摘要
此次测量的目的是为测区提供基础资料和相关部门提供必要的数据支持和决策依据，为后续规划工作做准备。本文是基于苏州市金庭镇衙甪里原有测绘资料，运用双观测法及网络RTK布设图根控制网，接着采用GPS RTK与全站仪联合测量对测区进行碎部测量并处理数据，最后将测量数据导入电脑运用南方CASS成图软件使用草图法和编码法对外业测量数据进行绘图并打印输出成果图。
关键词：地形图测绘；外业测量；内业成图；数据处理
第一章 引言
1.1 选题背景与意义
几年前，苏州市一直努力想把金庭镇红菊风光带打造建设成为苏州特色风景区，这样不仅能带动金庭镇经济的繁荣、推动相关产业的发展，而且还能给市民提供一个观光、旅游、度假的休闲中心。为此，苏州市决定重新规划建设金庭镇红菊风光带。
自红菊风光带建成以来，到目前为止还未形成完整的地形图资料，尚且处在改善阶段。随着风光带的闻名，其旅客规模正日益扩大，需要对其土地利用进行有条理的规划，使后期的建设有准确、可靠的数据依据，风光带内一些独立地物，例如路灯、配电室等，还有其他一些地物要素，例如橘林、附近河道、山体等，需要知道其具体、精确的坐落位置，以便日后规划改建风光带带来方便，为此需要对该风光带进行大比例尺地形图测绘。
1.2 国内外研究进展
现阶段随着数字化测绘的发展，尤其是GPS和免棱镜全站仪的普及使用，外业采用GPS RTK配合全站仪进行内外业一体化测图模式，内业采用测绘专业软件绘制专题图已经成为主流方式[1]。它有两个特点：第一是测图的精度高。数字化测绘技术中测图的精度高是其显著的优势，数字化测绘技术的运用，使地图测绘的精确度发生了质的变化。通过GPS-RTK与全站仪共同测量，极大的提高了精度[2]。以2010年栾城县城北八里庄村1：500地形图测绘为例,该测量采用国家2000坐标系，运用GPS-RTK联合测量，极大的提高了精度和效率。第二自动化的程度高。这与计算机技术的运用及发展有着密切的联系。数字测图在绘制的过程当中，能够运用计算机软件进行自动计算、自动选择图示符号、自动进行识别等，所获得的数字地形图比手绘的地形图在精确度、美观、规范等方面都有极大的提升[3]。
目前，国内市场上技术比较成熟的数字测图软件主要有南方测绘仪器公司的数字化地形地籍成图软件CASS、北京威远图的SV 300系列、 广州开思的SCS系列等[4]。他们都利于图形的编辑。在数字化测图中，通常能够对成果数据进行分层的存储，这样图面的负载量就不会受到限制，这样就可以对成果进行进一步的加工和运用，这样就可以防止传统测图技术中某些弊端的出现。我国曾先后建立了1954 年北京坐标系，1980年西安坐标系，国家2000坐标系三种大地坐标系,及 1956 年黄海高程系。1985 国家高程基准两种高程系，许多矿区和城市根据自身管理的需要也建立了独立的地方坐标系和高程系。所以，在地理信息系统建设发展和数字化测图生产过程中，图形数据的坐标和高程转换工作就值得注意和研究[5]。
1.3 研究内容与技术流程
1.3.1研究内容
（1）大比例尺地形图测绘图根点选点与埋设标志的方法；
（2）基于CORS系统网络RTK进行图根控制测量的技术与方法；
（3）基于GPS RTK联合全站仪进行碎部测量的技术方法；
（4）基于外业观测数据，利用CASS软件结合外业草图及简码法进行地形图绘制的方法；
（5）大比例尺地形图外业测量技术规程与内业成图规范的研究。
1.3.2技术流程
首先收集该区域相关技术资料和数据，然后在对测区进行充分研究和踏勘的基础上，编制地形图测绘技术方案。接着在该区域内选取一定数量的控制点作为图根控制，并埋设标志，制作点之记。待点位稳定一段时间后，利用基于CORS基准站的网络RTK技术测量图根控制点在在苏州市城市坐标系下的坐标。注意需要及时检查测量数据是否合格，不符合误差要求的需要重新测量。
意此次测区地势较为复杂，山区需增加高程点采集，农田和小路可以适当加大观测距离。碎部测量采用全站仪联合GPS RTK的方法进行，外业测量时绘制草图，外业测量结束后，将数据传输到电脑并导入CASS中，利用草图法及简码法绘制地形图，绘制结束后对图面进行检查、整饰，若有错误和遗漏，则进行补测。地形图合格后，方可输出地形图，并撰写技术总结。
第二章 研究基础
2.1 数字测图原理
数字测图就是测绘人员将数据采集系统与内业机助制图系统相结合，形成了从野外数据采集到内业制图的数字化、自动化、一体化的测量制图系统。其基本过程主要包括数据采集、数据处理、图形输出[6]。
全站仪测图是利用全站仪架设在已知上，后视另一已知点，通过测量待测点与测站点之间的角度和距离，根据坐标正算原理，系统自动计算出待测点的三维坐标，测量结果能自动显示在屏幕上，数据存储在仪器的内存卡中，并经过数据线将数据导入CASS，经过室内成图操作，绘制地形图。
RTK测图是在基准站上设置一台接收机，作为参考站， 对GPS卫星进行连续跟踪观测，通过无线电传输设备，将接收到的信号和位置信息等实时地发送给流动站用户，流动站接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传来的数据，然后根据相对定位原理，实时地解算出流动站在WGS-84坐标系下的三维坐标及其精度。当我们把流动站依次安放在三个以上的已知点上进行测量后，就可以解算出从WGS-84坐标系到当地坐标系的转换参数。在后期的图根控制测量或者碎部测量中，即可快速地测出测点在当地坐标系下的坐标[7]。
2.2 作业方法
本次测量基于苏州市金庭镇衙甪里原有资料，图根控制测量使用双观测法及网络RTK测量，参数使用苏州城市坐标系七参数，差分信号由苏州CORS中心提供。先在实地勘探后选出图根点布设位置，利用GPS在一天内不同时段进行静态观测，每次观测45分钟以上。待GPS网布设完成后内业解算数据，数据合格之后即可进行碎部测量了。
碎部测量采用GPS-RTK和全站仪相结合的方法进行测量。对于空旷、GPS信号较好的区域，可直接采用RTK实地采集碎部点坐标。对于GPS信号较差，不能测得固定解的区域，需要用全站仪测量。采用全站仪测量时，又使用棱镜观测和免棱镜观测两种观测方法相结合。两种方法都需要现场绘制草图，回到内业利用CASS软件，经过内业绘图处理，绘出地形图。
第三章 测量前期准备
3.1 技术要求
此次测量图根控制使用双观测法进行，及GPS在不同时段对同一图根点测量两次，要求平面较差小于2cm，高程较差小于3cm。GPS信号接收机观测时段一般每站都要求在45分钟以上，并且观测地段需要处于开阔地带，无树木等遮挡物影响信号。对于实在难以进行RTK作业的测区，则在已有GPS控制点的基础上，以附合线路、结点网等方式布设图根导线。不同的测区根据实地情况自行确定，本次测量控制网等级为四级，应按照如下要求：
表3-1 GPS网精度分级指标
|
等级 |
平均距离 |
a(mm) |
b(ppm.D) |
最弱边相对中误差 |
|
二 |
9 |
|
|
1/12万 |
|
三 |
5 |
|
|
1/8万 |
|
四 |
2 |
|
|
1/4.5万 |
|
一级 |
1 |
|
|
1/2万 |
|
二级 |
<1 |
|
|
1/1万 |
10
2
10
5
10
10
10
10
15
20
3.2 控制网稳定性分析
3.2.1 控制网的参考基准
控制网稳定性分析是基于固定范围内重复观测的数据比较上，而且这种比较需要共同的参照基准。对于测量工程来说，系统的选择应与国家系统一致。因基准选取的不同，算出控制网变形值也不同，与此同时，平差方法的选择也得取决于基准的选择。无论是高程基准还是平面基准通常都分为重心基准、固定基准和拟稳基准三种。如何选择不同的基准，一般参照网型中点的特征如何。对于网型中的不动定点，相对定点（即一部分点对应另一部分点是稳定的）和变形点来说，对应采用的一般为固定基准，拟稳基准和重心基准。
3.2.2 控制网稳定性分析方法
对于桥梁控制网稳定性研究，基本从统计学和工程理论与实践两个方面来分析，通过整体检验和单点检验评判，以规范或者设计规定量值为标准。
3.2.2.1 平均间隙法原理及检验
平均间隙法一般用于相对比较稳定点的检验，具体表现为：在两个不同的观测周期，观测网中的点几乎没有发生变化则可以将两次观测当成对于同一观测网的连续观测。对于连续观测所得的数据进行平差后求得点位高程值可以看成是同一组双观测值，最后利用双观测值的差值求得单位权方差估计值。待高差d和协方差阵Qd 后对连续监测图形进行一致性检验，通过检验则认为稳定，不通过则需要找出不稳定点。最后计算高差最大的值找出位移最大的点剔除，再次重复上述步骤，直至通过检验为止。平均间隙法检验过程如下所述。
............略
式中：j表示第j期。
对控制网稳定性进行合理的分析是开展变形监测工作的保证。以上检验方法都可以推广到多期数据进行解算，以此来判断基准点的稳定性。
3.3 测区概况
此次测区位于苏州市吴中区慈西村范围，交通较为便利。测区内树林较多通视条件一般，测量难度中等。测区南侧为太湖湖岸线、东侧为慈西村、西侧和北侧是山体，测量范围线由甲方提供，该范围线面积0.13km2，实际测量面积约为0.14km2。
3.4 仪器设备及人员安排
（1）本工程投入人员共8人：其中测图组2个作业小组，每组4人；检查人员两人：总工程师一名，高级工程师一名。
（2）南方全站仪1台套（2″）。
（3）南方S82网络RTK2套。平面等级精度为1cm+1ppm，高程等级精度为2cm+1ppm。
（4）苏一光DSZ2水准仪一台
（5）计算机1台，打印机1台。
3.5 测量技术依据
（1）《城市测量规范》(CJJ8—99)；
-
《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》(GB/T7929—1995)；
-
《工程测量规范》(GB50026—93)；
-
《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73—97）；
-
与本工程有关的其它技术规定、协议及合同。
3.6 参数转换设置
由于基站的位置每天都会变动，因此每次在进行测量之前都需要进行校正向导。在校正向导之前需要按如下参数，进行坐标转换参数设置。如表3-2所示：
表3-2 坐标转换参数设置
|
北平移 |
7409.7623 |
|
东平移 |
-159255.4246 |
|
旋转角（dd.mmssssss） |
0.3957858962 |
|
比例尺 |
0.99981141111444 |
|
北原点 |
0 |
|
东原点 |
0 |
|
北校正 |
0 |
|
东校正 |
0 |
|
高程校正 |
-2.348 |
第四章 外业测量
4.1控制网布设与选取图根点
（1）选点：根据《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》(GB/T7929—1995)技术要求：
表4-1 图根控制点密度
|
测图比例尺 |
1:500 |
1:1000 |
1:2000 |
|
图根控制点的密度 |
64 |
16 |
4 |
根据测区范围和技术要求，此次布设10个图跟点，分布在整个测区。图根控制点应分部均匀，布满整个测区。一般选在地势较高、视野空旷地区，且要保证点的稳定性，防止点的位移或是下沉，相邻两控制点间需要相互通视。要避免高压线、高大建筑物、大面积水域，实在无法避免的，需要更长时间的定位，或是增加观测次数，以提高其精度。
GPS静态观测时根据《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73—97）要求如下：
表4-2 GPS静态观测要求
|
等级 |
平均距离（Km） |
障碍物高度（°） |
与干扰源距离（m） |
|
图根 |
0.1-0.3 |
15 |
200 |
表4-3 GPS静态观测要求
|
等级 |
图根 |
|
卫星截止高度角（°） |
15 |
|
同事观测有效卫星数 |
≥4 |
-
埋点：本次测区以田地和小路为主，在用GPS精确定位后，将木桩钉入泥土内，木桩中间定入水泥钉，并喷红漆，标注点名。在水泥路上时点位要选定在通视良好，地质坚实的地方，并直接钉水泥钉，喷红漆标注点名即可。图片如下所示：
图4-1 控制点图片（略）
-
测设：选择空旷区，GPS设置为基准站模式架设基准站。由于测区有山体，故在山顶架设信号较好。对于基准站，需要架设在空旷，地势较高处。固定基准站的三脚架，需要稳定，防止下沉，并安排一人专门负责看守基准站。基准站需要先粗平后精平，无需架设在已知点上。对中整平后设置数据链，设置通道1，空中速率9600。设置完成后手部链接基准站，新建当天的工作文件夹，例如：20140701。套用之前设置的配置好转换参数的工程文件，参照表3-2，进行转换参数设置。图根控制测量之前需要在已知点点上检验转换参数是否准确，若能控制在1cm以内的误差，则可以进行图根控制测量，若不能达到要求，需要重新计算转换参数。全部完成后采集已知点坐标，比较精度。如果精度在毫米误差内，则视为成功。如误差较大，则需重复上述操作检核。
-
待成功转换参数后即可进行测量工作。先采集埋设的图跟点。测量时注意要等手部显示固定解才可确定。测量时注意对中杆的气泡居中，否则会影响测量精度。
-
待图跟点测量完成后，进行数据处理，以备后期的测量和绘图工作
-
成果报告，电子文档发送检查，复核，报审完了以后的资料就要作为正式文档，归档。此次控制点布设成果如图所示：
图4-2 控制点分布情况图（略）
表 4-4 控制点坐标
|
点名 |
Y坐标 |
X坐标 |
高程 |
|
G1 |
16510.88 |
22109.288 |
2.856 |
|
G2 |
16102.798 |
21995.171 |
4.07 |
|
G3 |
15876.412 |
21960.974 |
2.598 |
|
G4 |
16195.54 |
22091.54 |
37.354 |
|
G5 |
16296.413 |
22055.554 |
24.649 |
|
G6 |
16269.839 |
22092.946 |
40.196 |
|
G7 |
16299.733 |
22090.823 |
32.414 |
|
G8 |
16249.102 |
21922.277 |
3.735 |
|
G9 |
16238.759 |
21922.406 |
3.735 |
|
G10 |
15812.383 |
21876.508 |
6.082 |
4.2 碎部测量
此次测图为1：500大比例尺地形图，所以侧区内独立地物，所有地物要素都要测量，测量步骤如下：
-
首先同图根控制测量一致，在测区选择一个地势较高且空旷，信号良好的区域架设基准站。准站位置根据当天测量任务区域来选择。
-
在手簿内新建工程文件，文件名和上述一致，按照日期编号。在新建的工程文件内套用前期的转换参数文件参照表3-2，连接基准站并转换好参数后即可开始碎部测量。测量时，流动站的主机需要与手簿连续连接，二者蓝牙连接，最大距离不能超出10米，基准站和流动站距离不能超过15km。测点时，流动站的对中杆水准气泡需要准确居中，天线杆高适中固定。
-
经讨论此次测量首先测量测区内的所有道路和河道。道路使用统一编码DL，按一测方向顺序进行采集，由于测区道路和河道均为人工修筑，宽度基本一致。所以道路另一次测量端点即可，在内业绘图时平移一侧的道路。另外测量时还要准确测量道路拐点，交叉口。碎部测量的同时，需要清楚绘画现场草图，并做出点号注记，地形复杂区域，还应该附属文字说明。
-
用同样的方法采集桥梁，注意采集时手部显示待差分解和浮点解变为固定解才可存储数据。
-
对测区内的建筑进行测量，包括测区房屋，配电室等。由于这些区域的GPS测量精度不够达标，且采集时不方便，所以采用全站仪进行测量。在图根控制点上架站，精确后视与之通视的控制点，后视检查后，需要注意检测测站和后视点信息是否设置正确，一般坐标差和高程差在每项小于毫米的前提下，认为设置准确，可以开始测量，否则应查找原因，重新设置。注意测量人员在读数时，要注意检查水准管气泡是否居中；在每次观测完20—30个碎部点后，应当重新瞄准起始方向以检查其是否发生变化。当每站测量完成后，应及时进行检查，确认无漏测时才可以迁站。
-
对测区内的植被测量，包括橘林、散树、花坛、农田等，准确测出这些区域的边界部分，并在图纸上做出详细注记，标出所测植被的类型。对信号不好的区域，同样也需要利用全站仪测量。
4.3 小结
本章主要对外业测量步骤做了总体概述，主要分为两大类。第一类是确定图根点的位置，第二类是对测区进行碎部测量。测量时需要注意打点精度，测量时可以采用全站仪配合GPS RTK联合测量进一步提高观测精度，以便于后续的室内绘图工作。在测量时还需注意及时检验数据是否合格，不合格需要及时补测重测。
第五章 内业成图
5.1软件选取
5.1.1 主要软件功能
此次室内绘图主要采取南方Cass软件，它最基本的功能便是地形图成图功能。除此之外，还具有计算土石方数量、强大的画线功能、重复图元功能、后期处理、批量分幅、测站改正、提取等高点文件、等高线局部替换、批量插入图块等功能。由此可见，该软件非常适合内业成图的实施[10]。
5.2地形图绘制
5.2.1 数据格式转换
南方Cass软件绘制地形图主要分为三个模块，分别为：数据通讯、坐标格式转换和选择成图方法绘制地形图。
（1）数据通讯就是将全站仪内存中的数据传输进电脑中。此次测量采用RTK与全站仪联合测量，外业采集点是直接存储在仪器内部存储卡内，将仪器用数据线与电脑连接把存储数据导入电脑即可。
（2）坐标格式转换就是指将导出的仪器数据格式转换成Cass默认的坐标格式。由于测量数据导入电脑格式不能被CASS识别，此次测量采用手动修改的方式。首先将.DAT文件用EXCEL打开，逗号用空格取代。保存后再用记事本打开，把两个连接空格替换成两个逗号，如下图所示：
............略
5.4.2 精度评定
精度评定主要是指：两点之间位置关系的正确性，主要指的是图上两点之间的距离与实地上该两点之间的距离是否一致。在CASS中选取房屋，查看其面积和边长，记录数据后去实地用卷尺进行量测，检查其测量精度和绘图精度。具体数据如下表：
表5-2 房屋精度检查表
|
属性 |
图上显示/m、m2 |
实测距离/m、m2 |
差值/m、m2 |
|
长度 |
7.593 |
7.590 |
0.003 |
|
宽度 |
6.646 |
6.648 |
0.002 |
|
面积 |
49.91 |
49.98 |
0.07 |
由实测检查后，可知测量精度可靠，准确。可用同样的方法检查其他房屋，两相邻的控制点间的距离，桥梁的长度等等。在全部复测检核之后，对图像加注记，加图框。根据农田区域加入农田等地物要素，最终成果如下图所示：
图5-13 成果图（略）
5.5 小结
本章主要对室内制图做了整体概述。室内绘图根据草图法，编码法等进行绘图，同时需要注意以下问题：
（1）处理等高线：若等高线为一段段断线，则连接等高线，若等高线比较棱角分明则还需要拟合，然后修改并设置等高线高程就可以了；
（2）内插高程点：若高程点密度明显不满足测绘要求，则我们可以用getz命令来插入高程点，先查询高程现状，然后用getz命令插入高程点[12]。
（3）因为数字化测图的内业处理所需处理的数据文件比较多。例如您将面临输入各种各样的文件名在进入CASS系统后，所以我们最好养成自己熟悉的命名习惯，以减少内业工作中不必要的麻烦。
第六章 结论与讨论
6.1 成果总结
此次测量是基于苏州市金庭镇衙甪里村原有测绘资料，通过转换原有的城市坐标系为国家坐标系为基础，对测区进行GPS RTK与全站仪联合测量，得到金庭镇红橘风光带1:500地形图。
（1）此地形图表示了测量控制点、农田、沟渠、工矿建（构）筑物及其它设施、交通及附属设施、管线及附属设施、地貌和土质、植被等各项地物、地貌要素，以及地理名称注记等。
（2）布设控制网时应注意周围是否通视，有利于发展且地表较坚固。此次测量共布设10个控制点，都可以观测到相应地带的地物要素。布设时严格按照要求平差，检核。
（3）碎部测量使用RTK配合全站仪测量，有效的提高了效率和精度，内业绘图采用草图法和简码法绘图，也使工作效率得到有效提升。
（4）各种名称注记、说明注记和数字注记准确注出。图上所有居民地、道路、山岭、沟谷、河流等自然地理名称，以及主要单位等名称，均进行调查核实注记于图上。
6.2 讨论
结合本次课题，所发现目前尚未解决的主要问题，现罗列如下：
（1）RTK测量时在树林茂密处或电压线下时经常不能形成固定解。因此，需要对RTK技术进行优化改善。
（2）RTK手簿的内置电池容量较小，一般不能支撑一整天的测量，需要对手簿的内置电量进行扩容。
（3）RTK免棱镜模式下，测量时会发生飞点现象，需要对此作出相应措施解决此类问题。
参考文献
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