董 毅

（重慶市勘測院，重慶 401121）

0.引言

測繪作為重要的基礎(chǔ)技術(shù)手段，在交通、工民建、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時也是各類工程建設(shè)項(xiàng)目開展的重要前置工程，隨著工程測繪技術(shù)手段的不斷發(fā)展和迭代，測繪技術(shù)的效率和精度得到大幅度提升，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)已逐漸被新的測繪技術(shù)替代，以GNSS為基礎(chǔ)的激光掃描測繪技術(shù)作為現(xiàn)代測繪技術(shù)手段的代表已被廣泛應(yīng)用在土地測量和房屋測設(shè)項(xiàng)目中[1]；為了進(jìn)一步明確新型測繪技術(shù)與傳統(tǒng)測繪技術(shù)在測繪精度和測繪效率兩方面的差異，本文特以某村民宅測繪項(xiàng)目為研究案例，選擇“全站儀＋GNSSRTK”和激光掃描測繪兩種技術(shù)分別作為傳統(tǒng)測繪手段和尖端測繪手段的代表，通過測設(shè)建筑物的邊界控制點(diǎn)和邊界線長度，以定量分析兩種技術(shù)在精度和效率方面的差異。

1.測繪技術(shù)發(fā)展歷程概述

測繪技術(shù)的發(fā)展起源可追溯至幾千年前，我國古代測繪技術(shù)最早應(yīng)用在水利工程中，從概念組成角度分析，測量工程可細(xì)分為測繪和測設(shè)兩部分，其中，測繪主要指的是針對自然或人工構(gòu)造物而開展的人工測量作業(yè)，通過人工測量以明確測繪對象的外形、大小、空間方位等信息，隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，廣義的測繪還包括針對測繪數(shù)據(jù)的采集、存儲和表達(dá)，主要目的是為工程技術(shù)人員提供科學(xué)準(zhǔn)確的參數(shù)化信息；測設(shè)則位于測繪作業(yè)之后，主要是將提前采集到的點(diǎn)位、線路等參數(shù)信息借助專用的測繪儀器測設(shè)到實(shí)地中。目前，測繪技術(shù)在我國的應(yīng)用極其廣泛，基本覆蓋了涉及國計民生的所有行業(yè)，尤其體現(xiàn)在地質(zhì)勘察、交通建設(shè)、礦山規(guī)劃、軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域[2]。

通過觀察測量技術(shù)的發(fā)展歷程可知：測量技術(shù)發(fā)展歷程從技術(shù)層面可細(xì)分為簡單測量、儀器測量及現(xiàn)代測量三個基本階段，其中，簡單測量和儀器測量可歸納為傳統(tǒng)測量技術(shù)，傳統(tǒng)測量技術(shù)具有原理基礎(chǔ)且簡單、手段簡易、效率低下、誤差大等特點(diǎn)，且傳統(tǒng)測量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在明顯的局限性。隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以GIS、GNSS等技術(shù)為代表的現(xiàn)代測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，相較于GPS技術(shù)，GNSS技術(shù)更偏向于衛(wèi)星導(dǎo)航，而GPS技術(shù)則主要用于全球定位，但二者的工作基礎(chǔ)均為通訊衛(wèi)星，GPS技術(shù)出現(xiàn)較早，主要用于衛(wèi)星定位，其具有定位精度高、工作不受環(huán)境條件限制、覆蓋能力超強(qiáng)、使用便捷等突出優(yōu)點(diǎn)，而GNSS全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┑乇砑敖攸c(diǎn)的全部三維坐標(biāo)信息，同時能夠捕捉到當(dāng)前的運(yùn)行速率?？偠灾?，現(xiàn)代測量技術(shù)的出現(xiàn)徹底打破了傳統(tǒng)測量技術(shù)的多種局限，實(shí)現(xiàn)了測量、計算、存儲、顯示的一體化，使得工程測量的精度、效率得到了根本性的轉(zhuǎn)變。

2.全站儀聯(lián)合GNSS-RTK與激光掃描測繪技術(shù)概述

2.1 全站儀聯(lián)合GNSS-RTK測繪技術(shù)概述

全站儀是在經(jīng)緯儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)光學(xué)測繪儀器與現(xiàn)代電子技術(shù)的深度融合，全站儀兼顧了經(jīng)緯儀和測距儀兩大功能，能夠滿足角度、距離實(shí)時測量需求，且儀器內(nèi)置微型計算機(jī)，能夠?qū)y繪數(shù)據(jù)實(shí)時編算；全站儀除了具備角度、距離、高程等數(shù)據(jù)的測設(shè)功能外，其內(nèi)置了大量成型計算程序，能夠?qū)崟r給出測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，且能根據(jù)需求對坐標(biāo)點(diǎn)放樣。相較于傳統(tǒng)的測繪儀器，全站儀在測繪精度、操作便捷性、自動化程度、功能集成等方面具有不可替代的優(yōu)勢；目前，全站儀已廣泛應(yīng)用到了細(xì)部數(shù)據(jù)采集、測點(diǎn)放樣、控制測量、施工變形監(jiān)測等領(lǐng)域。

GNSS－RTK測繪技術(shù)一般需與全站儀聯(lián)合使用，是最早的一代數(shù)字化測繪技術(shù)。依靠全站儀和GNSS－RTK信號接收設(shè)備，采用編碼法將采集到的測點(diǎn)信息用編碼代替，信息按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編碼后，輸入到計算機(jī)輔助軟件中完成地形圖的自動繪制，計算機(jī)輔助繪圖工具附帶地物標(biāo)記、地物連線及地物閉合等功能，自動化程度較高[3]。全站儀測量受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，且兩點(diǎn)間需要滿足通視要求，對于地形起伏較大的區(qū)域測繪難度更高，此外，全站儀需要配套大量的踏勘、定點(diǎn)、測設(shè)等專業(yè)人員，工作量較大，測量作業(yè)時間較長，綜合成本更高；而GNSS－RTK測繪技術(shù)直接依靠衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)信號傳遞，無須考慮現(xiàn)場通視條件，且信號傳遞、處理無須人工干預(yù)，能夠滿足全天候測繪要求，因不受人為因素干擾，故其定位精度更高，但GNSS－RTK設(shè)備在信號傳遞過程中容易受到干擾，且測繪誤差易累積[4]。為了發(fā)揮GNSS－RTK和全站儀測繪技術(shù)的優(yōu)勢，二者聯(lián)合測圖是目前主流的測設(shè)技術(shù)之一[2]。圖1闡述了二者聯(lián)合測圖的基本流程：

圖1 GNSS-RTK和全站儀聯(lián)合測圖流程

2.2 激光掃描測繪技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)刻技術(shù)，是工程測繪行業(yè)的革命性突破，三維激光掃描技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了測繪作業(yè)的三維立體化，三維激光掃描技術(shù)的原理是依靠掃描儀采集被測物體表面的點(diǎn)云信息數(shù)據(jù)，點(diǎn)云信息數(shù)據(jù)主要以坐標(biāo)或反射強(qiáng)度等形式表征，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，能夠快速實(shí)現(xiàn)被測對象的三維實(shí)體建模，對比與普通的單點(diǎn)測量技術(shù)，其在成像密度、測繪效率、測繪精度及自動化程度等方面具有突出優(yōu)勢，目前已逐步成為空間數(shù)據(jù)采集測繪領(lǐng)域的主力之一。相較于傳統(tǒng)的二維測設(shè)技術(shù)，激光掃描測繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工程測繪的“擴(kuò)維”[1]，其技術(shù)發(fā)展具有里程碑意義，激光掃描測繪技術(shù)依靠伺服電機(jī)能夠在一定范圍內(nèi)快速機(jī)動，綁定在軌道上的電子掃描鏡依靠激光測距原理迅速采集到實(shí)物的圖像信息，通過內(nèi)置的微機(jī)程序快速解碼以獲取實(shí)物圖像表面的三維坐標(biāo)及像素特征，最終通過計算機(jī)軟件刻畫出實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維模型。一套完整的三維激光掃描系統(tǒng)由掃描儀、集成電子設(shè)備、供電電源、軟件程序組成，其中，掃描儀是核心設(shè)備，由一臺高速測距儀、反射棱鏡、偏轉(zhuǎn)控制單元及數(shù)據(jù)輸出器組成，部分激光掃描系統(tǒng)還額外配置了數(shù)碼照相設(shè)備，可以實(shí)時獲取被測對象的影像數(shù)據(jù)。

激光掃描測繪的對象為點(diǎn)云，通過表征點(diǎn)云的坐標(biāo)值及激光反射強(qiáng)度，以滿足單個點(diǎn)云的精準(zhǔn)定位，點(diǎn)云函數(shù)表達(dá)式如式（1）所示：

大部分激光掃描儀采用笛卡爾坐標(biāo)系，以儀器激發(fā)點(diǎn)為原點(diǎn)，z軸與豎向掃描面平行，x軸與橫向掃描面重疊，且z軸與x軸保持正交，y軸正對被測實(shí)體，x、y、z軸布置滿足右手定則[1]。激光掃描基準(zhǔn)坐標(biāo)布置（如圖2所示）：

圖2 激光掃描基準(zhǔn)坐標(biāo)布置

據(jù)圖2笛卡爾坐標(biāo)系及已知參數(shù)α（激光水平夾角）、θ（激光豎直夾角）、s（反射距離），能夠得到式（1）所示函數(shù)的解析解，具體如式（2）所示：

三維激光掃描測繪誤差產(chǎn)生主要受儀器設(shè)備、外部環(huán)境、儀器操作、測量方案等因素影響，由于三維激光掃描測繪儀器的精細(xì)化程度較高，設(shè)備分辨率變化、作業(yè)環(huán)境變動等微小變化均會產(chǎn)生明顯的誤差，通常情況下，儀器與被測對象直線距離越小，相應(yīng)的測繪精度則越高。

3.基于精度與效率指標(biāo)的測繪技術(shù)對比分析

3.1 項(xiàng)目概況

某村地處我國華北平原腹地，全村地形復(fù)雜，海拔高差較大，屬典型的溫帶大陸性氣候，全村村域面積0.72km2，因地形復(fù)雜多變，村內(nèi)民宅宅基地輪廓欠規(guī)整，起伏較大，且宅基地、耕地分界模糊，給地塊分界定線帶來較大的困難；此外，村民民宅大多為自建房，由于缺乏統(tǒng)一的建設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致住宅外形各異，且存在不同程度的遮蓋現(xiàn)象，給房屋面積判斷和農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查工作帶來較大的困難。

3.2 基于精度指標(biāo)的對比分析

精度是衡量農(nóng)村房屋及宅基地地籍信息測設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)[5]，本文擬先從測設(shè)精度角度對比“全站儀＋GNSSRTK”與激光掃描測繪兩種技術(shù)在房屋及宅基地邊界控制點(diǎn)和邊界線長度方面的區(qū)別，并以傳統(tǒng)測繪技術(shù)測設(shè)結(jié)果為基準(zhǔn)，定量判斷激光掃描測繪技術(shù)的可靠性。本文特選取某民宅宅基地邊界控制點(diǎn)共計30個，分別采用“全站儀＋GNSSRTK”和激光掃描兩種測繪技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測設(shè)，并將測設(shè)誤差Δ按照0和0.05基準(zhǔn)進(jìn)行誤差劃分[5]，具體對比結(jié)果（如圖3所示）：

圖3 基于測設(shè)精度的邊界控制點(diǎn)對比示意

據(jù)圖3可知：通過研究總計30個民宅宅基地邊界控制點(diǎn)測設(shè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術(shù)對應(yīng)的測設(shè)結(jié)果的誤差范圍Δ基本介于［0，0.05］之間，通過定量計算有P[0，0.05]＝70%，P[0，0]＝10%，P[0.05，∪]＝20%，故誤差范圍Δ≤0.05的統(tǒng)計占比達(dá)到80%，因此，從邊界控制點(diǎn)測繪精度角度分析，采用激光掃描測繪技術(shù)得到的測設(shè)點(diǎn)精度達(dá)標(biāo)率為80%，已達(dá)到規(guī)范限值要求。

同上，再隨機(jī)選取30個邊界線長度進(jìn)行誤差分析，以定量判斷激光掃描測繪技術(shù)的誤差情況，測設(shè)誤差Δ按照0.0、0.05、0.1、0.2四級基準(zhǔn)進(jìn)行誤差劃分[5]，具體對比結(jié)果（如圖4所示）：

圖4 基于測設(shè)精度的邊界線長度對比示意

據(jù)圖4可知：通過研究總計30個民宅宅基地界限邊長測設(shè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術(shù)對應(yīng)的測設(shè)結(jié)果的誤差范圍Δ基本介于［0，0.05］和［0.05，0.1］之間，通過定量計算有P[0，0]＝7%、P[0，0.05]＝47%，P[0.05，0.1]＝33%，而P[0.1，0.2]＝10%、P[0.2，∪]＝3%，故誤差范圍Δ≤0.1的統(tǒng)計占比達(dá)到87%，因此，從界限邊長測繪精度角度分析，采用激光掃描測繪技術(shù)得到的測設(shè)點(diǎn)精度達(dá)標(biāo)率為87%，已達(dá)到規(guī)范限值要求。

3.3 基于效率指標(biāo)的對比分析

除了測繪精度以外，隨著測繪工程逐步向大體量、大數(shù)據(jù)趨勢發(fā)展，測繪效率也關(guān)系到測繪工程的整體質(zhì)量，故通過對比“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術(shù)的測繪時間，以論證激光掃描測繪技術(shù)的高效性特點(diǎn)；本文統(tǒng)計了兩種測繪技術(shù)在完成全村村域0.72km2測設(shè)作業(yè)的所用時間，并按照測繪流程中的不同環(huán)節(jié)將總用時拆分，以進(jìn)一步對比傳統(tǒng)測繪技術(shù)與激光掃描測繪技術(shù)在測繪效率方面的差異。兩種測繪技術(shù)對應(yīng)的用時曲線（如圖5所示）：

據(jù)圖5可知：除成圖階段外，不論從各階段用時還是總用時方面對比，采用激光掃描測繪技術(shù)的作業(yè)效率明顯超過“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術(shù)，尤其在要素采集（點(diǎn)云采集）過程中，激光掃描測繪技術(shù)的自動化特性更高，且采用激光掃描測繪技術(shù)可跳過圖根采集環(huán)節(jié)，極大地壓縮了測繪作業(yè)流程，提高了外業(yè)測繪管理效率和集約化程度；雖然在后期內(nèi)業(yè)成圖階段，激光掃描技術(shù)的耗時略高于“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術(shù)，但內(nèi)業(yè)作業(yè)無須考慮安全性，且不受環(huán)境條件限制，機(jī)動性更高；綜上所述，激光掃描測繪技術(shù)在測繪效率上要全面優(yōu)于以“全站儀＋GNSS－RTK”為代表的傳統(tǒng)測繪技術(shù)。

圖5 兩種測繪技術(shù)對應(yīng)的用時曲線

3.4 基于施測難度的對比分析

本文針對某村地籍測量采用了傳統(tǒng)的“全站儀＋GNSSRTK”技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，并重點(diǎn)針對測繪精度和測繪效率進(jìn)行了對比分析，初步明確了傳統(tǒng)測繪技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)在地籍測繪過程中的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，以“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術(shù)為代表的傳統(tǒng)測繪技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)村地籍測量中得到了廣泛應(yīng)用，而三維激光掃描技術(shù)是后續(xù)發(fā)展起來的以高效率、自動化、集成化見長的新型測繪技術(shù)，在農(nóng)村地籍測量中具有廣闊的發(fā)展前景。傳統(tǒng)測繪技術(shù)和新型測繪技術(shù)在測繪儀器設(shè)備、施測難度等方面存在較大差異，這也對測量人員的專業(yè)水準(zhǔn)、技術(shù)能力提出了更高的要求，本文最后就兩種測繪技術(shù)的施測難度進(jìn)行了細(xì)化的對比分析。具體分析結(jié)果（如表1所示）：

表1 傳統(tǒng)測繪技術(shù)與三維激光掃描測繪技術(shù)難度細(xì)化對比

綜上所述，在選擇具體的測繪技術(shù)和方案前，應(yīng)綜合測繪精度、測繪效率、施測難度、投入成本、使用局限性等諸多因素，最終必選出最合理的施測方案，本文根據(jù)農(nóng)村地籍測量工作實(shí)際情況，針對上述兩種測繪技術(shù)給出了綜合比選依據(jù)。具體依據(jù)（如表2所示）：

表2 傳統(tǒng)測繪技術(shù)與三維激光掃描測繪技術(shù)綜合比選依據(jù)

4.結(jié)束語

綜上所述，本文以某村地籍測繪項(xiàng)目為案例，從精度和效率兩大指標(biāo)出發(fā)，對比分析了“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術(shù)與激光掃描測繪技術(shù)在邊界控制點(diǎn)誤差、邊界線長度誤差及作業(yè)時間三方面的規(guī)律；研究結(jié)果表明：激光掃描測繪技術(shù)的精度達(dá)到“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術(shù)水平，且測繪效率更高，測繪管理的集約化程度得到加強(qiáng)。