)濾波操作，很大程度上是給繪制好的等高線(xiàn)圖形“減肥”，精簡(jiǎn)樣條擬合曲線(xiàn)的多余錨點(diǎn)，還原等高線(xiàn)本來(lái)的特征。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在酒泉某千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)二期測(cè)繪任務(wù)中，利用該方法生成了玉門(mén)、橋?yàn)?、瓜州等區(qū)域總面積約140 km2的1︰2 000地形圖，其中橋?yàn)硡^(qū)域第一期任務(wù)中有部分區(qū)域已采用航空攝影測(cè)量方法測(cè)制了1︰2 000地形圖。為了驗(yàn)證該方法精度，將兩者作對(duì)比，如圖7、圖8所示。

圖7 航空攝影測(cè)量方法測(cè)制等高線(xiàn)

圖8 離散點(diǎn)自動(dòng)生成等高線(xiàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，利用CASS軟件自動(dòng)生成等高線(xiàn)具有較好的精度和可靠性，但仍有部分區(qū)域與實(shí)地地形有一定偏差，主要是由關(guān)鍵點(diǎn)位高程漏采、采集不均勻等原因造成的。此外還有RTK的飛點(diǎn)現(xiàn)象：一般情況下，流動(dòng)站鎖定衛(wèi)星在5顆以上時(shí)，在5～10 s內(nèi)可獲得固定解，此時(shí)流動(dòng)站的收斂值真實(shí)反映了天線(xiàn)中心測(cè)量的內(nèi)符合精度，可靠性較高；若RTK收斂60 s以上才得到固定解，收斂值有可能存在偽值，測(cè)量誤差可達(dá)到1 m，甚至2～3 m，這些就是飛點(diǎn)。

解決這些問(wèn)題有效的辦法是：1）用于生成等高線(xiàn)的點(diǎn)位要均勻分布在測(cè)區(qū)，最好根據(jù)測(cè)區(qū)形狀按照橫向和縱向交叉形成格網(wǎng)，等距離采集點(diǎn)位高程。具體來(lái)說(shuō)，可利用線(xiàn)放樣功能每隔30～50 m采集一個(gè)高程點(diǎn)，這樣可有效避免漏測(cè)和重復(fù)測(cè)量。當(dāng)然，最好要根據(jù)地形條件進(jìn)行距離的調(diào)整。遇到小山包、凹地等地形，應(yīng)完整采集該地形特征點(diǎn)，保證地物信息的完整性。

2）在建立DTM的過(guò)程中，一定要考慮地性線(xiàn)是否準(zhǔn)確。如果不能正確連接地性線(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)三角網(wǎng)中三角形邊懸空和切割地表的現(xiàn)象，導(dǎo)致錯(cuò)誤的等高線(xiàn)走向。解決辦法是在野外采集數(shù)據(jù)時(shí)就繪制地性線(xiàn)草圖，內(nèi)業(yè)編輯時(shí)將地性線(xiàn)結(jié)構(gòu)繪出，建立正確的地性線(xiàn)結(jié)構(gòu)，并將其作為DTM生成的強(qiáng)制約束條件。在DTM生成后，對(duì)其進(jìn)行檢查編輯，尤其要注意查找高程有錯(cuò)誤的點(diǎn)，刪除這些點(diǎn)和三角網(wǎng)外圍較長(zhǎng)的邊和較小的角，這樣內(nèi)插后的等高線(xiàn)就不會(huì)穿過(guò)修改前有錯(cuò)誤的三角形，建立正確可靠的三角網(wǎng)。

3）在等高線(xiàn)生成階段需要注意的是：在地形變化不大時(shí)，應(yīng)選擇自動(dòng)生成等高線(xiàn)，比較實(shí)用，效果也很好。當(dāng)?shù)匦巫兓^大時(shí)，如果利用自動(dòng)生成等高線(xiàn)，等高線(xiàn)走向、形狀就會(huì)與實(shí)際地形差別較大，自動(dòng)擬合生成的等高線(xiàn)有很多節(jié)點(diǎn)，修改時(shí)會(huì)非常麻煩，因此在繪制這種地形下的等高線(xiàn)時(shí)不要直接使用繪制等高線(xiàn)工具，而是使用復(fù)合線(xiàn)工具來(lái)繪制等高線(xiàn)，因?yàn)閺?fù)合線(xiàn)非常容易拉動(dòng)和修改，最后把修改后的復(fù)合線(xiàn)加注等高線(xiàn)屬性即可。

[1] 沈銘,王偉．GPS RTK技術(shù)的誤差分析及質(zhì)量控制[J]．資源環(huán)境與工程,2007,10(5):603-605

[2] 謝曉然,王子洋,姜慧．選取離散點(diǎn)繪制自動(dòng)站數(shù)據(jù)等值線(xiàn)方法[J]．林業(yè)勘查設(shè)計(jì),2010(3):46-47

[3] 呂建升,須鼎興．基于離散點(diǎn)繪制等高線(xiàn)算法的研究[J]．現(xiàn)代測(cè)繪,2006,9(5):5-7

[4] 劉錦中,馬輝．基于等高線(xiàn)的DEM生成算法研究和實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代測(cè)繪,2004,77(3):34- 35

[5] 代莉,陳春華,聶焱．在AutoCAD環(huán)境下不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及等高線(xiàn)生成[J]．地理空間信息,2011,9(2) :40-42

[6] 魏春生,高明凱,王建波．大比例尺地形圖等高線(xiàn)的自動(dòng)繪制[J]．勘察科學(xué)技術(shù),2005(4):25-27

[7] 王建雄．CAD 環(huán)境下基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM算法及實(shí)現(xiàn)[J]．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(4):573-576

P231.5

B

1672-4623（2014）01-0108-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.037

董北平，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位和攝影測(cè)量工作。

2013-11-28。