基于GPS RTK技術(shù)在CASS中自動生成等高線的方法

董北平，張之孔

（1．68029 部隊,甘肅 蘭州 730020）

基于GPS RTK技術(shù)在CASS中自動生成等高線的方法

董北平1，張之孔1

（1．68029 部隊,甘肅 蘭州 730020）

著重討論了利用GPS RTK技術(shù)快速準確采集離散點，并在CASS中自動生成等高線的方法。實踐表明，該方法能夠明顯加快成圖速度與提高等高線成圖的精度。

實時動態(tài)差分定位；離散點；等高線；成圖

在面積較小、不適合采用航空攝影測量方式成圖的測區(qū)，非常需要尋找一種高效可靠的方法來自動生成等高線，測制高精度的地形圖。本文結(jié)合酒泉千萬千瓦級風(fēng)電場二期測繪任務(wù)，著重討論了如何利用GPS RTK技術(shù)快速采集一定數(shù)量的離散點，在CASS軟件下自動生成等高線的方法。

1 利用GPS RTK技術(shù)采集離散點

1.1 GPS RTK技術(shù)

RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，是實時處理2個測站載波相位觀測量的差分方法[1]。它將一臺GPS接收機安裝在已知點上對GPS衛(wèi)星進行觀測，再將根據(jù)該點準確坐標(biāo)求出的其到衛(wèi)星的距離改正信息和采集的載波相位觀測量調(diào)制到基準站電臺的載波上，然后通過基準站電臺發(fā)射出去。流動站在對GPS衛(wèi)星進行觀測并采集載波相位觀測量的同時，通過電臺接收由基準站發(fā)射的信號，流動站將接收到的定位信息進行改正處理來修正其定位結(jié)果，即可求出未知點的定位坐標(biāo)，精度可達到cm級。

1.2 離散點采集

GPS RTK技術(shù)已相當(dāng)成熟，但其易受距離和地形的限制，超過10 km時，流動站固定解就不穩(wěn)定。因此采用1臺中繼站和12臺流動站協(xié)同作業(yè)，既減少了基準站的搬站次數(shù)，又克服了RTK技術(shù)由于距離過遠導(dǎo)致信號太弱無法作業(yè)的缺點。在野外采集高程點過程中很容易出現(xiàn)“重采”、“漏采”等問題，影響作業(yè)進度和成果精度。為了避免這種情況，確定了“等距離格網(wǎng)法”的采集方法。從測區(qū)一側(cè)的范圍線開始，利用數(shù)據(jù)采集軟件的線放樣功能每隔50 m設(shè)置一條線平行向前推進，對平行線左右50 m范圍內(nèi)進行高程點和部分特征點采集，保證了不“重采”和“漏采”，如圖1所示。

圖1 基于RTK技術(shù)的等距離網(wǎng)格法采集高程點

1.3 地形要素完整采集

在利用GPS RTK技術(shù)采集離散點時，一定要保證地物、地形信息的完整性[2]。對于獨立的山包、凹地，采集時要保證地形的完整性，必須在該類地形周圍和中心最高點或最低點采集高程點，如圖2、圖3所示。若是連續(xù)山包，可適當(dāng)省去采集對整體地形信息完整描述影響不大的點位，但關(guān)鍵點必須采集，如山包之間的鞍部，如圖4所示。對于面積較大的山地或丘陵地形，為保證能正確描述地形的走勢，采集高程點時應(yīng)著重采集地性線關(guān)鍵點，如圖5所示。

圖2 獨立山包高程點采集

圖3 凹地高程點采集

圖4 連續(xù)山包高程點采集

圖5 山地、丘陵地高程點采集

2 由離散點自動生成等高線

等高線是等值線的一種，離散點生成等高線其實就是生成等值線[3]，自動繪制等值線的方法從技術(shù)方向上可分為2大類：曲線擬合和插值。曲線擬合總體上效果不如插值算法。插值算法中首先生成Delaunay三角形，即不規(guī)則三角網(wǎng)。隨后需要在三角形的邊上插補等值點，將內(nèi)插的等值點順序追蹤排列，繪出等值線。在CASS環(huán)境下自動繪制等高線的流程如圖6所示。

圖6 在CASS中生成等高線流程圖

1）建立數(shù)字地面模型（構(gòu)建三角網(wǎng)）。數(shù)字地面模型（DTM）是由外業(yè)采集的一系列離散點生成的地表狀態(tài)模型，它的建立影響整個成圖過程的正確性和精度[4]。DTM的建立也是等高線自動生成的前提，在CASS軟件里，先定下顯示區(qū)，然后選擇“建立DTM”，再按照測區(qū)地形情況對是否考慮坎高、是否選擇地形線進行選擇，最后生成三角網(wǎng)[5]。

2）修改數(shù)字地面模型（修改三角網(wǎng)）。很多情況下，由于特殊地形地物的影響，以及現(xiàn)實地貌的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致自動構(gòu)成的數(shù)字地面模型與實際地貌不太一致，使得外業(yè)采集的離散點很難一次性生成準確的等高線，需要通過修改三角網(wǎng)來修改這些局部不合理的地方[6]，主要包括刪除三角形、過濾三角形、增加三角形和刪除三角形頂點等。

3）自動生成等高線。等高線的繪制可以在平面圖的基礎(chǔ)上疊加，也可以在“新建圖形”狀態(tài)下繪制。如果在“新建圖形”狀態(tài)下繪制等高線，系統(tǒng)會提示輸入比例尺，在生成等高線的過程中，應(yīng)根據(jù)成圖比例尺按照相應(yīng)圖式規(guī)范和技術(shù)要求輸入等高距。等高線擬合的方式有3種：不光滑、張力樣條擬合和3次B樣條擬合[7]。若選“不光滑”，繪制出來的等高線是折線，是基于三角網(wǎng)得到的最原始的地形分析；若選“張力樣條擬合”，就是在“不光滑”的基礎(chǔ)上把折線進行張力樣條擬合，此時的等高線最貼近于實際地形，比折線要美觀；若選“3次B樣條擬合”，是最優(yōu)化的等高線生成方式，其生成的等高線最光滑，外觀最好，即便會有少許失真，但不影響精度。

4）等高線編輯、修改。主要包括注記等高線、切除穿過建筑物、陡坎、圍墻以及指定區(qū)域內(nèi)的等高線。同時，要進行等值線濾波操作，很大程度上是給繪制好的等高線圖形“減肥”，精簡樣條擬合曲線的多余錨點，還原等高線本來的特征。

3 實驗及結(jié)果分析

在酒泉某千萬千瓦級風(fēng)電場二期測繪任務(wù)中，利用該方法生成了玉門、橋灣、瓜州等區(qū)域總面積約140 km2的1︰2 000地形圖，其中橋灣區(qū)域第一期任務(wù)中有部分區(qū)域已采用航空攝影測量方法測制了1︰2 000地形圖。為了驗證該方法精度，將兩者作對比，如圖7、圖8所示。

圖7 航空攝影測量方法測制等高線

圖8 離散點自動生成等高線

從實驗結(jié)果來看，利用CASS軟件自動生成等高線具有較好的精度和可靠性，但仍有部分區(qū)域與實地地形有一定偏差，主要是由關(guān)鍵點位高程漏采、采集不均勻等原因造成的。此外還有RTK的飛點現(xiàn)象：一般情況下，流動站鎖定衛(wèi)星在5顆以上時，在5～10 s內(nèi)可獲得固定解，此時流動站的收斂值真實反映了天線中心測量的內(nèi)符合精度，可靠性較高；若RTK收斂60 s以上才得到固定解，收斂值有可能存在偽值，測量誤差可達到1 m，甚至2～3 m，這些就是飛點。

解決這些問題有效的辦法是：1）用于生成等高線的點位要均勻分布在測區(qū)，最好根據(jù)測區(qū)形狀按照橫向和縱向交叉形成格網(wǎng)，等距離采集點位高程。具體來說，可利用線放樣功能每隔30～50 m采集一個高程點，這樣可有效避免漏測和重復(fù)測量。當(dāng)然，最好要根據(jù)地形條件進行距離的調(diào)整。遇到小山包、凹地等地形，應(yīng)完整采集該地形特征點，保證地物信息的完整性。

2）在建立DTM的過程中，一定要考慮地性線是否準確。如果不能正確連接地性線，就會出現(xiàn)三角網(wǎng)中三角形邊懸空和切割地表的現(xiàn)象，導(dǎo)致錯誤的等高線走向。解決辦法是在野外采集數(shù)據(jù)時就繪制地性線草圖，內(nèi)業(yè)編輯時將地性線結(jié)構(gòu)繪出，建立正確的地性線結(jié)構(gòu)，并將其作為DTM生成的強制約束條件。在DTM生成后，對其進行檢查編輯，尤其要注意查找高程有錯誤的點，刪除這些點和三角網(wǎng)外圍較長的邊和較小的角，這樣內(nèi)插后的等高線就不會穿過修改前有錯誤的三角形，建立正確可靠的三角網(wǎng)。

3）在等高線生成階段需要注意的是：在地形變化不大時，應(yīng)選擇自動生成等高線，比較實用，效果也很好。當(dāng)?shù)匦巫兓^大時，如果利用自動生成等高線，等高線走向、形狀就會與實際地形差別較大，自動擬合生成的等高線有很多節(jié)點，修改時會非常麻煩，因此在繪制這種地形下的等高線時不要直接使用繪制等高線工具，而是使用復(fù)合線工具來繪制等高線，因為復(fù)合線非常容易拉動和修改，最后把修改后的復(fù)合線加注等高線屬性即可。

[1] 沈銘,王偉．GPS RTK技術(shù)的誤差分析及質(zhì)量控制[J]．資源環(huán)境與工程,2007,10(5):603-605

[2] 謝曉然,王子洋,姜慧．選取離散點繪制自動站數(shù)據(jù)等值線方法[J]．林業(yè)勘查設(shè)計,2010(3):46-47

[3] 呂建升,須鼎興．基于離散點繪制等高線算法的研究[J]．現(xiàn)代測繪,2006,9(5):5-7

[4] 劉錦中,馬輝．基于等高線的DEM生成算法研究和實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代測繪,2004,77(3):34- 35

[5] 代莉,陳春華,聶焱．在AutoCAD環(huán)境下不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及等高線生成[J]．地理空間信息,2011,9(2) :40-42

[6] 魏春生,高明凱,王建波．大比例尺地形圖等高線的自動繪制[J]．勘察科學(xué)技術(shù),2005(4):25-27

[7] 王建雄．CAD 環(huán)境下基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM算法及實現(xiàn)[J]．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,20(4):573-576

P231.5

B

1672-4623（2014）01-0108-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.037

董北平，高級工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位和攝影測量工作。

2013-11-28。