盧紅梅

（甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊，甘肅 蘭州 730020）

大比例尺數(shù)字測圖[1]是一項精度要求較高、作業(yè)環(huán)節(jié)較多、組織管理較復雜的測繪工作。為了保證數(shù)字測圖工作的合理安排、正確實施，各工序之間的密切結(jié)合，使成果、成圖符合技術標準和用戶要求以獲得最佳的社會效益和經(jīng)濟效益，必須在施工前進行技術設計。

該設計針對窯街煤電集團酒泉天寶煤業(yè)有限公司紅沙梁煤礦1∶1 000測圖工程從控制測量、數(shù)據(jù)采集、成果的檢查及驗收等環(huán)節(jié)都做了具體的安排。通過此次項目的實施對控制、數(shù)字測圖、成果的檢查及驗收等各個細節(jié)能有具體地了解，同時加深理論知識并提高業(yè)務水平，為以后的大比例尺地形圖測繪工作提供了較好的指導作用。

1 概述

1.1 任務概述

測區(qū)位于甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣馬鬃山鎮(zhèn)吐魯-紅沙梁礦區(qū)，地理范圍：東經(jīng)96°33′23.0″～96°39′17.7″，北緯41°36′47.8″～41°45′56.6″，礦區(qū)東北距馬鬃山鎮(zhèn)35 km，距京新高速馬鬃山鎮(zhèn)出入口40 km，南距玉門市180 km，礦區(qū)內(nèi)有便道可通行汽車，向東南的便道與G215國道相連，沿國道向南至連霍高速橋灣出入口，交通較為便利。測區(qū)地處戈壁荒灘，呈現(xiàn)干旱荒漠地貌景觀，周圍低山丘陵低矮平緩，地勢比較平坦，最高海拔2 010 m，最低海拔1 855 m。測區(qū)屬大陸性氣候，夏季酷熱，冬季嚴寒，氣候干燥、降水少、蒸發(fā)量大。無常年河流與湖泊，雨季時有暫時性洪水，地表全為第四系砂、泥、礫覆蓋，植物不發(fā)育，僅在盆地低洼處有稀疏的雜草，干旱多風，春冬為風季。本次測量工作的任務是在窯街煤電集團酒泉天寶煤業(yè)有限公司紅沙梁煤礦區(qū)一定范圍內(nèi)建立GNSS平面控制網(wǎng)，高程控制網(wǎng)，然后測繪1∶1 000比例尺地形圖。

1.2 已有資料和起算數(shù)據(jù)

測區(qū)內(nèi)控制測量起算點由甘肅省測繪工程院提供C級GNSS控制點4個，至少2個互相通視；四等水準點2個，經(jīng)初步踏勘標志完好，勘檢核驗無誤，成果可作為本次測量起算成果。

1.3 坐標系統(tǒng)及投影帶

1）平面坐標采用2000年國家大地坐標系（CGCS 2000），高斯3度帶正形投影，中央子午線96°。

2）高程采用1985年國家高程基準。

3）控制測量精度：本次GNSS E級控制網(wǎng)精度要求見表1。

表1 E級GNSS測量的精度要求

4）基本等高距：由于測區(qū)大部分為丘陵及山地，等高距采用1 m。

2 平面控制測量

2.1 起算數(shù)據(jù)的檢測和配置

利用已知點之前對其精度要進行檢核，所以用四等精度對C級GNSS平面已知控制點進行觀測。觀測后，分別對這幾個控制點之間的基線進行解算，通過約束平差算出控制點的坐標，得出最弱邊相對中誤差[2]，本次工程最弱邊相對中誤差不低于1/120 000時即可用來做本次E級控制網(wǎng)的起始數(shù)據(jù)。

2.2 GNSS點的選取

本次工程的選點工作需要在充分了解測區(qū)地形、地物等有關條件后，再根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GNSS）城市測量技術規(guī)范》選點原則，劃分作業(yè)區(qū)并進行踏勘，在視野開闊的地方埋石布GNSS點。

GNSS點位選取應有利于測量設備的聯(lián)測與通視要求，并且符合規(guī)范要求。（1）點位地理條件較好，地質(zhì)條件堅實穩(wěn)固，有利于點位的長期安全保存；（2）能夠滿足儀器架設和操作方便，保證儀器觀測的凈空要求，確?？梢晽l件下觀測衛(wèi)星截止角不小于15°；（3）GNSS點位的標石制作應采用普通混凝土現(xiàn)場澆筑或預制，標石規(guī)格大小應為（上部20 cm×20 cm，底部為40 cm×40 cm，高40 cm），混凝土標石的中心采用不銹鋼或其他十字標志安置，E級控制點編號為“E01”“E02”“E03”……“E38”。

布設GNSS點的時候應該充分考慮到點的利用效率，用最少的點完成最多的工作。GNSS點位選定應滿足控制網(wǎng)布設原則，確定點位概略位置后制作點位選點圖，對點位布設方法及原則編寫選點工作總結(jié)。

2.3 GNSS點的埋石與點之記

GNSS網(wǎng)控制點埋設可選用預制混凝土標石或者在現(xiàn)場澆筑方法，將選定網(wǎng)點按照標石規(guī)格大小在坑底鋪設沙石，坑內(nèi)澆筑混凝土搗實后在表面用細沙石抹面均勻，在標石中心設置帶有十字絲的精確標志，同時確保新埋設標石穩(wěn)固不受破壞。在基巖露頭地區(qū)，也可以在基巖上嵌入金屬標志。每個點位標石埋設后，應填寫點之記并提交詳細資料。

2.4 GNSS網(wǎng)觀測

GNSS控制網(wǎng)觀測開始前應對測區(qū)進行衛(wèi)星可見性分析，預測該時段衛(wèi)星可見數(shù)及運行狀況，提高控制網(wǎng)觀測質(zhì)量。衛(wèi)星預報分析表主要包括衛(wèi)星數(shù)及衛(wèi)星號、衛(wèi)星截止高度角和方位角、最佳衛(wèi)星觀測時間及衛(wèi)星組，以及衛(wèi)星觀測質(zhì)量點位PDOP值等內(nèi)容。衛(wèi)星預報分析表采用測區(qū)平均中心位置的經(jīng)緯度坐標，確保測區(qū)范圍全覆蓋；分析預報時間采用觀測作業(yè)的平均時間，確保觀測時段內(nèi)衛(wèi)星質(zhì)量滿足要求。作業(yè)組在外業(yè)觀測前應制作外業(yè)觀測記錄表，根據(jù)靜態(tài)觀測接收機臺數(shù)，GNSS網(wǎng)型設計及點位布設圖，GNSS衛(wèi)星可見性預報分析表等制定工作計劃，外業(yè)觀測工作記錄表應寫明測站名稱、測站點號、接收機號、觀測時間以及天氣狀況等內(nèi)容。觀測時應使接收機天線指向正北，定向誤差小于±5°。觀測前量取三次天線高，量取角度互為120°，平均天線高小于3 mm。

1）觀測前對所有設備進行檢核，確保接收機等觀測設備滿足觀測要求。

2）GNSS控制網(wǎng)觀測采用5臺華測i70雙頻接收機以靜態(tài)方法施測，儀器標稱精度為5 mm+1 ppm，E級GNSS網(wǎng)觀測精度要求最弱邊中誤差不超過1/45 000。

3）本次觀測考慮測區(qū)條件及網(wǎng)型布設要求，觀測時段采用2 h，觀測衛(wèi)星數(shù)不少于5顆，衛(wèi)星高度截止角大于等于15°，數(shù)據(jù)采樣間隔15 s，GNSS網(wǎng)點位幾何強度因子PDOP值不大于6。

4）觀測過程中，確保接收機周圍無信號干擾，不隨便接打電話和使用對講機，定期檢查接收機衛(wèi)星及星歷記錄狀態(tài)，及時填寫觀測記錄，將測站點名、點號、觀測時間、觀測時段、天線高等信息記錄表中，見表2。

表2 E級GNSS控制網(wǎng)野外觀測的技術要求

2.5 GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與成果精度

1）外業(yè)觀測數(shù)據(jù)處理。觀測結(jié)束后將不同時段接收機觀測記錄導入華測CGO2.0處理軟件，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、HCN及天線高的量測方式，確保文件號及測站名的正確?；€處理過程中設置衛(wèi)星高度截止角15 s，采樣間隔為15″，最小歷元數(shù)5，基線解算過程中采用基線類型均為雙差固定解，對基線的比率、參考變量、RMS進行核查后滿足要求。

基線解算在華測CGO2.0處理軟件設置完畢后自動解算，基線解算的起始數(shù)據(jù)是不同時段接收機觀測的衛(wèi)星廣播星歷坐標值，不同的觀測點坐標采用觀測時長不少于2 h單點定位的WGS-84坐標值，基線解算使用雙差固定解數(shù)據(jù)處理模型，閉合環(huán)搜索深度設置為3，對觀測文件中衛(wèi)星星歷殘差較大以及周跳較多的衛(wèi)星信號進行處理和刪除，基線解算結(jié)果可同時檢查同步環(huán)和異步環(huán)閉合差值。針對相同觀測時段中基線質(zhì)量差的數(shù)據(jù)剔除率小于10%，采用不同數(shù)據(jù)數(shù)學模型的單基線模式或雙基線模式解算基線，構(gòu)成完全獨立基線構(gòu)成閉合環(huán)的坐標分量閉合差、全長相對閉合差以及環(huán)的最大坐標分量閉合差應滿足規(guī)范要求[3]。

2）外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。觀測成果的外業(yè)檢核是基線解算及平差精度重要保證，當天外業(yè)觀測結(jié)束后應及時將數(shù)據(jù)備份記錄，并對觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與檢核，以發(fā)現(xiàn)觀測過程中存在不合格的數(shù)據(jù)，對問題數(shù)據(jù)進行分析整理，不合格數(shù)據(jù)應進行重測或補測。檢核外業(yè)觀測數(shù)據(jù)應注意以下幾點：

（1）同步觀測邊的檢核：檢核各同步觀測基線的方差比（ratio）及均方差（rms）。GNSS E級控制網(wǎng)基線方差比大于3.0符合控制網(wǎng)的測量要求。對于地形條件比較困難地區(qū)可適當放寬條件，將方差比調(diào)至2.0。

（2）重復基線邊的檢核：不同時段多次觀測同一條基線邊稱為重復基線邊。重復基線邊的邊長觀測互差應小于E級規(guī)定精度的2倍。不同觀測時段的基線邊長度應與其重復基線平均值之差不能超過E級網(wǎng)的規(guī)定精度。

（3）異步觀測環(huán)和同步觀測環(huán)閉合差的檢核：對于同步環(huán)以及異步環(huán)觀測邊長構(gòu)成的閉合圖形邊長閉合差、分量限差、總限差以及相對誤差應滿足一定的規(guī)范要求。要求GNSS E級網(wǎng)最弱邊邊長相對中誤差要小于1/45 000，最弱點點位中誤差不得大于±0.05 m。

3 高程控制測量

3.1 高程系統(tǒng)和高程基準

根據(jù)本次項目任務及規(guī)范要求，該測區(qū)1∶1 000地形圖測繪高程系統(tǒng)采用正常高程系統(tǒng)，按照1985年國家高程基準起算。

3.2 水準網(wǎng)的布設計方案

本次水準網(wǎng)布設采用4個國家三等水準點為起算點，在這4個點的控制下布設了四等水準網(wǎng)[4]，采用DS3水準儀在測區(qū)由南向北約30 km進行四等水準測量，余下5 km采用GNSS擬合高程方法代替五等水準測量來完成。

3.3 水準觀測

3.3.1 儀器的選擇與檢驗

此次水準測量采用DS3水準儀，在施測之前檢查水準儀的分劃線和注記是否粗細均勻、明顯清晰，望遠鏡視場是否明亮、均勻等。

3.3.2 水準觀測的技術要求

四等水準主要技術要求見表3、表4。

表3 水準測量的主要技術要求

表4 水準觀測技術要求

3.4 水準網(wǎng)平差

數(shù)據(jù)處理時可采用平差易軟件進行平差工作。要求閉合差、容許閉合差應符合四等水準測量規(guī)定。按照規(guī)范要求水準網(wǎng)平差結(jié)果精度要求應滿足規(guī)程規(guī)定的每公里高差中誤差為±10 mm。

4 數(shù)字線劃圖制作

4.1 測圖比例尺

本次工程測區(qū)要求用1:1 000的比例尺測圖。

4.2 基本等高距

根據(jù)規(guī)范要求同一測區(qū)大比例尺地形圖應采用同一種基本等高距，由于本測區(qū)大部分為丘陵及山地，按照規(guī)程故采用1 m等高距。

4.3 外業(yè)測圖

外業(yè)測圖過程中主要采用RTK技術方法，克服了傳統(tǒng)外業(yè)測量要求兩點間光學通視，只需要滿足主機和流動站進行數(shù)據(jù)交換，采用RTK和全站儀結(jié)合測圖可以有效避免大建筑物及茂密植物下難以接受衛(wèi)星和無線電信號的情況。采用全站儀進行測繪須建立圖根控制網(wǎng)[5]，可利用RTK實時給出圖根點的三維坐標，全站儀架設測站進行數(shù)據(jù)采集，必要時外業(yè)測圖需繪制草圖。

4.4 內(nèi)業(yè)成圖

野外采集數(shù)據(jù)存儲在全站儀和GNSS手簿內(nèi)，應及時傳輸?shù)接嬎銠C中，數(shù)據(jù)傳輸軟件采用南方CASS7.0數(shù)字化地形地籍成圖軟件。當日測繪成果須及時備份整理，對照外業(yè)測繪草圖建立繪制編碼，根據(jù)成圖軟件分層繪制，先繪制平面及高程控制點、圖根點、河流、道路等地物，將地形圖大致劃分分區(qū)；其次繪制區(qū)域內(nèi)地物要素，包括房屋、植被、橋梁、陡坎等；最后根據(jù)高程信息繪制等高線，注意等高線不能切割地物要素如房屋、道路等。

地物要素繪制過程中應先進行展點定位確定繪制范圍，對照外業(yè)測繪草圖及點位坐標和點號直接采集要素，要素符號應滿足圖式符號規(guī)范要求；對內(nèi)業(yè)判斷不準確或含糊不清的應及時進行外業(yè)調(diào)繪工作，制作外業(yè)調(diào)繪工作底圖并標記清楚。道路通過居民地不可隨意中斷，應根據(jù)實際情況表示，公路進入城區(qū)時，公路符號以街道線代替；永久的電力線、通訊線應表示，同一桿架上有多種線路時，只表示主要的一種。不同類型的建筑物應盡量按照房屋外輪廓特征點采集，不應該進行統(tǒng)一綜合處理。河流、湖泊、水庫、水塘通常以岸邊線繪出，不繪水涯線。岸邊線和水崖線應分別表示清楚，當圖式要素在水平投影間距大于1 mm時應繪制斜坡線。繪制有水生作物的水塘或魚塘時，應繪制清楚水生作物符號及水生作物名稱。

分幅圖完成后，按照接圖表各分幅圖順序依次將圖拼接到一起，合成整個測區(qū)的合圖，即完成繪圖工作。數(shù)據(jù)圖層明細表見表5。

表5 數(shù)據(jù)圖層明細表

5 成圖精度分析

為評價采用RTK技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量手段繪制大比例尺地形圖的測量精度，本次檢驗通過實地選取測區(qū)均勻分布的10個平面檢查點和20個高程檢查點進行野外測量，獲取檢查點實地三維測量坐標，根據(jù)實地點位在大比例尺地形圖上位置來計算實測坐標與量測坐標平面誤差，對比分析檢查點平面和高程精度是否符合規(guī)范要求。

5.1 平面精度檢查

針對該測區(qū)內(nèi)地形圖檢查點的平面精度檢驗，主要采用GNSS-RTK技術結(jié)合甘肅省衛(wèi)星連續(xù)運行參考站（GSCORS）系統(tǒng)，采用野外散點法均勻選取測區(qū)內(nèi)10個平面檢查點，分別對其觀測3次取平均值作為最終結(jié)果，并對實測坐標和圖上量測坐標進行了對比分析，平面精度統(tǒng)計分析見表6。

表6 地形圖檢查點平面精度分析

由表6可得10個不同檢查點實測坐標和量測坐標的平面坐標誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)ΔX、ΔY 和ΔXY。按照點位坐標中誤差計算公式可計算檢查點的點位中誤差mΔXY[6]，見公式（1）。

式中：mΔXY為檢查點的點位中誤差，ΔXY為檢查點實測坐標與量測坐標的點位誤差，n為檢查點個數(shù)。

平面精度檢查點共選取10個，采用點位中誤差公式計算得到該測區(qū)內(nèi)不同檢查點平面精度的點位中誤差為±0.086 m 。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2020）規(guī)定外業(yè)檢核圖上地物點相對于鄰近平面控制點的平面位置中誤差mΔXY不應大于圖上0.8 mm要求，按照1∶1 000地形圖測圖要求即實測允許平面坐標點位中誤差的限差為±0.8 m。本次1∶1 000地形圖平面坐標點位中誤差±0.086 m，小于規(guī)范允許限差±0.8 m要求，可知檢查點位中誤差滿足1∶1 000地形圖測圖精度要求。

5.2 高程精度檢查

為檢驗該測區(qū)內(nèi)地形圖檢查點的高程精度，通過在測區(qū)均勻?qū)崪y20個檢查點高程，實測點高程與之對應點位的圖上高程主要通過等高線內(nèi)插方法計算出，通過實測點與量測點高程誤差分析并計算檢查點高程中誤差，統(tǒng)計分析見表7。

表7 地形圖檢查點高程精度分析

根據(jù)檢查點實測高程與量測高程誤差對比分析可得到20組不同點位高程差值ΔH，通過高程中誤差公式（2）[7]可得到該檢查點的高程中誤差mΔH。

式中：mΔH為檢查點的高程中誤差，ΔΗ為實測點與量測點的高程誤差，n為檢查點個數(shù)。

根據(jù)中誤差公式計算得出該組檢查點的高程中誤差為±0.545 m，最大高程誤差為-0.98 m，最小高程誤差為-0.13 m。依據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2020），要求1∶1 000地形圖地形類別為丘陵及山地的高程中誤差限差為±1 m，由此可知本次檢查點高程精度能滿足1∶1 000比例尺的精度要求。

6 結(jié)論

隨著全球衛(wèi)星定位技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方法正被日益發(fā)展的GNSS技術所取代，GNSS控制網(wǎng)的布設方法越來越靈活、簡單，被大量測繪項目廣泛應用。針對測區(qū)為復雜地形，計劃以對點形式布設控制點，采用GNSS技術將為全野外大比例地形圖測繪創(chuàng)造有利條件。

此次工程全程用四等水準施測要花費較長時間，用擬合高程代替五等水準，并進行少量檢驗，在測量平面坐標的同時，也得到了高程數(shù)據(jù)，既減少了工作量，也提高了工作效率。技術設計采用了創(chuàng)新的技術方法，利用RTK配合GSCORS系統(tǒng)進行工作，它具有需要的測量人員少、速度快、不需要同時觀測、精度高等特點，并符合規(guī)范規(guī)定及技術要求，可用于指導相關測繪生產(chǎn)。設計從控制測量、測圖及成果的精度分析都做了具體的技術安排，使技術設計更專業(yè)化、現(xiàn)代化，提高了作業(yè)人員分析、解決實際問題的能力。