王 林，姚 远，吴 岘，邓夏澜

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430074)

1 测量区域概况

山西盂县电厂新建工程位于山西省阳泉市盂县境内，煤场厂址位于盂县以东约10 km的石崖村和贾家沟村之间，该区域为丘陵地区。在厂址的西北角有国家电网220 kV温池变电站，厂址内有多条220 kV和110 kV线路经过。测区属于小丘陵地形，自然地貌高程在750 m左右。

本工程测图目的是为盂县电厂新建工程输煤栈桥和煤场设计提供所选范围1∶1000数字化地形图。测图的核心内容为控制点的选埋，外业数据釆集和内业图形处理。外业数据采集包括：控制测量和碎步测量，采集方法为GPS-RTK与全站仪联合测图；内业图形处理包括数据处理和数字化地图编辑(图1)。

图1 联合测图作业流程

2 GPS-RTK与全站仪采集数据基本原理

2.1 GPS-RTK 基本原理

GPS-RTK 是采用载波相位差分技术进行GPS测量的技术手段[4]，它能够实时地提供测站点指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。在RTK作业模式下，流动站可以接收基准站通过数据链传输过来的观测值和测站坐标信息，同时，流动站还会自行采集GPS观测数据，并在系统内对差分观测值进行实时处理，1 s内即可解算出厘米级的定位结果。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可以在动态条件下开机，进行整周模糊度的搜索求解，也可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业。流动站在整周未知数解固定后，可实时处理每个历元，只要能保持跟踪4颗以上卫星的相位观测值，并构造必要的几何图形，即可随时解算出厘米级的定位结果。

2.2 GPS-RTK测量系统组成

GPS-RTK测量系统主要由由GPS接收设备、无线电通讯设备、电子手簿、蓄电池、基站、流动站天线及连线配套设备组成[7]。

2.3 GPS-RTK的关键技术

GPS-RTK的关键技术在于数据传输和数据处理，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。随着科学技术地不断发展，RTK技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS，有些城市建立起CORS系统，这就大大提高了RTK的测量范围，当然在数据传输方面也有了长足的进展，电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输，大大提高了数据的传输效率和范围。在仪器方面，不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、容易操作。

3 工程实例

3.1 测量内容及要求

按照任务要求，本次测量煤场地形图，比例尺为1∶1000；测量厂外输煤管带机带状地形图，比例尺为1∶1000。测量的主要技术要求如下。

(1) 厂址地形图比例尺：1∶1000；1980年西安坐标系；1985国家高程基准。

(2) 平面及高程控制测量执行现行的测量技术规范。

(3) 等高线间距应执行现行的测量技术规范，做到精度满足要求，图面清晰美观，方便使用。

(4) 地形图图式按国家标准局批准的图式编制，测量图幅分别按地形图进行矩形分幅。

(5) 平面控制测量和高程控制测量应建立永久性控制点。控制点位置的选择应充分考虑将来施工开挖的影响，防止被损坏。

3.2 技术依据

地形测量除了满足技术任务书的要求外，尚应满足下列现行有关规范和标准的要求：《工程测量规范》(GB50026-2007)；《火力发电厂工程测量技术规程》(DL/T5001-2014);《国家基本比例尺地图图式第1部分1∶500、1∶1000、1∶2000地形图图式》(GB/T20257.1-2007)。

3.3 搜资情况及资源配置

本次工程采用设计院于2015年6月完成的盂县电厂工程(编号FA07921C-L0101)控制点测量成果D03、D05作为控制测量起算点。

设备情况：GNSS测量使用天宝R8 3台，全站仪1台，台式计算机2台及相关的辅助设备(表1)。

表1 主要仪器设备及精度

3.4 控制测量

3.4.1 平面控制测量

3.4.1.1 平面控制点的布置及埋设

经过实地踏勘，埋设控制点：布设的控制点间至少有一个通视方向，控制点位置的选择充分考虑以下条件。

(1)将来施工开挖的影响，防止被损坏。

(2)周边视野开阔，视场内障碍物的高度角低于15°，周边环境适合安装接收设备，且方便操作。

(3)距离高压输电线和微波无线电信号传送通道大于50 m，距离大功率无线信号源大于200 m。

(4)方便采用多种形式的测量手段进行联测。

(5)地质条件良好，基础稳定，有利于保存点位。

煤场GPS一级网控制点埋设为混凝土加钢质标芯的永久性标志，埋设基准点的规格为顶宽300 mm×300 mm、底宽400 mm×400 mm、高600 mm的混凝土钢标芯结构。共布设了3个点，点号分别为：E31、 E32、E33。

3.4.1.2 GPS平面控制网的观测及平差计算

GPS平面控制网观测，使用Trimble R8 3台作快速静态测量，每点观测时间为20～60 min。卫星高度角为15°，采样时间间隔为15 s。

GPS控制网基线解算和平差计算，采用Trimble商业软件Trimble Business Center (以下简称“TBC”)，数据处理包括基线解算、WGS84基准下的三维无约束平差、1980西安坐标系基准下的三维平差。椭球为1980西安坐标系参考椭球(长半轴a=6378140;扁率：1/298.257)，椭球转换参数：使用GPS解算软件Trimble Business Center自带的椭球转换参数Beijing 1982 (China)，由WGS84椭球至1980西安坐标系参考椭球的转换采用Molodensky三参数转换，三参数分别是X、Y、Z三轴平移量，分别是0、0、0。投影方法：采用横轴墨卡托投影。煤场厂区GPS控制网的起算点为D05。由于测区高程数据较大，进行了测区的工地投影改正。

3.4.1.3 GPS平面控制网精度情况

控制联测GPS网各网点的点位误差如表2所示。

表2 盂县电厂GPS网各点位误差

GPS一级平面控制网水平精度和三维3D精度情况见表3。

表3 GPS 一级平面控制网水平精度和三维3D精度

3.4.1.4 平面控制点的检测精度

在GPS控制网解算基线和平差计算处理后，对GPS控制点间的边长使用全站仪进行了实测，并对GPS平面坐标反算边长(以下称GPS反算边长)和全站仪实测边长进行比较和分析，以检验GPS平面控制成果的精度和可靠性。

使用GPT-3002LN全站仪检测控制点之间的边长, 该仪器的标称精度如下：测角中误差2″，测距精度(2 mm+2(×10-6)×D (D:距离观测值)，该仪器检定的加常数为 -0.41 mm，乘常数为 -0.09 mm/km。

GPS平面控制网边长检测，在每一段距离测量前将测站位置的温度和气压输入全站仪，保证测得的边长经过了气象改正；使用全站仪测量，单向测各4个测回，取其平均值为观测值 。

GPS一级平面控制网边长检测见表4。

表4 GPS一级平面控制网边长检测

从表4可知，测量精度符合《火力发电厂工程测量技术规程》中GPS网一级中最弱相邻点边长相对中误差1/40000的要求。

3.4.2 高程控制测量

(1) 高程控制系统及起算点。1985国家高程基准，高程起算点数据所示，D5为高程起算点。

(2) 高程控制网的布设。高程控制网点与平面控制点共点位。

(3) 观测和计算。GNSS高程控制网采用Trimble R8 GNSS接收机按四等GNSS高程测量技术要求，与平面观测同步进行。平差采用天宝随机软件TBC与平面计算同步解算，高程以D5为起算点，引入大地水准面模型EGM96，拟合得到其它平面控制点的高程。

(4) 高程控制精度。平差计算最大的高度误差3 mm，最弱3D精度比率为1/344239。

(5) GNSS高程控制测量的检查。高程检测与平面检测同时进行，统计结果见表5。

表5 GNSS高程控制测量检查统计

由表5可以看出，本次GNSS高程测量是符合要求的。

3.5 地形测量

3.5.1 图名及图幅分幅

地形图的名称以工程来命名，图幅分幅按矩形进行分幅。图幅接合表按顺序编号，编号采用由上到下，从左到右的原则，顺序编号。

3.5.2 地形图测量

地形图测图方法采用GPS-RTK测量和全站仪测量相结合。现场测量自动记录原始数据，现场绘制测点草图，草图的点号与使用仪器记录的点号相一致。在内业处理时，首先把仪器自动记录的原始数据导出生成软件所需的数据文件，然后使用《大比例尺数字测图软件》(PowerMap)(软件编号CL0380)读取数据文件，根据测点草图对地形、地物进行编辑、成图。输出AUTOCAD2004版DWG图型文件。地形点的高程注记至dm。

本工程地形图共12幅，测图比例尺为1∶1000，等高距为1 m。

为保证成图质量，在内业整资结束后，将编辑好的地形图打印成白纸图，在实地进行巡视，对地形、地物进行检查和校对，对与实地地貌或地物不符合的图形进行修改，保证了成图的准确性。

4 厂区三维数字化

随着计算机软硬件技术的不断进步，图形处理的效率和质量已越来越高，通过结合高分辨率遥感影像图和数字高程模型(DEM)，使用ArcGIS软件作为工具，可以实现地形地貌的三维数字化，生动形象的再现真实场景，本文将探讨通过本工程采集的数据来进行厂区地形三维可视化。

4.1 研究方法

主要运用Arcgis软件平台进行数据处理和成果输出，使用的功能模块主要包括Arcgis Desktop和ArcScence模块[6]。

4.2 数据源及数据预处理

三维场景的真实再现需要依托数字领域的三维数据，高分辨率的遥感影像图是平面数据的来源，而数字高程模型则可以提供高度维度上的数据，通过三维可视化平台导入这两种不同的数据源进行分析处理和叠加显示，即可逼真还原研究区域的三位场景及其地形地貌的特点。本文研究的区域范围只有工程测量的地形点和控制点坐标，为了生成三维模型，需要通过一定的手段获取影像数据和数字高程模型。

4.2.1 提取厂区影像数据

由于没有高精度高分辨率的卫片和航片，考虑使用BIGMAP软件下载该软件能提供的最高分辨率(约0.26 m)的影像数据，该影像还需要进行几何校正和影像裁剪，才能与测区范围匹配(图2)。

图2 盂县电厂新建工程区域影像

4.2.1.1 几何校正

几何校正即校正成像过程中所造成的各种几何畸变，将图像数据投影到平面上，使其符合地图投影系统的过程。该影像图坐标系统为WGS84，需要进行几何校正，与测量数据坐标系一致，才能进行下一步工作。

具体实现过程为：①选择控制点：在遥感图像和地形图上分别选择同名控制点，以建立图像与地图之间的投影关系，这些控制点应该选在能明显定位的地方，如河流交叉点等。②建立整体映射函数：根据图像的几何畸变性质及地面控制点的多少来确定校正数学模型，建立起图像与地图之间的空间变换关系，如多项式方法、仿射变换方法等。③重采样内插：为了使校正后的输出图像像元与输入的未校正图像相对应,根据确定的校正公式，对输入图像的数据重新排列。在重采样中，由于所计算的对应位置的坐标不是整数值，必须通过对周围的像元值进行内插来求出新的像元值。

4.2.1.2 影像裁剪

针对所要制作的地图区域，按照校正后的地图边界对图像进行裁剪；根据盂县电厂新建工程煤场和输煤栈桥的实际范围对影像图进行裁剪，将区域确定出来，具体实施步骤如下。

(1)数据管理工具→栅格→镶嵌数据集→创建镶嵌数据集(必须存放在GDB或MDB中，需要输入镶嵌数据集名称和坐标系)。

(2)添加栅格数据后构建边界，即可生成输入栅格的边界线状要素(或者直接在3D Analyst工具中的转换工具，选择栅格范围，亦可获取输入栅格的边界)。

(3)通过栅格处理中的裁剪工具，可从影像上裁剪下边界范围内的影像(对于规则像素的栅格，可获取矩形影像，对于不规则影像边界，则需选中 使用输入要素裁剪几何),最后即可输出所需影像范围文件(图3)。

图3 盂县电厂新建工程区域精准影像

4.2.2 提取数字高程模型

建立数字高程模型(DEM)的基本方法包括不规则三角网(TIN)和规则格网(GRID)等，格网模型能够充分表现高程变化的细节，拓扑关系简单，分析处理算法易于实现，某些空间操作及存储组织灵活方便，但是其数据存储占用巨大的空间，并且在不规则的地形特征和较为平坦的地形特征之间在数据表示方面不够协调；而不规则三角网模型能够进行高效率的存储，数据结构简单，与不规则的地面特征和谐一致，可以表示线性特征和迭加任意形状的区域边界，易于更新，可适应各种分布情况的数据。经过对比，本文采用建立TIN模型的方法来还原三维场景。

在ArcGIS中,可以通过等高线和高程点来建立表面模型,并且还可以对己经生成的TIN模型进行添加、修改要素,以达到使表面模型更加逼真的效果。这就要求在对矢量化后的数据进行属性赋值之前,要对图进行分开处理。等高线和高程点要分别存储于两个不同的图层中。以下是建立DEM的基本步骤。

(1)由最基础的测点数据，导入x y文件，输入坐标系，在视图中生成(图4)。

图4 ArcGIS导入点位

(2)数据导出为shp后，通过3D Analyst→数据管理→TIN→创建TIN(图5)。

图5 创建TIN

(3)3D Analyst→转换→由TIN转出→TIN转栅格(图6)。

图6 创建栅格DEM

4.3 成果展示

在ArcScene中加载TIN数据，在属性中从表面获取高程，选择TIN数据。

加载影像(图7)，即可得到厂区三维影像成果(图8)。

图7 三维TIN模型

图8 盂县电厂三维地形

4.4 生产应用

ArcGIS产品是目前世界上最为领先的GIS平台，平台支持海量的数据格式，并且全球几乎所有的GIS软件都支持ArcGIS的数据格式，该平台提供丰富的组件库和友好的开发环境，可拓展性高。

本文探究的三维数字化成果主要包括TIN数据模块、GBD数据模块等，上述数据集均是ArcGIS通用格式，可应用于各类ArcGIS二次开发软件体系以及支持ArcGIS数据格式的软件平台之中，图9是将本文技术路线成果导入GIS系统中的显示效果。

图9 GIS软件应用

公司电力工程三维数字平台即是基于ArcEngine进行开发的，其三维数据组织模式与本文成果数据一致，如图10。

图10 数据对比

待该平台开放数据接口，双方数据即可进行无缝衔接，为生产实践提供了多样化选择和更加灵活的组织模式。

5 结论和展望

5.1 结论

盂县电厂新建工程煤场及输煤栈桥区域范围内地形破碎，地理条件复杂、地物众多，GPS-RTK联合全站仪测量能极大地提高测量的工作效率，可以使用更少的人力物力完成更多的测量任务，同时不会造成误差的累积和传播，保证成果精度，在测量过程中更详尽地记录地形地貌的变化和特征。通过对该区域的数字化测图，为设计方提供了真实准确有效的现场数据，供其进行合理的规划和设计工作，提高其设计效率及设计质量。

三维可视化在地理科学研究中具有重要的应用价值，它可以动态呈现实体的特点特征，多视角、全方位、多层次对实体进行描述， 能极大地促进实现虚拟现实技术的进步，再现地学面貌和现象。通过对测区的三维数字化处理，构建形象逼真的三维立体模型，可以快速、方便地获得所需的GIS 空间数据将设计工作从二维平面化拓展到三维立体化领域，不仅可以快速、方便地获得所需的GIS 空间数据，减少野外勘察的劳动量,还能进一步减轻设计压力，加深设计深度，使设计方做到足不出户，就能决策千里。

5.2 展望

(1)测绘仪器和成图软件的进步和发展大有余地。

(2)三维数字化流程的自动化处理有待研究。

(3)三维编辑功能可以继续优化和完善。