数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK的有效利用

数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK的有效利用

邵光敏

三门县建设测量大队浙江317100

摘要：随着我国工程建设领域行业的不断发展，测绘工程的技术水平也得到了显著的提升，尤其是在数字测图方面，在作业模式上不仅实现了多元化，同时科技化、数字化、智能化的信息采集，也保证了数字测图工作目标的高效完成。全站仪是数字测图常用到的设备，自身具备高精度，以及使用方便灵活的优势特征，测量技术人员，可通过卫星、差分技术等，在短期内实现理想的精度定位。另外在全站仪的基础上，组合其他先进测量技术，如GNSS-RTK卫星定位系统等，可显著提升数字测图工作完成的理想程度。对此本文就数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK的有效利用展开分析，希望对于我国测绘工程的可持续发展，起到积极促进的作用。

本文讨论了数字测图以及应用到测量设备的相关理论基础、使用方法、对内外工作的实践与优缺点内容，并结合实例进行分析，总结出了结论与见解，希望对数字测图工作的实践起到参照性的作用。

关键词：数字测图；测绘工程；GNSS-RTK；全站仪

一、绪论

数字测图主要是指通过全解析机助测图技术，将以往纸绘的地形图，转变成以计算机为载体的数字化地形图，继而实现对野外的实地测量。计算机可对数字地形信息进行传输与处理等操作，与模拟测图来说，还有着很大的发展空间，尤其是在经济性、劳动强度、工作效率等方面，都要符合当前信息时代发展的需求与特征，从而更好的保证测绘数据的利用率与更新程度。

（一）数字测图概念及基础分析

地图，属于古老、有效持续沿用，来表达地表现象的方式，是对自然界世界、社会人文位置，以及空间特性等信息，最为直接的表达方式。数字测图主要是对地形数据采集和成图过程自动化或半自动化，尽量缩短外业时间，将大部分内容在室内完成，将大量手工作业转化为计算机控制下的自动操作，不仅能减轻工作量，并能保证数据的精度要求；其中表达形式包括以下几种；第一、数字线划图（DLG），指在以往地形图的基础上，将地理要素，分成储存的矢量数据集，地形图也就是所谓的数字线划图。第二、数字栅格地图（DRG），是指利用已有纸质等地形图，经过扫描、几何纠正、色彩处理等方式，使其在精度、比例等方面，与地形图统一的数字栅格地图。第三、数字正摄影像图（DOM），是指将航空像片、遥感影像，利用像元纠正，按照图幅要求裁切，继而形成影像数据。第四、数字高程模型（DEM），是指将有序数值阵列形式，对地面高程进行表示，使其形成实体地面。

数字测图系统性质属于地形空间数据测绘系统，主要是指以计算机为核心，在输入输出设施的支持下，对地形空间数据信息进行采集、输入、成图、处理、绘图、输出、管理的测绘系统。主要包括地面、航空测图，以及数字成图等；属于地形测量领域的新技术，自身具备精度高、操作便利等优势，尤其是在全站仪等其他测量设备的布置等方面，其便利性有效的降低了工作强度与工作量，积极推动了数字化测量技术发展的步伐[1～4]。

（二）全站仪的测量原理探究

全站仪，即全站型电子测距仪（ElectronicTotalStation）,是一种集测距装置、测角装置和微处理器为一体的数据采集设备，能通过电子手簿或直接实现记录、存储和输出的测量仪器。全站仪主要由五个系统组成：控制系统、测角系统、测距系统、记录系统和通讯系统。主要功能包括角度测量、距离测量、坐标测量、后方交交会测量、放样测量、对边测量以及悬高测量；全站仪工作原理如图1-1所示；

图1-1全站仪工作原理图

全站仪在一个测站上能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作，较完善的实现了测量和数据处理过程中的电子化和一体化。具有小型、轻巧、精密、耐用、操作方便、精度更高等特点。被广泛应用于测绘、建筑、交通与水利等工程项目。

作为专业技术人员，仪器就是我们的眼睛一样，应该珍惜和爱护。为保证全站仪的正常工作，延长使用寿命，在操作时应注意以下几点：

1、开工前，检查仪器设施牢固程度。

2、仪器装卸要紧握提手，仪器的提取、装箱，都要紧握提手、底座，不可触碰显示单元下方位置以及镜筒，避免内固件损伤，继而降低精度。仪器使用结束后，要盖好物镜罩，擦去灰尘并固定，无障碍合箱。

3、阳光下测量，应注意避免直接将物镜对准太阳，并安装滤光镜。

4、三脚架尽量选择木制架，避免金属架振动，对测量精度的干扰。

5、当观测距离较远时，仪器的搬运，应当先将仪器卸下、装箱，牢固后搬运。当观测距离较近时移动，仪器的搬运要保持直立放置。

6、仪器故障应当及时修理，继而保证仪器使用寿命。

7、元件应及时维护、保持清洁，仪器透镜表面，要用毛刷扫去灰尘，利用无线棉布，沾取酒精后，沿透镜中心，向外按顺序擦拭擦拭。

8、湿环境中作业，结束后装箱前要做好清洁工作，擦去仪器表面水分、灰尘。

9、外环境相对较冷时，需将仪器搬出室外，放置一段时间后，再开箱观测应用。

（三）GNSS-RTK原理简述

GNSS（全球导航卫星系统），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，是综合全球导航卫星构建的全天候无线电导航系统。该系统的发展，经过了单频、双频、双星以及多星历程，在军事、民用导航、测绘、GIS等方面有着突出的贡献。GNSS仪器与常规仪器（经纬仪、全站仪）相比，在通视要求、作业距离、误差积累、气候影响、独立性、光线影响、精度、数据采集方式等方面，有着明显的优点。其主要包括空间部位（提供星历与时间信息，发射伪距与载波信号，以及提供其他辅助信息）、用户部分（接收卫星信号，记录处理数据，提供导航定位信息）与地面控制部分（中心控制系统，实现时间同步，对卫星进行跟踪与定轨）。

GNSSRTK测量，分为单机站RTK测量和网络RTK测量，单机站测量主要是架设一台接收机作为基准站（1+1或1+2），链接一台或几台流动站接收机器；两站同时接收某GPS卫星发射的信号，将基准站接收的数据观测值，与已知位置信息对比，将获得的网络差分改正值，利用无线电数据电台传输给流动站，由流动站进行数据精化，继而得出精准的实时数据[5～8]。在已建立连续运行基准站（CORS）的地区，用户经过申请、注登记、册，获得系统服务中心授权后，可采用网络RTK进行测量，相对于单机站RTK，网络RTK不受距离约束、定位精度较为均匀、可靠性较好。减少了选点架设基准站和参数设置等时间，极大的提高了工作效率。

二、全站仪联合GNSS-RTK的数字测图的实施简述

（一）外业工作实施分析

外业施测流程包括以下几点；第一、单机站RTK测量方式，是临时架设一个或是多个基准站，在小范围内利用电台、GPRS、CDMA等通讯方式，项流动站用户发送差分改正数的方式。第二、网络RTK测量用户，在城市CORS系统服务中心注册登记，获取系统权限后，得到系统服务，此时网络RTK测量用户，可以系统上，对服务区域内进行网络RTK测量。第三、平坦区域直接利用RTK进行数据采集并绘制草图，对于隐蔽和困难区域，用RTK布设图根点，辅助全站仪进行测绘，最后导入计算机生成最终数据。第四、施测前对中央子午线、椭球参数等进行设置，在已知点上检核点位精度。第五、全站仪数据采集后，在计算机导出数据后，以.DAT格式进行储存。第六、用绘图软件根据野外草图绘制成图。其中.DAT格式数据文件储存，如图2-1所示；

（二）内业工作实施分析

数字测图内业工作实施流程，主要包括以下几点；第一、借助指定的绘图软件，设置成图比例尺，进行各项参数设置。第二、参数输入；将坐标数据文件选择，实现对数据的读取。第三、展绘控制点；数据文件通过“展野外测点点号”进行测点点号的处理。第四、绘制地表实物；首先对边界点，或是公路等实物进行绘制，对草图性状进行初步的绘制；然后绘制标志性的建筑物等。第五、高程点处理；将数据文件通过“展高程点”超链接实现展绘，并对高程点进行合理的删选。

（三）质量检测及评定方式

数字测图评价内容，主要是指对地物识别、地形类型、地物分层、测量精度、涵盖元素、数据格式、表示方法以及地图数字性等精确性与完善程度进行评价，继而使其达到理想的测绘效果。其质量评价的原则，包括测量要素保证完整，测量结果要确保精确、科学与真实，结果评价要公平公正、可靠，结果分类要保证可靠、合理，测量过程方面，要确保其自动化。

数字测图质量评价指标体系，一级指标（用A编号）包括技术基础、数据规范、测量精度；二级指标（用B编号）包括等级许可、技术先近性、方法科学性、技术操作性以及数学精度、物理精度、逻辑精度等，三级指标（用C编号）包括设备情况、设计观念、可行性认可度、用户认证指标以及平面测量、高程测量、图根点、地理位置精度等。借助质量评价体系指标，对数字测图进行质量评定，结果显示与数据比较，超过90%的数据均符合限差要求。

（四）优缺点探析

1、优点

优点主要体现在几下几方面；第一、测站间省略了通视、建标等工作，节省了大量的工作量，以及人力物理财力等资源的浪费。第二、GNSS-RTK技术，可实现对观测点的三维位移测定，同时能以检查大地高来保证精度。第三、可全天候观测；该测量技术不受气候、地质等方面的影响，同时可全天候观测，提高了测量的便利性。第四、自动化程度高；网络RTK测量设备对于数据信息的接收是自动化的，同时也提高数字测图的精度。

2、缺点

GNSS-RTK技术，在应用的过程中，尤其是在地质勘察，以及监控等环节仍存在缺陷，其缺点主要的几下几方面；第一、全地域定位测量效果不理想；测量定位精度规范中，有着明确的表示；测站高角度（15°）以上，不能存在遮挡物；与信号干扰源保持一定的距离，另外测站周围，不能具备信号反射物，但是在实践中，并不能满足以上精度要求，直接增加了测量的工作难度。第二、RTK测量技术对环境要求较高；针对于地质灾害发生几率较高的环境中，利用GNSS-RTK技术，部分信号会被遮挡物影响，继而产生多路径误差，降低了测量的精度。第三、数据计算相对繁琐；虽然GNSS-RTK结合全站仪，在工作效率、质量等方面得到了显著的提升，但是在计算等方面也增加了复杂程度，尤其是在两站间的载波相位观测数据计算方面，误差源的增加，直接降低了计算的精度。

三、数字测图中的全站仪联合GNSS-RTK利用案例分析

（一）区域介绍

本次测量地点为三门六敖区域，以凤凰山农场为测区中心，南北长度、东西长度分别约为9km、2km，测区面积18.168km2，测区主要为平原地区，地势相对较平坦，风积地貌相对普及，测区交通便利。已有资料为2012年台州市大地基准框架测量布置的GPSC级点三个，坐标系统采用地方独立坐标系，高程基准为1985国家高程基准（二期）。

（二）技术标准分析

作业技术标准，包括以下几点；第一、CJJ82-99《城市测量规范》；第二、《城镇地籍调查规程》（TD1001-1993年）；第三、《地籍图图式》（CH5003-1994)；第四、《测绘产品质量评定标准》（CH10032-1995）；第五、《卫星定位城市测量技术规范》（CJJ/T73-2010）。

（三）设备简述

投入的仪器为TrimbleR8-4GNSS网络RTK（二套），已在浙江CORS注册登记并得到授权。全站仪设备为徕卡TCR-802（两台），测图目的是为土地整理提供完整的资料。

（四）联合作业过程分析

联合作业内容主要体现在图根控制点，以及碎部点的测量工作，实践流程主要体现在以下几点；第一、对GNSS-RTK进行各类参数设置，包括中央子午线、椭球参数、当地坐标系转换参数等。第二、先观测数分钟进行初始化测量。第三、与所测卫星连续跟踪，做到不失锁，此时移动接收机可在观测点进行测量。涉及到的村庄、密林、等复杂地形的测量，信号接收不稳定的区域，均由全站仪完成数据采集工作。

1、布设控制点

根据测量区域的实际地形地貌等情况，基本参数设置完成后，掌握测区范围的实际情况，依据《卫星定位城市测量技术规范》等标准，布设网络RTK控制网，控制网网形分别如图3-1、3-2所示

开始作业前，在已知点I067和I138进行了检核，检核结果分别为1.5cm和2.6cm，符合规范规定。作业时GNSS卫星接收信号良好，精度较高，PDOP值小于4，固定解平面收敛精度小于1cm，高程收敛精度小于2cm。控制点观测四个测回，每测回观测时间30个历元。每测回观测结束后，都对仪器重新进行初始化，测回间的时间间隔大于60秒。以四次观测成果的平均值作为最终成果。

2、碎部点采集

RTK碎部点采集以二人为一组，一人采集数据，一人绘制草图。测绘内容为水系、居民地及设施、交通、管线、地貌、植被与土质要素等。各类要素采集要求应按照规范要求进行。

全站仪采集碎部点，按三人为一个工作组，以领尺员为核心。作业组的仪器配备：全站仪1台、对讲机、花杆一根，10米钢卷尺一把。出测之前，先将作业区的已知点准备好，应先了解测站周围地形、地物分布，并及时画草图，以便观时标明所测碎部点的位置及点号。仪器在测站点上设置好后，对后视点进行定向，以第三个已知点校核。开始进行碎部点的采集工作，采集碎部点时，观测员与立镜员或绘草图员之间要及时联络，绘制的草图必须把所测点的属性标注在草图上，以供内业处理、图形编辑时用。草图的勾绘要遵循清晰、易读、相对位置准确、比例一致的原则。一个测站的所有碎部点测完之后，再到已知点重测进行检查。

3、碎部点数据处理

内业成图采用CASS9.0软件，按照1:500数字地形线划图（DLG）生产方法进行成图。在保证数据测量精度的同时，更要注重对数据格式一致性的处理，将其转换成.DAT格式进行储存，例如HLB-A1.，4341520.684，4724521.168,16.375与HLB-A1.，4341775.894，4728567.268,17.449……数据文件储存格式依次为点号、逗号、东坐标、北坐标、高程，将标准的数据文件输入计算机。在野外绘制草图的基础上，利用软件编辑，将其连线成图；另外加强其接边误差的控制，可将全局测区图形编辑成整体，按照实际需要去分幅，从而更好的保证图形文件数据处理的准确度。

4、野外检查与评估

采样点地图绘制结束后，利用CGCS2000坐标系，对样图进行绘制；然后将绘图进行实地比对，将地形等方面的错误进行纠正与调整。其检查与精度评估操作主要包括以下几方面内容；第一、测图后需进行实地检查，对遗漏的地物、地形、标识等及时补充，将错误绘制部位进行纠正，并在样图、测图中进行标记，继而保证数据的准确性以及地图的完整性。第二、将数据点三维坐标，经过对照组分析，发现大部分的界址点坐标重合差，限差均低于±3cm，有效避免了多次重复测量的工作量，且均满足规范标准。

城市测量规范，对图根点、碎部点等有着指定的要求；例如，在利用GNSSRTK碎部点采集方式时，直接采集界址点，精度应当符合标准规定，对于较为隐蔽的界址点，可以通过间接方法进行计算，利用内插、外插，以及直角推算等方式。对于距离的计算，应当采用质检过的钢尺进行测量，重复测量取均值。基于直角推算角度分析，应用过程中，避免利用短边进行推算。使用距离交会时，条件是要超过三边。再用间接计算界址点坐标数量时，不能高出界址点总量的20%，本次测量结果显示，图根点与最近控制点的点位误差，以及碎部点、图根点间的平面中误差，在经过野外实地检查后，均符合城市测量规范精度要求。

（五）结果分析

本次测量工作，采用了新旧测量技术相结合的方式，基于测量实践的角度分析，本次测量结构，要比以往作业操作，在工作效率、测量精度程度等方面，有着很大的提升。全站仪、GNSS-RTK联合作业测量，打破了以往测量技术在地形环境等因素的限制与干扰，有效的保证了数字绘图的效果。同时利用全站仪测量设备，在测图点位、高程方面的误差分析，显著的提升了测量的精度。而基于测量中通讯角度分析，在数据通信传输速率，以及通信持续性等方面，有着明显的改善，对此可看出通讯系统的时效性，以及可靠性等优势特征。在测量环节，编解码分析方面，以及坐标转换方面，不仅操作便捷，同时也实现了实时测量操作模式。与此同时，对于数字测图质量评价指标等方面的分析，也为测量结果的精度检测，起到了一定的参照作用。

经过实例研究证明，全站仪与GNSS-RTK联合作业，不仅具备一定的可行性，同时还有着其他测量手段不能达到的比拟的优势，但是由于各个设备的开发思想、设计理念不同，增加了联合作业的复杂性，尤其是在数据处理方面，数据处理的繁琐性，会直接增加结果误差风险，对此加强设计联合作业下的数据处理软件尤为重要，这为数据的分析处理工作增加了便利性，提高了工作效率，同时也保证了结果的精确度。另外在数据存储方面，用户可以根据自己的需求，自行使用数据库文件格式，一般常使用可视化类数据库文件格式，在查询、图文生成等方面都相对便利，保证了报告的完整性与合理性，对此加强此方面的研究尤为重要。

另外GNSSRTK测量系统，在不断的实践与优化中，不仅实现了测量的实时性，同时也保证了定位的精准性，在携带、测量过程相对方便，且不受地域地形繁琐程度等方面的影响，给测绘工作带来了极大的便利。

四、结论

随着我国科学技术的不断发展，先进测量设备、技术等的应用也逐渐广泛，积极推动了数字绘图技术发展的步伐，为军事、房产等行业的发展，起到了积极促进的作用。全站仪联合GNSS-RTK在数字测图中，比起几种测量手段的单独应用效果来说，在工作效率等方面都是单独测量方式不能达到的。本文对联合作业操作的流程、可行性、优缺点进行了描述，对测量技术的工作原理、全站仪点位误差、设备联合使用方法、质量评价指标体系等进行了分析，最终总结出国内数字绘图工作中，全站仪联合GNSS-RTK测量技术的应用已经越来越广泛，测绘实践经验越来越丰富，虽然提升了工作效率和质量，但是在精度方面还需要加强控制，从而更好的保证联合作业操作效果。

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作者简介

邵光敏（1979.06.27），男，学历;南昌航空大学《工程造价管理》专业本科单位：三门县建设测量大队，研究方向：测绘工程