Topcon影像全站儀在廢棄采石場地形測量中的應用

高俊，梁超，彭賢鋒，許宗文，趙廷寧?，閆繼斌

(1.北京林業大學，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;2.北京川卅科技發展有限公司，100041，北京)

Topcon影像全站儀在廢棄采石場地形測量中的應用

高俊1，梁超1，彭賢鋒1，許宗文1，趙廷寧1?，閆繼斌2

(1.北京林業大學，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京;2.北京川卅科技發展有限公司，100041，北京)

近年來，廢棄礦山生態環境問題越來越受到國家的重視，廢棄礦山生態恢復逐漸發展為我國城市生態環境建設的重要內容之一，而區域地形測量則是生態恢復的基礎。影像全站儀測量技術作為近年來發展的一種新興地形測量技術，在廢棄采石場地形測量中應用較為廣泛。在介紹日本Topcon Corporation公司生產的影像全站儀測量技術原理的基礎上，以實例實現地形測量及后期成圖的全過程。實踐證明，影像全站儀測量技術具有操作簡單、測量速度快、精度高等優點，特別是影像全站儀測量過程中不需要用棱鏡進行光線反射，極大地提高了地形測量的效率，同時對測量人員的安全性也有保障，適用于常規測量難以實現的困難立地地形測量。

影像全站儀;測量;采石場;地形圖

隨著我國生態環境事業的發展，廢棄采石場生態修復成為我國生態環境建設的重要領域。在礦區生態環境治理的規劃設計工作中，測繪礦區1∶500的大比例尺地形圖，是對礦區進行立地類型劃分并制訂分區治理規劃的基礎。在影像全站儀測量技術出現以前，礦區地形測量通常采用經緯儀視距法、GPS RTK法［1］或有棱鏡全站儀法，這些方法均需工作人員在待測的地形點上跑點，同時對一些無法到達的危險區域，如開采深坑、陡立坡面、毒害物質區域等關鍵部位，均無法進行有效測量［2－3］。近年來，隨著影像全站儀測量技術的發展，地形測量的全面性、準確性有了較大提高，彌補了傳統地形測量技術的不足。影像全站儀測量技術只需設置相關掃描參數，無需測量人員跑點，即可對研究區域完成測量工作，工作量小，安全性高，極大地提高了測量效率;但由于其使用成本較高，目前國內擁有影像全站儀數量較少，未能在廢棄采石場生態治理中廣泛推廣應用。鑒于該測量技術在廢棄采石場地形測量和治理規劃設計中的技術優勢，通過介紹筆者在2年內使用日本Topcon Corpration公司生產的Topcon影像全站儀對多個廢棄采石場進行地形測量實踐的經驗，針對影像全站儀測量技術在儀器安裝、TopSURV測量軟件使用等方面所遇到的關鍵問題，總結影像全站儀測量技術在地形測量中的關鍵技術和操作方法，以期為項目后期的數據分析以及水土流失治理措施的設計提供技術支持，同時為影像全站儀測量技術的進一步完善和推廣提供理論依據。

1 影像全站儀測量技術

1)影像全站儀測量原理。影像全站儀測量技術是利用發出的窄小激光束打到待測目標表面，再依靠目標表面反射激光，并由影像全站儀獲取的測量方法。該測量方法只需要待測目標在影像全站儀的量程內，并符合影像全站儀測量對反射介質的要求，不需在待測目標上放置反射棱鏡就可精確地測得該目標的三維坐標［3－4］。

2)影像全站儀功能特點。影像全站儀內置有廣角鏡頭和長焦鏡頭2個數碼鏡頭，可以通過相機拍攝直接將測量現場的照片顯示在影像全站儀屏幕上，以此可以直接在照片上設定所需的掃描邊界;掃描方式多樣化，適應于多種場景的目標數據獲取，可為后期成圖計算提供豐富的有效數據;可達1 200～2 000 m 有效測距［5］。

2 外業數據采集

影像全站儀測量過程通常需要3名測量人員配合進行，其中2人負責全站儀的安裝及調試，另1人負責轉站時棱鏡立桿。免棱鏡測量設備包括拓普康IS201影像全站儀、腳架、棱鏡、棱鏡桿、GPS、卷尺等。外業數據采集流程如圖1所示。

圖1 外業數據采集流程Fig．1 Process of field data acquisition

2.1 布設控制網

在實施測量工作前，需要對采石場進行探察選點，選擇干擾較小、通透性較好、利于腳架儀器的點為控制點，布設范圍務必要覆蓋整個采石場。為方便控制點短期保留以便后續測量工作順利進行，建議在控制點位置打入長釘，并用紅漆做好記號。

2.2 儀器安裝

將全站儀腳架立于控制點上方，通過目視對中調平，為防止在測量過程中因全站儀轉動導致腳架發生偏移，要特別注意將腳架尖端部分踩入泥土或石縫中以固定腳架。建議基座固定在腳架上之前將全站儀腳螺旋全調至松開狀態，以方便后期微調平。通過光學對中器將全站儀對中至打好的控制點長釘上，通過控制腳架上的螺旋調節腳架升降，將全站儀圓氣泡調平，再次對中，并通過調平全站儀長氣泡不同方向，確認對中調平，完成安裝。

2.3 坐標系引測

地形測量時應根據最近的大地坐標原點采用GPS靜態測量或GPS RTK技術引測水平面的坐標，標高則以平均海平面為依據選取。實際地形測量過程中，根據大地坐標原點引測坐標，通常是先定一個臨時原點，其他點的坐標則相對此原點的坐標測量獲得。筆者應用影像全站儀測量采石場時，先選用GPS測量第1個控制點的經緯度和高程，再用Arcgis軟件投影“Beijing－1954坐標系”生成該控制點的大地坐標，以此坐標引測其他點的相對坐標。

2.4 設置后視

有測站點和后視點才能確定方位，有測站點坐標和后視點坐標2個數據才能解算數方位角，利用全站儀測角和測距功能方可推算未知點的坐標，因此，必須先設置后視。有研究結果表明，影像全站儀測量精度能夠滿足基線測量的規定［2，6］，在常規地形測量中，可選用全站儀進行控制點觀測及后視。應用角度后視的方法測出后視點的坐標后，為確保測量精度，務必要進行后視檢查，誤差小于0.01則說明測量精度在允許的誤差范圍內，此時才能繼續進行下一步測量工作。

2.5 區域掃描

影像全站儀配套的軟件提供了多種區域掃描方法和掃描參數，根據測區特點選擇合適的掃描方法和參數，務必通過粗瞄器對準待測區域，測出儀器與待測區域的距離，以減小測量誤差。所有選項設置好后，即可進行自動掃描，掃描結束后對數據進行輸出保存。

本站可視區域掃描完成后，需通過轉站完成下一待測區域掃描測量。將棱鏡立于下一個控制點，觀測棱鏡測出控制點坐標，得出控制點坐標后務必要點擊控制板上的Enter鍵，才可將控制點的坐標存入儀器中。將儀器移至該控制點上，重復以上操作步驟，對下一塊區域進行測量，相連的2塊測量區域應有重合線。

3 數據處理

外業測量工作結束后則可進行內業數據處理。應用 Arcgis［7－8］完成相關數據處理工作，具體操作步驟如圖2所示。

圖2 內業數據處理流程Fig．2 Process of indoor data processing

3.1 數據導入

通過數據線將影像全站儀測量的數據導入電腦中，并保存為逗號分隔符“csv”格式，并將經度值設為X坐標，緯度值設為Y坐標，高程值設為Z坐標。打開 Arcgis軟件，選擇“Beijing_1954_GK_Zone_17N”投影坐標系，導入所測采石場的所有測點數據文件。采石場點云數據如圖3所示。

包子店門前是開闊的廣場，除了花圃和車位，還有很多空地，后來成了家長接送孩子滯留的地方。每當上學放學的時候，這里人頭攢動，談笑風生，滿眼都是接送孩子的家長，爺爺奶奶居多。在這里開包子店，應該是最佳選擇。

3.2 生成三維數據

圖3 采石場點云數據Fig．3 Point data of the quarry

在廢棄采石場地形應用中，三維數據越來越受到重視，TIN是重要的三維數據構建和展示模型。TIN是按地形特征采集的點，根據一定規則連接成覆蓋整個區域且互不重疊的許多三角形構成的一個不規則三角網。TIN能較好地顧及地貌等特征點、線，逼真地表達復雜地形起伏特征，克服地形起伏變化不大的地區產生冗余數據的問題［9］。

通過ArcGIS的3D Analyst工具創建TIN圖，利用不規則點自動構建不規則三角片網，并根據不同高程顯示不同顏色。創建的采石場的TIN圖見圖4。

圖4 創建的采石場的TIN圖Fig．4 Create TIN of quarry

3.3 TIN圖轉柵格圖

柵格結構是最簡單最直接的空間數據結構，是以規則的陣列來表示空間地物或現象分布的數據組織，組織中的每個數據表示地物的非幾何屬性特征，所在的位置則根據行列號轉換為相應的坐標［10］。通過ArcGIS的3D Analyst工具中的“轉換”工具由TIN圖轉換成柵格圖，結果見圖5。

圖5 由TIN圖轉換后的柵格圖Fig．5 Raster converted from TIN

3.4 生成等高線圖

根據柵格圖進行空間分析，通過ArcGIS的Spatial Analyst工具中的“表面分析”工具生成等高線圖［11］，見圖 6。

圖6 由柵格圖生成的等高線圖Fig．6 Contour graph created from raster

因測量過程中難免會產生誤差點，需進一步對等高線圖進行誤差點修改，然后對等高線圖進行方向確認，最后標注高程。

3.5 面積查詢及坡向坡度分級

工程設計中涉及到項目區劃分和工程措施、植物措施布局，需要測區水平面積、實際面積及坡度分級等參數，在ArcGIS中，可以通過表面分析工具進行測區水平面積和表面積查詢，在TIN屬性設置里可以選取測區坡向和坡度分級，采石場分級結果如圖7～圖9所示。

圖7 面積查詢Fig．7 Area query

圖8 坡向指示Fig．8 Slope direction

圖9 坡度分級Fig．9 Slope classification

根據廢棄采石場生態治理要求，通過ArcGIS制圖可查詢分析得到測區的水平面積、表面積、坡度、坡向、相對高差、坡面斷面圖等采石場生態治理規劃設計所必需的多項關鍵數據，可為完成采石場生態環境治理規劃設計提供可靠、詳實的數據支撐。

4 影像全站儀的優勢、適用條件和測量過程中的注意事項

2)適用條件。影像全站儀適用于通視條件較好，無大面積遮擋物的區域地形測量;適用于地面裸露，反射介質穩定的區域地形測量。

3)注意事項。影像全站儀在掃描過程中耗電量較大，在進行區域地形掃描測量時，應準備充足的備用電源，在有外接電源的環境下配置外接電源。影像全站儀測量是通過發射激光束并獲取反射激光束來實現的，在測量過程中，盡量少用眼睛通過目鏡觀測目標，以防受傷。在運輸過程中，影像全站儀受到顛簸易產生測量誤差，儀器使用一段時間后，應對其進行誤差校正。

5 使用影像全站儀測量實例

使用Topcon影像全站儀，分別于2010年12月測量了北京市延慶縣占地面積為3 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖，2011年3月測量了北京市延慶縣占地面積為8 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖，2011年6月測量了房山區周口店占地面積134 hm2正在開采的采石場比例尺為1∶500的地形圖，2012年3月測量了河北省承德市承德縣15 hm2的廢棄采石場比例尺為1∶500的地形圖。所有采石場測量結果可靠穩定，測繪的地形圖均能滿足礦山生態治理設計需求。僅在使用該影像全站儀于2011年11月對四川省北川縣地震誘發滑坡災害的地形測量過程中，不僅掃描區域出現大量盲點，后期的地形圖繪制也出現了較多斷線。主要原因是北川縣雨水較多，經過地震后3年的自然恢復，坡體上植被恢復較好，影像全站儀掃描有植被的區域時，部分激光的反射光線因植被枝葉晃動影響而未能被全站儀成功接收，部分成功接收的反射光線為植被枝葉的三維坐標。根據地形圖和實際掃描區域比照，證實了出現盲點和斷線的區域均是有植被生長的區域。

6 結束語

影像全站儀在困難立地地形測量中有廣泛的應用，但其對測量環境要求較高，在測量區域存在植被或其他障礙物的情況下，測量結果會受到很大的影響;另外，掃描測量得出的數據量很大，雖然能較好地反映測量區域的微地形，但也為后期數據處理造成了很大的困擾。如何改進困難立地地形測量技術，是需要進一步思考的問題。

7 參考文獻

［1］楊俊.RTK結合全站儀的礦山地形測量技術研究［J］.科技資訊，2010(25):37

［2］徐柏松.免棱鏡全站儀用于困難地區地形測量［J］.地理空間信息，2009(6):33－35

［3］任恒星.IS影像三維掃描全站儀在礦山開采土石方測量中的應用［J］.地礦測繪，2010(3):45－47

［4］王妍，曹慧楠，韓曉冰.拓普康IS201影像型3維掃描全站儀在礦山開采中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2011(4):182－183

［5］余兵.淺析免棱鏡全站儀測距精度分析［J］.才智，2009(24):56

［6］范玖國，姜元軍，王全全.無棱鏡測量在測繪3維數字地形圖中的應用［J］.測繪標準化，2009(1):41－43

［7］王黎.淺談ArcGIS在制圖綜合中的運用［J］.測繪，2010(5):232－233

［8］盧立，張福利.基于ArcGIS地形圖的制作與實現［J］.城市勘測，2010(6):57－60

［9］顧明明，黑文艷.基于ArcGIS數字高程模型建立研究［J］.山西建筑，2010(29):353－354

［10］王永信.基于ArcGIS 9.0的DEM的生成及坡度分析［J］.氣象與環境科學，2007(2):48－51

［11］田洪陣，劉沁萍.基于ArcGIS的數字化成圖研究［J］.許昌學院學報，2005(5):101－104

Application of topcon imaging total station in topographic survey of abandoned quarry

Gao Jun1，Liang Chao1，Peng Xianfeng1，Xu Zongwen1，Zhao Tingning1，Yan Jibin2
(1.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating of the Ministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.Beijing Chuansa Science and Technology Development Co.Ltd.，100041，Beijing:China)

In recent years，the ecological problem of abandoned quarry is increasingly noticed by national government.Ecological restoration of abandoned quarry has been an important zone of urban ecological construction in China.The regional topographic survey is the basis of ecological restoration.Imaging total station measurement as a new topographic survey technique developed in recent years has been widely used in the topographic survey of abandoned quarry.Based on the introduction of measurement principle of imaging total station made in Topcon Corporation in Japan，the entire process of topographic survey and post－mapping was practiced in an instance.Practice has proved that the imaging total station measurement technology have advantages with simple operation，high speed，and high precision.In particular，the non－prism measurement without a prism light reflection greatly improved the efficiency of the topographic survey，and protect the safety of the surveyors at the same time.This method can be applied to topographic survey in tough area where the conventional measurement is difficult to achieve.

imaging total station;measurement;quarry;topographic map

2012－01－19

2012－05－27

林業公益性行業科研專項“建設工程損毀林地植被修復關鍵技術研究與示范”(200904030)

高俊(1987—)，男，碩士研究生。主要研究方向:工程綠化技術、水土保持。E－mail:gj701715@163.com

?責任作者簡介:趙廷寧(1962—)，男，教授，博士生導師。主要研究方向:工程綠化技術、水土保持。E－mail:zhtning@bjfu.edu.cn

(責任編輯:宋如華)