汤廖文

（增城市国土资源和房屋管理局地籍测量队，广东 增城 511300）

1 背景

数字地形图便于使用、储存和绘制，但目前大部分数字地形图仍然是二维的，即所有的高程点和所有线上的特征点只反映其平面位置，而不反映其高程，地形图中所有的点和线都是二维的。为了克服二维数字地形图在空间表示和应用方面的不足，三维数字地形图应运而生。在三维数字地形图中，特征点和特征线都是三维的，这使得计算或查询线状地物上任意两个特征点间空间折线段的长度；查询任意特征点的平面坐标和高程即三维坐标；绘制线状地物上任意两个特征点间的纵断面图；测量或查询任意两个特征点之间的倾斜距离、水平距离、高差、坡度、水平方位角和空间方位角变成可能。这些功能的实现对于线状地物的工程规划和设计如灌渠路线的规划和设计、输电线路的规划和设计等等具有极高的利用价值。

2 三维数字地形图的基本概念

2.1 三维数字地形图的概念

三维数字地形图用三维离散点表示地物和地貌的空间位置和立体形状，它把地形和地物都看成三维空间对象，其也是线划地形图。也就是说，三维数字地形图中所有表示地物和地貌的特征点和特征线都是三维的，其中X和Y用来表示地物或地貌在水平面上投影的位置；Z用来表示它的高程。

2.2 三维数字地形图的特征

三维数字地形图具有以下特征：①它不能是纸质的，只能是数字或电子形式的。②它既能反映其上地物立体形状，又能反映制图区域内地球自然表面的高低起伏。③它是按1：1或同一比例尺来表示地物的平面位置或大小与竖直方向的高程或高度（所谓高度就是地面上空一点沿铅垂线到地面的距离）的。④它是用三维离散点表示地形或地貌以及地物空间立体形态的矢量地图。⑤它在反映空间地理信息时都是比较精确、细致和详细的，用比例尺（或空间分辨率）的概念表示就是大比例尺（或高分辨率）的，如 1：500（或 0.05 米）、1：1000（或 0.1 米）和 1：2000（或0.2米），且通常都是小区域的。

3 三维数字地形图测绘实例分析

受广州市某工业园区管理委员会委托，对其工业园建设用地进行控制性测量和数字化三维地形图测绘。该工业园区周边有数个村落，南边有一条国道通过，交通比较便利，测区村庄密集，村庄周围树木较多，通视困难；测区东北部有大片水田；测区西部为鱼塘，水深测量相当困难，本次测绘所执行的技术标准见表1。经现场勘探并从多方面收集资料，测区附近有广东省国土资源厅测绘院布设3个GPS-D级点、2个GPS-E级点作为本次平面控制起算点，测区高程控制采用4个四等水准点作为本次测绘的高程起算，采用GPS高程拟合测区高程。

表1 本次测绘所执行的技术标准

3.1 测绘选点和埋点

本次测量的首级平面、高程控制都是采用GPS全球定位系统。根据测区的现场情况，在楼房、高坡地、公路边、岩石区等土质坚硬的地方选点，采用预制好的混凝土标石进行标示并对其编号，混凝土标石的型号为上截面15cm×15cm、下截面20cm×20cm、高为60cm×60cm。

3.2 测量观测方案

3.2.1 测前准备。在观测之前，先要注意做好GPS内存数据容量检查、认真了解各GPS点所处的环境及最佳观测时间、GPS各项设置如静态或动态、高度截止角、天线类型、天线量测方式、数据采样率等是否正确等数项准备工作。

3.2.2 观测方案。观测作业开始后，出发到测点前，应认真检查GPS主机、电池、电缆、测GPS天线的钢尺、记录纸、笔、脚架及对讲机等必备品；认真地架好仪器，对中、整平、接好电缆；量测天线高，这里要注意GPS天线高的量测一般都是量的斜高，不要人为地改为垂直高；开始观测时，只需按下电源开关，这时记录好测点名、开机时间、开机时天线高；观测结束时，先关电源，不要马上拆机，还要再量天线高，以判断观测过程中仪器是否动过。

3.3 GPS数据传输及处理

3.3.1 数据传输。数据传输一般要注意以下几点：①由于开关电源以及一些外界干扰会造成GPS数据异常，因此在数据传输之前首先要查看GPS中每个时段里记录的数据是否大小相近，删去无效数据；②随后要检查软件中的各项设置如GPS类型、天线类型、天线高的测量方式等是否一致；③传输数据时，要记录好各数据文件的时段号、点名，以备基线解算后用；④在做好上述工作后，查看高级设置，给定高度截止角、PDOP值等几个重要设置，即可传输数据。

3.3.2 数据处理。①基线向量解算时，可根据不同情况，设置好是解算部分基线还是解算全部基线，软件自动解算；②基线向量解算后，可初步检查一下评判各基线的置信参数，检查同步环、异步环等闭合差，检查不同时段同一条边的较差，查出超限原因，剔除有粗差的基线；③若发现有问题的基线，可以查看各点接收到的卫星状况及其他有关部因素，以查找原因，确定此基线是否重新解算还是重测。

3.4 平差计算和高程拟合

GPS定位结果要从WGS-84大地坐标系转换为1954年国家坐标系，GPS基线向量网的平差一般分为无约束平差、约束平差和联合平差三种类型。GPS网一般要联测3～5个已知点，联合平差是解决GPS网成果转换的有效手段，也是绝大多数地区目前唯一行之有效的方法；根据无约束平差成果分析，主要考察基线向量观测值改正数、各点坐标中误差、点位中误差、GPS基线向量边的方位和边长相对精度，若发现有明显粗差，则要在联合平差前剔除；主要考察各类观测值的改正数的分布是否有明显粗差，平差坐标、点位误差、转换参数、单位权中误差是否通过统计检验，边长相对精度是否满足设计的精度要求。GPS高程拟合根据不同软件的要求，至GPS高程拟合根据不同软件的要求，至少要联测4个水准高程点，但其高程精度不高，一般能达到3cm左右。

4 数字化三维地形图的测绘

4.1 图根控制测量

测区采用全站仪布设成附合导线、闭合导线、支导线、极坐标支点可以连续支两次。导线相对闭合差≤1/4000、极坐标支点不宜大于500米、三角高程测量其附合线路或闭合线路≤±40mm，其中D为测距边边长（km），图根导线采用简易平差计算。

4.2 数字化地形测绘

测区采用数字化测量，比例尺为1：500，基本等高距为0.5m，采用40cm×50cm矩形分幅。使用全站仪进行野外采集数据，定向方向应＞500m，并进行其他方向点检查，碎部点测量测距最大长度＜300m，高程注记点间距为25m。测绘过程主要分为以下几个步骤：①设站和检查。仪器对中整平，仪器对中误差≤5mm，量仪器高，仪器高量至毫米；输入气温、气压、棱镜常数；建立（选择）文件名；输入测站坐标、高程及仪器高；输入后视点坐标（或方位角），瞄准后视目标后确定。测量1个已知坐标的点的坐标并与已知坐标对照（限差≤±5cm）；测量1个已知高程的点的高程并与已知高程比较（限差≤±5cm）；如果前两项检查都在限差范围内，便可开始测量，否则检查原因重新设站。②立镜和观测。依比例尺地物轮廓线折点立镜，不依比例尺地物的中心位置立镜。在建筑物的外角点、地界点、地形点上竖棱镜，回报镜高；全站仪跟踪棱镜，输入点号和改变的棱镜高，在坐标测量状态下按测量键，显示测量数据后，输入测点类型代码后存储数据。继续下一个点的观测。对于那些本站需要测量而仪器无法看见的点，可用皮尺量距来确定点位；半径大于0.5m的点状地物，如不能直接测定中心位置，应测量偏心距，并在草图上注明偏心方向；丈量的距离应标注在草图上。③绘草图和检查。现场绘制地形草图，标上立镜点的点号和丈量的距离，房屋结构、层次，道路铺材，植被，地名，管线走向、类别等。草图是内业编绘工作的依据之一，应尽量详细。测量过程中每测量30点左右及收站前，应检查后视方向，也可以在其它控制点上进行方位角或坐标、高程检查。④数据传输与转换。连接全站仪与计算机之间的数据传输电缆；设置通讯中端的通讯参数与全站仪的通讯参数一致；全站仪中选择要传输的文件和传输格式后按发送命令；计算机接收数据后以文本文件的形式存盘。通过软件将测量数据转换为成图软件识别的格式。⑤编绘并建立测区图库。成图采用南方测绘仪器有限公司软件CASS5.0成图。图幅编号采用西南角图廓坐标编码，坐标以公里为单位。建立测区图库，图幅接边，输出成图。

结论

随着数字地形图在工程应用中的深入，为了便于进行空间方面的量测和分析，人们对它表示地物和地貌的方法和精度提出了更高的要求。而三维数字地形图在工程上具有良好的应用基础，其可以查询任意特征点的平面坐标和高程等三维坐标信息。因此，三维数字地形图具有其独特的应用价值，随着三维数字地形图的不断开发和完善，相信在不久的将来它一定会有越来越好的应用前景。

[1]郭岚.三维数字地形图及其应用的研究[J].测绘通报，2002，05：10-11.

[2]王继周，李成名，等.城市三维数据获取技术发展探讨[J].测绘科学，2004，29（4）：71-73.

[3]窦兴伟，朱丽芳.临港工业园建设用地控制测量及数字化地形测量技术研究 [J].科技创新导报，2011，18：79-81.