楊志文

（大陽泉煤炭有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在地形測(cè)量過程中，傳統(tǒng)測(cè)量方法程序繁瑣，作業(yè)復(fù)雜，測(cè)區(qū)環(huán)境、地形地況以及人員操作均會(huì)對(duì)測(cè)量有較大影響，降低了測(cè)量精度。與傳統(tǒng)測(cè)圖方式相比，數(shù)字測(cè)圖勞動(dòng)強(qiáng)度不高，作業(yè)時(shí)間較短，能夠達(dá)到很高的精度要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化采集信息，因此逐漸成為測(cè)圖的主要方式。利用全站儀展開數(shù)字測(cè)圖，能夠大幅度提升測(cè)圖效率，獲得較高精度的結(jié)果，還能夠改善作業(yè)環(huán)境，然而在測(cè)量過程中還是會(huì)受到高山、林地、高大建筑的影響。隨著GNSS系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，其精度和靈敏度也在不斷提高，特別是我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，GNSS-RTK在數(shù)字測(cè)圖中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。如何在數(shù)字測(cè)圖中實(shí)現(xiàn)全站儀和GNSS-RTK的聯(lián)合，從而達(dá)到二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，劣勢(shì)規(guī)避，也是當(dāng)前測(cè)繪行業(yè)中一個(gè)嶄新的課題。

1 數(shù)字測(cè)圖概述

自20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)各行各業(yè)都產(chǎn)生了巨大影響。隨著全站儀以及GNSS-RTK等儀器和技術(shù)逐漸普及[1]，讓數(shù)字測(cè)圖也成為測(cè)繪領(lǐng)域的主要技術(shù)，逐漸在房地產(chǎn)、土地管理、環(huán)保、軍事以及城市規(guī)劃中廣泛運(yùn)用，隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字測(cè)圖技術(shù)也在不斷發(fā)展。

數(shù)字測(cè)圖是一種全解析機(jī)助測(cè)圖技術(shù)。通過運(yùn)用數(shù)字測(cè)圖技術(shù)，對(duì)于地形的實(shí)際測(cè)量成果從傳統(tǒng)模擬測(cè)圖技術(shù)下具體的地形圖轉(zhuǎn)變成為一種存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的一種數(shù)字信息，能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳送、處理和共享。與傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)相比，數(shù)字測(cè)圖無疑具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此其發(fā)展前景十分廣闊。

與傳統(tǒng)的平板儀或經(jīng)緯儀測(cè)圖技術(shù)相比，數(shù)字測(cè)圖主要具有以下優(yōu)勢(shì)：測(cè)圖作業(yè)效率較高，勞動(dòng)強(qiáng)度低；測(cè)繪結(jié)果數(shù)字化，更加便于運(yùn)用，利用率高，符合信息時(shí)代的需求；測(cè)繪成果精度較高，且精度與比例尺無關(guān)；測(cè)繪成果更加方便保存和更新。

2 全站儀數(shù)字測(cè)圖

所謂全站儀，其全稱是“全站型電子速測(cè)儀”，這是一種有效結(jié)合測(cè)距、測(cè)角和微處理機(jī)為一體，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)角、自動(dòng)計(jì)算距離、高差和坐標(biāo)增量的測(cè)繪儀器。運(yùn)用全站儀展開數(shù)字測(cè)圖，就是運(yùn)用極坐標(biāo)法來得到碎部點(diǎn)坐標(biāo)，其基本原理是將測(cè)站看作中心，根據(jù)測(cè)站的已知方向，對(duì)已知方向與測(cè)量方向的角度以及觀測(cè)點(diǎn)距離各碎部點(diǎn)的距離展開測(cè)量，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的具體位置。目前，全站儀數(shù)字測(cè)圖有三種主要的作業(yè)模式[2]。

1）電子平板模式。通過將全站儀與電子平板相連接，從而將測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳遞給電子平板，再測(cè)圖并現(xiàn)場(chǎng)成圖。這種模式在野外作業(yè)時(shí)，往往會(huì)受到測(cè)區(qū)環(huán)境的影響，特別是在對(duì)測(cè)量的碎部點(diǎn)了解狀況不多、環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，往往會(huì)使外業(yè)效率受到影響，甚至?xí)档蛿?shù)字地圖的質(zhì)量。

2）草圖模式。草圖模式也被稱為數(shù)字側(cè)記模式。在采集數(shù)據(jù)過程中，需要同時(shí)繪制觀測(cè)草圖，同時(shí)對(duì)測(cè)繪目標(biāo)的屬性和測(cè)繪順序做好記錄。然后通過觀測(cè)草圖展開內(nèi)業(yè)圖形編輯工作。這種測(cè)圖方法便于操作，且成本較低，也是使用最多的測(cè)圖模式。但其也有顯著的缺點(diǎn)，內(nèi)業(yè)工作量大，長期實(shí)施相對(duì)較難。

3）編碼模式。在采集數(shù)據(jù)的過程中，測(cè)量人員對(duì)每個(gè)碎部點(diǎn)做好編碼，并且設(shè)置好包括地物屬性和點(diǎn)點(diǎn)連線關(guān)系等編碼內(nèi)容。內(nèi)業(yè)成圖只需測(cè)圖軟件解碼完成測(cè)點(diǎn)連線就可以形成地圖。然而這種方法對(duì)于觀測(cè)人員的要求也通常較高。

3 GNSS-RTK數(shù)字測(cè)圖

3.1 GNSS-RTK系統(tǒng)構(gòu)成

通過連接兩臺(tái)靜態(tài)型測(cè)量儀器和一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，從而把相對(duì)獨(dú)立的GNSS信號(hào)接收系統(tǒng)連接成一個(gè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 GNSS－RTK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基準(zhǔn)站通過通訊系統(tǒng)，將接收到的衛(wèi)星信息，包括偽距與載波相位觀測(cè)值，以及基準(zhǔn)站信息，比如坐標(biāo)、天線高等，傳遞給流動(dòng)站。

流動(dòng)站一邊自行接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收基準(zhǔn)站傳遞過來的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，待到基準(zhǔn)站初始化完成后，展開基準(zhǔn)站載波觀測(cè)信號(hào)和自身接收的載波觀測(cè)信號(hào)的差分處理，同時(shí)，將其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)、轉(zhuǎn)化參數(shù)以及投影參數(shù)輸入其中，就可以得到未知坐標(biāo)。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)和精度評(píng)定

運(yùn)用GNSS衛(wèi)星觀測(cè)一般的坐標(biāo)系統(tǒng)包括WGS－84、PZ90、CGCS2000 和 GTRF，實(shí)際使用過程中我們更常運(yùn)用北京54坐標(biāo)系、西安80國家坐標(biāo)系以及地方坐標(biāo)系，因此，我們可以通過七參數(shù)法或者四參數(shù)發(fā)來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

4 GNSS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)方式研究

實(shí)現(xiàn)GNSS-RTK與全站儀聯(lián)合，其主要步驟如下：

1）運(yùn)用RTK技術(shù)采集碎部點(diǎn)，通過基線解算得到WGS－84系坐標(biāo)值。

2）通過GPS實(shí)時(shí)定位測(cè)量模式對(duì)平原、田野以及湖泊等相對(duì)平整的地域展開數(shù)據(jù)采集，并且完成草圖繪制；通過RTK設(shè)定固根點(diǎn)，以全站儀為主，采集遮擋物眾多以及視野狹窄地方的地形、地貌，然后完成草圖繪制；再將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)處理并且生成[3]。

3）展開左邊轉(zhuǎn)換，并且完成三維左邊的精確結(jié)果計(jì)算。

4）將全站儀和計(jì)算機(jī)完成連接，并且將相關(guān)參數(shù)設(shè)置好。

5）運(yùn)用全站儀完成數(shù)據(jù)采集。

6）將采集結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)，展開精確處理。

7）將測(cè)繪數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為.dat格式文件。

8）與外業(yè)測(cè)量所繪制的草圖相結(jié)合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編輯完成最后的生成圖。

如圖2所示為數(shù)據(jù)采集和運(yùn)用過程。

5 全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)實(shí)際實(shí)施

測(cè)區(qū)概況為了更好地說明全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)怎樣在實(shí)際工作中完成數(shù)字測(cè)圖工作，接下來我們將以具體的測(cè)圖任務(wù)為例展開具體說明。該測(cè)圖任務(wù)的測(cè)區(qū)為農(nóng)業(yè)區(qū)域，東西南北均有村莊連接，測(cè)區(qū)南北距離6 km，東西距離2 km，呈條帶式形狀。測(cè)區(qū)全部面積一共為12.718 km2，地勢(shì)平坦開闊，然而地下水位較高，土地鹽漬化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在該區(qū)域內(nèi)有若干條鄉(xiāng)村公路，交通相對(duì)方便，同時(shí)該測(cè)區(qū)擁有較為均勻地高程系統(tǒng)，能夠一定程度上幫助到圖根控制點(diǎn)起算。

圖2 集成數(shù)據(jù)采集圖

5.1 測(cè)量使用的儀器設(shè)備

本次測(cè)圖任務(wù)主要使用的設(shè)備包括，兩臺(tái)全站儀，其測(cè)角為5″，測(cè)距為3 mm+2×10-6mm；兩套GNSS-RTK接收機(jī)，其水平精度為10 mm+1×10-6mm，垂直精度為20 mm+1×10-6mm。本次測(cè)圖是為了該地區(qū)土地整改需要的相關(guān)參數(shù)而啟動(dòng)的，基于此目的，我們選擇1∶5000的成圖比例尺，設(shè)定其等高距為1 m，平面坐標(biāo)系采用該地區(qū)的獨(dú)立坐標(biāo)系，統(tǒng)一以1985國家高程基準(zhǔn)作為高程系統(tǒng)[4]。

5.2 建設(shè)基準(zhǔn)站

在對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)際狀況展開調(diào)查，充分考慮各種要素之后決定將基準(zhǔn)站架設(shè)在某小高層建筑樓頂之上。完成設(shè)備架設(shè)之后啟動(dòng)手簿，將基準(zhǔn)站情況完成設(shè)置。在任務(wù)管理欄建立一個(gè)新的作業(yè)項(xiàng)目，設(shè)定網(wǎng)格為坐標(biāo)，并且設(shè)定端口3為接收機(jī)端口，設(shè)定測(cè)量類型為“Trimble RTK”等。采用單點(diǎn)定位方式來完成基準(zhǔn)站坐標(biāo)的測(cè)量，同時(shí)將其存儲(chǔ)在新建項(xiàng)目中，再輸入天線高參數(shù)，之后與無線電臺(tái)相連，完成基站接收機(jī)分離手簿的過程，至此，基準(zhǔn)站設(shè)置全部完成。

5.3 設(shè)置流動(dòng)站

依據(jù)相關(guān)要求，首先將流動(dòng)站接收機(jī)完成連接，再將天線與中桿連接，之后與基準(zhǔn)站一樣需要啟動(dòng)手簿，完成流動(dòng)站接收機(jī)的相關(guān)設(shè)置。具體來說與基準(zhǔn)站設(shè)置大致相同，包括建立新的作業(yè)項(xiàng)目，設(shè)定網(wǎng)格為坐標(biāo)，設(shè)定測(cè)量類型為“Trimble RTK”，輸入天線高參數(shù)，然后選擇同電臺(tái)相同的頻率。之后工作人員需要對(duì)所有的設(shè)置展開認(rèn)真細(xì)致的檢查，確認(rèn)無誤之后，工作人員通過PA4和HL2完成檢測(cè)和校正。在兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段中間，運(yùn)用兩臺(tái)GPS-RTK接收機(jī)觀測(cè)3 min，經(jīng)過檢測(cè)得出X誤差最大值為2.2 cm和Y誤差最大值為1.4cm，高程誤差最大值為2.1cm，最小值為7 mm。此誤差范圍符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[5]。

5.4 數(shù)據(jù)采集

決定為全站儀測(cè)設(shè)三個(gè)圖根點(diǎn)，完成并用來采集野外數(shù)據(jù)。同時(shí)，GPS-RTK與全站儀一起持續(xù)完成圖根點(diǎn)布置與測(cè)設(shè)圖根點(diǎn)的標(biāo)記工作。在本次全站儀與GNSS-RTK聯(lián)合作業(yè)完成數(shù)字測(cè)圖的實(shí)踐中，我們通過兩臺(tái)GPS-RTK接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，整個(gè)任務(wù)一共設(shè)置了180多個(gè)圖根點(diǎn)。對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)信號(hào)不佳的區(qū)域，工作人員采用全站儀完成數(shù)據(jù)采集。

5.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)收集完成之后，工作人員將各輸出數(shù)據(jù)格式展開整理，以完成格式的全部統(tǒng)一，為后續(xù)工作中查詢、使用和保存數(shù)據(jù)提供便利。我們將全站儀和GPS-RTK所有得到的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)為.dat格式。一般來說，工作人員整理數(shù)據(jù)依據(jù)逗號(hào)、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、以及高程的格式作為整理基礎(chǔ)。

5.6 圖像生產(chǎn)

運(yùn)用1∶5 000的比例尺，將經(jīng)過數(shù)據(jù)格式處理之后全部形成.dat格式的碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)全部輸入計(jì)算機(jī)中。同時(shí)，工作人員運(yùn)用相關(guān)軟件將外業(yè)繪制的草圖完成連線成圖。

5.7 精度檢查

在將測(cè)區(qū)地圖編輯完成之后，運(yùn)用生成的圖形對(duì)比實(shí)際狀況，從而對(duì)測(cè)圖的精確性做出有效檢查。通過檢查我們分析誤差均被有效的控制在±5 mm以內(nèi)，由此證明本次數(shù)字測(cè)圖的結(jié)果符合要求的精度。

6 結(jié)語

通過以上分析可知：單獨(dú)使用全站儀或GNSS-RTK測(cè)圖，都會(huì)受到一定的局限。如果將二者有效聯(lián)合，通過共同作業(yè)就可實(shí)現(xiàn)全站儀和GNSS-RTK的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠使測(cè)圖效率與測(cè)圖精度更高。因此，全站儀和GNSS-RTK聯(lián)合測(cè)圖應(yīng)當(dāng)?shù)玫接行茝V。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳基煒，熊福文.GPS－RTK作業(yè)的若干技術(shù)問題與思考[J].上海地質(zhì)，2004（3）：47－50．

[3]張書華.RTK和全站儀聯(lián)合采集數(shù)據(jù)應(yīng)用于濮陽污水處理系統(tǒng)有關(guān)問題的探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32（4）：168－170．

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[5]北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院.城市測(cè)量規(guī)范：CJJ/T8—2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．