董北平,張之孔
(1.68029 部隊(duì),甘肅 蘭州 730020)
基于GPS RTK技術(shù)在CASS中自動(dòng)生成等高線的方法
董北平1,張之孔1
(1.68029 部隊(duì),甘肅 蘭州 730020)
著重討論了利用GPS RTK技術(shù)快速準(zhǔn)確采集離散點(diǎn),并在CASS中自動(dòng)生成等高線的方法。實(shí)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位;離散點(diǎn);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(dòng)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(diǎn),在CASS軟件下自動(dòng)生成等高線的方法。
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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),是實(shí)時(shí)處理2個(gè)測站載波相位觀測量的差分方法[1]。它將一臺(tái)GPS接收機(jī)安裝在已知點(diǎn)上對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測,再將根據(jù)該點(diǎn)準(zhǔn)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(zhǔn)站電臺(tái)的載波上,然后通過基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)射出去。流動(dòng)站在對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測并采集載波相位觀測量的同時(shí),通過電臺(tái)接收由基準(zhǔn)站發(fā)射的信號(hào),流動(dòng)站將接收到的定位信息進(jìn)行改正處理來修正其定位結(jié)果,即可求出未知點(diǎn)的定位坐標(biāo),精度可達(dá)到cm級。
1.2 離散點(diǎn)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(shí),流動(dòng)站固定解就不穩(wěn)定。因此采用1臺(tái)中繼站和12臺(tái)流動(dòng)站協(xié)同作業(yè),既減少了基準(zhǔn)站的搬站次數(shù),又克服了RTK技術(shù)由于距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致信號(hào)太弱無法作業(yè)的缺點(diǎn)。在野外采集高程點(diǎn)過程中很容易出現(xiàn)“重采”、“漏采”等問題,影響作業(yè)進(jìn)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(jìn),對平行線左右50 m范圍內(nèi)進(jìn)行高程點(diǎn)和部分特征點(diǎn)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(diǎn)
1.3 地形要素完整采集
在利用GPS RTK技術(shù)采集離散點(diǎn)時(shí),一定要保證地物、地形信息的完整性[2]。對于獨(dú)立的山包、凹地,采集時(shí)要保證地形的完整性,必須在該類地形周圍和中心最高點(diǎn)或最低點(diǎn)采集高程點(diǎn),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(diǎn)位,但關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)時(shí)應(yīng)著重采集地性線關(guān)鍵點(diǎn),如圖5所示。
圖2 獨(dú)立山包高程點(diǎn)采集
圖3 凹地高程點(diǎn)采集
圖4 連續(xù)山包高程點(diǎn)采集
圖5 山地、丘陵地高程點(diǎn)采集
等高線是等值線的一種,離散點(diǎn)生成等高線其實(shí)就是生成等值線[3],自動(dòng)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(bǔ)等值點(diǎn),將內(nèi)插的等值點(diǎn)順序追蹤排列,繪出等值線。在CASS環(huán)境下自動(dòng)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(diǎn)生成的地表狀態(tài)模型,它的建立影響整個(gè)成圖過程的正確性和精度[4]。DTM的建立也是等高線自動(dòng)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(jìn)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(shí)地貌的多樣性和復(fù)雜性,導(dǎo)致自動(dòng)構(gòu)成的數(shù)字地面模型與實(shí)際地貌不太一致,使得外業(yè)采集的離散點(diǎn)很難一次性生成準(zhǔn)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(diǎn)等。
3)自動(dòng)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(huì)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(jìn)行張力樣條擬合,此時(shí)的等高線最貼近于實(shí)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(huì)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(shí),要進(jìn)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(diǎn),還原等高線本來的特征。
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?yàn)?、瓜州等區(qū)域總面積約140 km2的1︰2 000地形圖,其中橋?yàn)硡^(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(yàn)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(diǎn)自動(dòng)生成等高線
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,利用CASS軟件自動(dòng)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(shí)地地形有一定偏差,主要是由關(guān)鍵點(diǎn)位高程漏采、采集不均勻等原因造成的。此外還有RTK的飛點(diǎn)現(xiàn)象:一般情況下,流動(dòng)站鎖定衛(wèi)星在5顆以上時(shí),在5~10 s內(nèi)可獲得固定解,此時(shí)流動(dòng)站的收斂值真實(shí)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(dá)到1 m,甚至2~3 m,這些就是飛點(diǎn)。
解決這些問題有效的辦法是:1)用于生成等高線的點(diǎn)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(diǎn)位高程。具體來說,可利用線放樣功能每隔30~50 m采集一個(gè)高程點(diǎn),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(jìn)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(diǎn),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(zhǔn)確。如果不能正確連接地性線,就會(huì)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(cuò)誤的等高線走向。解決辦法是在野外采集數(shù)據(jù)時(shí)就繪制地性線草圖,內(nèi)業(yè)編輯時(shí)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(qiáng)制約束條件。在DTM生成后,對其進(jìn)行檢查編輯,尤其要注意查找高程有錯(cuò)誤的點(diǎn),刪除這些點(diǎn)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(huì)穿過修改前有錯(cuò)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(shí),應(yīng)選擇自動(dòng)生成等高線,比較實(shí)用,效果也很好。當(dāng)?shù)匦巫兓^大時(shí),如果利用自動(dòng)生成等高線,等高線走向、形狀就會(huì)與實(shí)際地形差別較大,自動(dòng)擬合生成的等高線有很多節(jié)點(diǎn),修改時(shí)會(huì)非常麻煩,因此在繪制這種地形下的等高線時(shí)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?yàn)閺?fù)合線非常容易拉動(dòng)和修改,最后把修改后的復(fù)合線加注等高線屬性即可。
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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。