贾明明
北京华松精益测绘有限公司 北京市 101104
摘要：现代测绘工程中，数字化测图技术在大比例尺地形图测绘中应用广泛，逐渐取代了传统的平板白纸测图方式，通过数字表达图形内容，将计算机硬盘作为存储介质，提供数字显示、检索与分析的多元化使用功能，这对我国测绘事业的数字化、自动化发展有着重要的现实意义。因此，为充分发挥技术优势，本文对大比例尺地形图测绘中的关键数字化测图技术进行探讨，阐述数字化测图技术的具体应用，为从业人员提供参考。
关键词：数字化测图；大比例尺地形图；应用
一、大比例尺地形图测绘中的数字化测图技术
1、全站仪测图技术
全站仪测图是早期测绘工程应用常见的一项数字化测图技术，全站仪数字化测图过程由建立平面控制坐标系、外业数据采集、内业数据加密三项环节组成。其中，在建立平面控制坐标系环节，结合测区情况与原始资料分析结果来选择坐标系，如构建大地坐标系，在坐标系内导入GPS点，或构建平面直角坐标系。在外业环节，由测量人员手动操作全站仪设备在测区内采集测量数据，将观测数据导入电子手簿，采取人工绘图方式来绘制地形草图，在草图内添加测点点号等基础信息。最后，进入内业加密环节，工作人员在计算机图形软件中导入地形草图以及外业采集数据，处理特征点密度以及分布，开展人机交互编辑修改操作，从而绘制数字地形图。与其他数字化测图技术相比，全站仪测图法的应用范围有效，受到测区通视条件、反射条件、人为等因素影响，测绘效率与测量精度较差，且实际工作量较大，目前多用于测区面积较小的测绘工程中，完成大比例尺地形图测绘任务。
此外，全站仪测图技术由棱镜测量与无棱镜测量两项方法组成，不同测量方法的应用场景存在差异性。其中，棱镜测量法多用于测量地物高度，如在测区内远离建筑物与目标物的位置架设全站仪，通过测量地物底部以及顶部竖直角与水平间距来判断地物高度，或是基于直角三角形原理，通过测量地物顶部/底部斜距来获取地物高度。而无棱镜测量法是通过采集目标表面反射光线完成测量任务的一种方法，测量人员操纵全站仪设备向目标物发射激光束，凭借相位法原理来获取目标点的三维空间坐标值。无棱镜测量法多用于测区通视条件好、目标物反射介质好的测绘工程中，可获取地物测点高程与三维坐标值。然而，无棱镜测量法存在应用局限性，如运行能耗大、无法长时间追踪观测地物、激光束方向偏差大。
2、GPS-RTK技术
GPS-RTK技术也被称为载波相位差分技术，本质上属于一种动态定位技术手段，RTK系统由基准站以及流动站两部分构成，基准站位置固定不变，流动站在测量范围内动态移动，使用GPS接收机与天线设备，持续获取卫星观测数据，对实时观测值与基准站坐标信息进行处理，从而获取流动站与各处测点的三维空间坐标值，为大比例尺地形图的绘制提供三维空间数据。与其他数字化测图技术相比，GPS-RTK技术具有测量精度高、操作简单、差分观测时间段、具备观测数据实时处理功能的优势，多用于完成开阔地区的大比例尺地形图测图任务。
在应用GPS-RTK技术时，为充分发挥技术优势，保障测图质量，首先，做好前期准备工作，对原始资料中的控制点水准高程和静态平面成果进行反复校核，将实际误差值控制在允许范围内，确定一切无误后，依次开展图根控制点加密与碎部测量作业。其次，在数据采集环节，要求测量人员同步将实时获取的卫星观测数据记录在测量手簿内，校核手簿记录格式与数据准确性，避免受人为因素影响导致地形图绘制错误。最后，根据测区现场地理环境来调整测量方案，针对测区内密集分布建筑物或是存在树林等遮蔽物而形成测量盲区时，测量人员应在方案中额外设置一定数量的图根导线点，组合采取全站仪测量技术作为辅助验证手段，避免在测图期间出现失锁问题。
3、三维数字地形图测绘技术
三维数字地形图测绘技术是通过向目标物发射与接收激光束来采集高密度三维点位观测数据，在线划地形图中导入三维离散点来准确描述目标物立体形状以及空间位置的一种数字化测图技术，其具有扫描速度快、可获取大量点云数据、以三维方式重现真实世界、真实反映测区地形起伏、获取精准空间地理信息的优势，但三维数字地形图测绘技术存在诸多应用限制条件，对扫描仪等仪器设备的角度、与目标物水平距离、激光脉冲功率有着严格要求。同时，三维数字地形图测绘技术往往与其他测绘技术组合应用，如应用航空测绘技术，在无人机等飞行器上设置激光扫描仪，根据测区地理环境规划航线，无人机在航行起降，激光扫描仪持续向地物发射与接收激光脉冲束，根据激光脉冲束的发射接收时间差，以及无人机姿态参数变化情况，即可准确获取发射点与地物斜距等激光数据，在其基础上获取地物三维空间坐标值，构建立体模型。
4、航测数字化成图技术
航测数字化成图技术是通过航测手段来获取摄站点GPS坐标数据与航片数据，将观测数据进行后期处理来绘制数字化大比例尺地形图的一种技术手段。与常规的白纸测图与航测成图技术相比，其具有劳动强度小、测量精度高、信息处理量大、自动化程度高的优势，所绘制数字化地形图可以包含庞大信息量，并不会受到比例尺限制，地形图由若干数量层级组成，在各层级内分别存储道路、房屋、高程标记点、地表植被等信息。在实际应用期间，航测数字化成图技术由航飞摄影、像控测量、调绘补测、空三加密、数据编辑、高程模型构建、数字正射影像处理等工序环节组成。
二、数字化测图在大比例尺地形图测绘中的具体应用
1、数据采集
1.1点方式数据获取
现阶段，在大比例尺地形图数字测绘工程中，点方式数据的主要获取技术手段分为传统测量技术、激光测量技术与卫星导航定位技术。首先，传统测量技术包括全站仪测量、水准仪测量、电子经纬仪测量等技术手段，负责获取地物的三维空间坐标数据以及二维坐标数据，适用于小范围的地形图数字化测绘工程，具有自动化程度高、可靠性强、布点灵活、测量精度高的优势。其次，激光测量技术本质上属于一种三维立体量测的技术手段，通过发射与接收激光束，在不与地物接触的条件下，可以在短时间内采集大量的点云数据，将点云数据导入地物三维模型中，更为准确的反映地物空间信息特征，其具有主动性、高密度、穿透性、快速性、不接触性的技术特征。最后，常用的卫星导航定位技术为GPS-RTK技术，与早期的GPS定位技术相比，有效解决了定位精度不足、无法动态获取定位观测数据、高程异常等技术问题。
1.2面状数据获取
获取面状数据的主要技术包括摄影测量、多传感器集成、遥感三种技术。首先，摄影测量技术使用光学摄影机等型号设备来拍摄测区地物视频图像资料，在内业环节完成图像资料的加工处理操作，从而准确反映目标地物的空间位置、形状尺寸和相互关系，常见的摄影测量技术分为数字摄影测量、模拟摄影测量以及解析摄影测量，以数字摄影测量为例，测量人员使用计算机测量系统，在测量数据资料基础上构建数字地面模型，开展正射影像图制作、三维景观模型采集和交互式编辑等操作，以获取DEM数据。其次，多传感器集成技术是采取多元数据来构建三维融合模型的一种技术，完美结合了航空摄影、地面摄影测量、激光扫描等测量技术的优势，以此来突破单一测图技术的局限性。同时，多传感器集成测量系统主要分为地面车载测量、星载测图、机载激光扫描三类。例如，武汉大学近年来研制一款搭载GPS、车轮计数、激光测距、电子罗盘等仪器设备的地面车载测量系统，在测量期间可以同步获取数字录音以及视频图像等形式的观测数据。
最后，遥感技术是使用干涉雷达、红外传感器等信息传感装置，采取扫描或是摄影方式，真实反映测区内地物的形状大小与空间位置，逐渐演变形成一种多信息量对地观测系统，在测绘工程中用于完成大比例尺地形图的三维可视化绘图任务，但所构建三维模型较为依赖大地测量数据，测图精度受其影响。
1.3DEM数据获取
DEM数据是在所获取地形高程数据基础上对测区地形加以数字化模型，采取有序数值阵列形式来描述的数字高程实体地面模型，数据由地形特征值、坡度坡向等地貌因子所组成，这也是大比例尺数字化地形图中的重要组成部分。在外业测量环节，主要采取合成孔径雷达测量、机载激光扫描、全站仪野外测量、数字摄影测量等技术手段来获取DEM数据，如操纵机载激光扫描系统来获取地面高程测量数据。同时，在条件允许前提下，测量人员也可选择直接从原有的二维数字地形图中提取高程控制点数据等DEM数据。
1.4地物特征数据提取
在大比例尺数字化地形图中，地物特征数据由地物平面数据以及地物高度数据两部分组成。其中，地物平面数据由点状、面状以及线状数据组成，在地形图中体现为紧贴地物或是突出地表底部的特征点，如建筑物范围线、道路边线、路灯等。常见的平面数据提取方式为，测量人员从而为地形图中提取建筑物边界轮廓线等平面数据，采取全站仪测图技术提取地物平面数据，从所拍摄视频影像资料中提取轮廓特征等地物平面数据，采取卫星导航定位技术提取地物平面坐标数据，或是通过激光扫描测距来获取平面坐标数据。同时，在绘制大比例尺数字化地形图时，测量人员还需要采取合理的地物平面数据表示方式，如使用三维地表点的点状符号来表示各处控制点的无高度的点状实体平面数据。
地物高度数据是大比例尺地形图中用于反映测区地物高度以及立体形状的特征点，多为地物顶部保持突出状态的特征点，在数字化绘图中以体积符号来表示地物高度数据，使用三维点与数字分别确定地物高度点的三维空间位置以及高度值。而地物高度数据的主要采集方式为全站仪测量法、机载激光扫描、航空影像提取等方式，或是从二维数字地形图中估算地物高度值，如分析原始资料信息来获取测区内建筑物的楼层高度，通过观察建筑层数，初步估算建筑物高度值。
2、大比例尺地形图的地形绘制
2.1数字地形建模
在早期的大比例尺地形图测绘工程中，受到技术限制，主要采取任意离散点表达地形的建模方式，虽然对等高线等特征点采取内插、光滑等一系列处理措施，但在数字地形模型中所描述地形特征较为抽象，容易产生认知偏差。在这一工程背景下，随着数字化测图技术体系的优化完善，陆续研制出多种地形图形的数学描述方法，有效解决了地形描述抽象问题，主要的数字地形模型包括基于三角网模型、混合模型、等高线模型、规则格网模型，各类数字地形模型的特征性质存在差异性。例如，等高线模型采取Z=αo的数学描述方式，表面性质为平面，有着采样点任意均匀分布、非连续性的特征。三角网模型采取Z=αo+α1x+α2y的数学描述方式，表面性质为一次线形，有着采样点任意离散与连续性的特征，有效顾忌到模型中的特征线。
以等高线模型为例，由大量的高程点连线形成曲线所构成，在内业数据处理环节，要求测量人员对地形采样点开展内插、平滑等一系列操作，使用等高线描述测区内地形高低起伏特征以及地面高程，该模型具有相同等高线内全部采样点高程相同、等高线和谷脊线保持正交状态、等高线密集程度与采样点数量呈正比、等同高程值采样点星光城闭合曲线的特征。然而，单独的等高线模型普遍有着明显台阶痕迹，难以准确描述特殊地貌结构，必要情况下，需要将其转为网格模型。
2.2数字地形内插
在大比例尺数字化地形图测图期间，如果存在采样点密度过小、分布不均等问题时，为保障绘图精度，测量人员需要开展数字地形内插处理操作，通过使用插值算法来提高三维地形模型精度，数字地形内插工序由局部内插、整体内插以及逐点内插三部分组成。
首先，在局部内插过程中，测量人员结合测区地形情况以及采样点分布状况，对地形结构线加以分块处理，要求相邻分块区保持为不完全重叠状态，实现分块边界的光滑连接目的，并在内插曲面中添加连续性条件，常见的内插方法为线性内插法、样条函数法以及双线性内插法。局部内插主要是将数字地形图中的地形特征要素进行拆分处理，避免单一曲面无法准确、真实反映测区地形特征。
其次，整体内插是由测量人员在已知采样点特征观测数据基础上通过开展曲面拟合操作来构成数字地形模型的方法，凭借函数唯一特性，使得数字地形模型具备良好的光滑效果与连续效果，实现准确描述测区宏观地形特征的绘图目的。
最后，开展逐点内插作业，划定临域范围，将内插点设定为中心点，根据绘图需求选择内插数学模型，将临域离散点导入内插点数学模型，通过模型输出值来计算内插点高程值。
2.3特征地形要素提取
在特征地形要素提取环节，测量人员既可采取常规的插值算法提取方式，同时，也可选择增加高程控制点或是采集原有数据地形特征数据参与建模的方法。以后一种提取方法为例，从已掌握的观测数据中提取谷脊线、建筑构造线等点、线特征数据，将所提取数据导入高程控制点数据，基于目标动态变化情况来实时修改数字地形图，真实反映地形特征信息，以解决传统数字地形图中存在的符号表示复杂、缺乏直观性的问题。
3、大比例尺地形图的地物绘制
在地物绘制环节，分别使用点状、体状、面状以及线状类型符号在地形图中表示地物特征，如轮廓范围、地物顶部形状、地表点高程，最终立体化展示测区内地物的立体结构状态。以点状地物绘制为例，要求测量人员使用体积符号在地形图中表示点状地物特征，设定三维坐标值作为点状地物的特征点坐标，在软件中生成.dat格式数据文件，在文件中导入全部地物特征点数据，绘制二维图形来表示电杆等具有形状规则性特征的点状数据，将其延伸构建三维面，下达3D FACE控制指令使绘制为立体形状，顺时针依次输入顶角点数据，即可完成点状地物绘制作业。
此外，测量人员将所构建各类地物模型与地形模型加以整合处理，为取得理想的整合效果，避免出现水平高度显示不一致、地物底面跨越多个地形网格的问题，需要提前获取水平与垂直方向上的地物特征拐点，要求相同地物内全部特征点高程值保持等同状态，再将地物特征点作为高程点，以构建三维网格地形模型。
结语：
综上所述，为准确描述测区地物地貌特征，更好的完成大比例尺地形图数字化测图任务，突破传统测图技术局限性，测绘单位必须提高对数字化测图技术的研究，正确认识数字化测图在大比例尺地形图测绘方面的应用价值，严格控制各环节数字地形图的测图质量，加快地形测量工作自动化、数字化发展。
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