大比例尺数字测图概述.docx
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大比例尺数字测图概述
大比例尺数字测图概述
摘要：
本文的主要内容是关于数字测图。
其中详细介绍了数字测图的历史及发展状况，同时也用一定的篇幅来说明国内外数字测图的模式，为后来的学者研究数字测图历史提供便利。
本文后半部分讲了GPS-RTK数字测图，RS数字测图，以及“3S”结合的数字测图方法，这些方法都是当今常用的方法。
本文最后为数字测图提出总结和建议，提出作者自身的观点以供参考。
关键词：
数字测图/测绘/GPS/“3S”
1前言
随着现代测绘技术的飞速发展，作为现代测绘技术基础的数字测图技术也呈现出日新月异的变化。
电子经纬仪、光电测距仪、全站型电子速测仪、GPS，RTK等先进测量仪器和技术的广泛应用，促进了地形测量向自动化和数字化方向发展，于是数字化测图技术应运而生。
数字测图实质上是一种全解析机助测图方法，在地形测量的发展过程中它应该是一种带有根本性的技术变革。
目前，以现代测绘设备和计算机应用软件为主体的数字测图技术已广泛应用于测绘生产，地形测量已从传统的白纸测图转变为数字测图。
地形测量包括地物和地貌测量两大内容。
传统的平板仪测图和经纬仪（或测距经纬仪）测图通称白纸测图，它主要采用解析法和极坐标法，其成果为模拟式的图解图。
但由于其成图周期长、精度低、劳动强度大等局限逐渐被淘汰。
而全数字地形测图顺应现代测绘技术新潮流，利用先进的测量仪器（如GPS接收机、电子全站仪等）和自动化成图软件，采用各种灵活的定位方法进行以数字信息表示地图信息的测图工作，它的成果为模型式的数字图。
2数字测图的历史及发展
测图是测绘工作的主要组成部分，拥有悠久的历史。
20世纪中叶，新的科学技术得到了快速发展，特别是电子学、信息学、电子计算机科学和空间科学等，在其自身发展的同时，给测绘科学的发展开拓了广阔的道路，创造了发展的条件，推动着测绘技术和仪器的变革和进步。
1947年，光波测距仪问世，60年代激光器作为光源用于电磁波测距，使长期以来艰苦的手工业生产方式的测距工作，发生了根本性的变革。
彻底改变了大地测量工作中以测角按算距离的面貌。
因此除用三角测量外，还可用导线测量和三边测量。
随着光源和微处理机的问世和应用，使测距工作向着自动化方向发展。
氦氖激光光源的应用使测程达到60公里以上。
精度达到±（5mm+5×10-6D）。
固体激光器的应用使测程大大加大，因此测月、测卫工作得以实现。
80年代开始，多波段（多色）载波距的出现，抵偿、减弱了大气条件的影响，使测距精度大大提高。
ME5000测距仪达到±（0.2+0.1×10-6D）的标称精度。
与此同时，砷化钾发光管和激光光源的使用，使测距仪的体积大大减小，重量减轻，向着小型化大大迈进了一步[1]。
除了光波测距以外，微波测距也有很大发展，80年代之后，全自动化的微波铡距仪CA-100、W由于以上这些先进测量仪器的生产和应用，使测量工作向着自动化、电子化方向发展，减轻丁劳动强度，提高了工作效率，并且使野外工作大大减少，因而改善了测绘工作艰苦的环境。
最初的测图完全靠手工绘制，使用的工具简单原始，一般使用皮尺、钢尺等简单工具，测量精度低，受人工操作影响较大。
随后出现了传统的平板仪测图和经纬仪（或测距经纬仪）测图，这两者通称白纸测图，它主要采用解析法和极坐标法，其成果为模拟式的图解图。
但由于其成图周期长、精度低、劳动强度大等局限逐渐被淘汰。
全数字地形测图顺应现代测绘技术新潮流，利用先进的测量仪器（如GPS接收机、电子全站仪等）和自动化成图软件，采用各种灵活的定位方法进行以数字信息表示地图信息的测图工作，它的成果为模型式的数字图。
2国内外研究现状
2.1国外研究现状
20世纪80年代，全球定位系统（GPS）问世，采用卫星直接进行空间点的三维定位引起了测绘工作重大变革。
由于卫星定位具有全球、全天候、快速、高精度和无需建立高标等优点，被广泛用在大地测量、工程测量、地形测量及军事的导航、定位上，世界上很多国家为了使用全球定位系统的信号，迅速进行了接收机的研制。
从70年代到现在，已有百余厂家研制了一二百种精度不同、类型不同的仪器。
现已生产出第五代产品，它体积小、功能全、重量轻。
除了美国研制GPS定位系统外，前苏联研制了GLONASS定位系统，还有欧洲空间局的全球卫星导航系统（NAVSAT）、原西德的全球无线电导航系统（GRANAS）等也都开展了工作。
我国也在进行卫星导航定位系统的研究，所研制的双星定位系统已有很大进展，不久即可问世。
另外，全球定位系统GPS的应用研究，进展很快，做出了很好的成果。
20世纪70年代，除了用飞机进行航空摄影测量测绘地（形）图外，还通过人造地球卫星拍摄地球照片，监测自然现象的变化，并且利用这些卫片测绘地图，其精度逐步提高。
近年来，已改变了过去摄影测量的方式，用数字摄影测量技术进行测量工作，使摄影测量的成果稳定、可靠，并且自动化程度高。
还可与计算机组成一个系统，易于完成地图的生产、使用、修改和换代。
由于测绘仪器的飞速发展和计算机技术的广泛应用，地面的测图系统，由过去的传统测绘方式发展为数字测图。
所以地形图是由数字表示的，用计算机进行绘制和管理既便捷，又迅速，精度可靠。
2.2国内研究现状
数字化地形测图是在现代机助制图技术支持下发展起来的高新测图技术。
具体讲就是，以传统的测图原理为基础，采用数据库技术和图形及数字处理方法，实现地图信息的获取、变换、传输、识别、存贮、处理、显示、编辑修改和计算机绘图。
与传统白纸测图相比，全数字地形测图不仅仅是方法的改进，而是技术的本质飞跃。
九十年代以来，全站仪进入了一个新的发展时期，出现了带内存、防水型、电脑型等等的全站仪，使得这一最常规的测量仪器越来越满足数字化地形测图工作的需求。
随着计算机技术的飞速发展，涌现出一批优秀测量绘图软件，如清华大学的清华测霸EPSW2000;南方测绘公司基于AutoCAD2004的CASS57.0数字化地形地籍成图软件;武汉瑞得公司集数字采集、数据处理、图形编辑于一体的数字化测图系统RDMS等[2]。
这些软件可以绘制数字化地形图、数字化地籍图，进行数字化图纸管理，图形信息可以以文本格式存放，直接进入地理信息系统GIS，具有强大的编辑功能，方便实用。
它们的出现极大地推进了数字化测图技术的发展。
GPS、GIS等测绘相关技术的发展，也使得外业用全站仪采集数据，内业采用相应软件测绘地形图的数字化测图方法趋于成熟。
3数字测图发展趋势
3.1GPS数字测图
80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。
长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定3维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替，同时定位范围已从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间；定位方法已从静态扩展到动态；定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域[3]。
在我国GPS定位技术的应用已深入各个领域，国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术，在石油勘探、高速公路、通信线路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、海岛或海域测量等也已广泛的使用GPS技术。
随着DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统的发展和美国AS技术的解除，单点定位精度不断提高，GPS技术在导航、石化工程测量、碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景。
尤其是今年来各地连续运行参考站系统（CORS）的相继建立，极大地方便了GPS定位技术的使用。
3.2RS数字测图
⑴轻小型低空遥感平台日趋成熟
轻小型低空遥感平台的发展历史较短，但由于具有机动灵活、经济便捷等优势，在近年来受到摄影测量与遥感等领域的广泛关注，并得到了飞速发展。
低空遥感平台能够方便地实现低空数码影像获取，可以满足大比例尺测图、高精度的城市三维建模以及各种工程应用的需要[3]。
由于作业成本较低，机动灵活、不受云层影响，而且受空中管制影响较小，有望成为现有常规的航天、航空遥感手段的有效补充。
当前可采用的轻小型低空遥感平台又可具体分为无人驾驶固定翼型飞机、有人驾驶小型飞机、直升机和无人飞艇等。
目前国内采用无人机进行摄影测量已逐步进入实用阶段，现已有部分大比例尺测图任务由无人机航测完成。
⑵高分辨率卫星遥感影像在测图中发挥重要作用
遥感卫星除影像分辨率的不断提高之外，遥感卫星传感器的成像方式也向多样化的方向发展，单线阵推扫式成像方式逐渐发展到多线阵推扫成像，立体模型的构建方式也随之多样化，更加合理的基高比和多像交会方式可进一步提高立体成图的精度[4]。
随着商业高分辨率遥感卫星数量继续保持快速增长，市场上可供选择的卫星影像数据日益增多，为大规模、快速采集地理空间信息提供了可靠的数据保障。
⑶航空数码相机成为摄影测量数据获取的重要手段
相对于传统的胶片式航测相机，数码相机的最大优势是在不增加飞行成本的条件下，获取大重叠度的影像数据，多视影像中相邻影像间的变形较小，如果采取多基线摄影测量的方法，将多幅相邻影像同时处理，则可以大大增加交会角，能够大幅度提高影像匹配、立体测图和三维重建的精度和可靠性，并有利于真正射影像的制作[5]。
⑷新一代数字摄影测量处理平台进入实用化阶段
近几年来，随着航空数码相机、机载激光雷达等新型传感器的迅猛发展，摄影测量系统的数据获取能力有了空前的提高，也给空间数据的处理与存储管理技术带来了新的挑战[6]。
目前国内的摄影测量数据处理流程中，还延续着传统基于单机模式的数据处理方法，无法满足超大范围摄影测量数据快速处理的需要。
为有效解决海量遥感数据处理技术的瓶颈问题，武汉大学将计算机网络技术、并行处理技术、高性能计算技术与数字摄影测量技术相结合，研究开发了新一代航空航天数字摄影测量数据处理平台。
⑸机载激光雷达技术得到广泛应用
机载激光雷达（AirborneLiDAR）集激光扫描仪、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一体，通过主动发射激光，接收目标对激光光束的反射及散射回波来测量目标的方位、距离及目标表面特性，能够直接得到高精度的三维坐标信息[7]。
与传统的航空摄影测量方法相比，使用机载激光雷达技术可部分地穿透树林遮挡，直接获取地面点的高精度三维坐标数据，且具有外业成本低、内业处理简单等优点，成为摄影测量领域的热点研究方向之一。
⑹地面激光雷达成功应用于三维建模
采用地面激光雷达技术可以直接获取待测地物高密度、高精度的三维坐标信息，为几何模型的快速建立提供理想的解决方案。
经过近几年的发展，地面激光雷达的测量速度已有明显的提高，测距精度可以达到毫米级，并能获取一定的回波强度信息。
在地面激光雷达系统的硬件组成中，除包括激光扫描仪之外，通常都会装配有小型数码相机，同时也可集成位置与姿态测量装置[8]。
将激光扫描仪测量得到的点云数据与数码影像进行融合，则能够快速完成三维模型的纹理映射，由于省去了近景摄影测量中复杂的影像匹配步骤，可以显著地提高工作效率。
⑺移动测图系统的数据获取与应用受到重视
移动测图系统是指在移动载体平台上集成多种传感器，通过定位、定姿和成像等传感器在移动状态下自动采集各种定位定姿数据、影像数据和激光扫描数据，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息采集与建库[9]。
目前移动测图系统主要指基于机动车辆的移动道路测量系统，同时也包括不太常见的铁路机车及人工便携式的移动测图系统。
移动道路测量系统通过机动车上装配的GPS、INS、数码相机、数码摄像机和激光雷达等设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据，特别适合于公路、铁路和电力线等带状地区的基础信息获取，在电子地图的制作与修测、城市三维建模等领域具有独特的优势。
3.3GIS数字测图
上世纪90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。
在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效。
在GIS技术不断发展下，目前GIS的应用已从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，成为重要的辅助决策工具。
据有关部门估计，目前世界上常用的GIS软件己达400多种：
国外较著名的GIS软件产品有：
Auotodesk系列产品、Arc/Info、MapInfo及其构件产品、Intergraph、Microstation等，还有Web环境下矢量地图发布的标准和规范，如XML、GML、SVG等等。
我国GIS软件研制起步较晚，比较成熟的测绘软件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等[10]。
尽管现存的GIS软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况：
一是利用GIS系统处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发用户专用的GIS软件。
目前已成功应用包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。
在美国及发达国家，GIS的应用遍及环境保护、灾害预测、城市规划建设、政府管理等众多领域。
近年来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了GIS应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业等领域发挥重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
“3S”是GPS（全球定位系统）、RS（遥感）和GIS的简称，“3S”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。
地理信息是一种信息流，RS、GPS和GIS中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面，而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。
因此，无论从物质运动形式、地学信息的本质特征还是“3S”各自的技术特征来说，“3S”集成都是科技发展的必然结果[11]。
4数字测图集中作业模式
数字化地形测图主要作业过程分为四个步骤:
控制测量、数据采集、数据处理及地形图的数据输出（打印图纸、提供软盘等）。
现就我们的作业方式详述如下:
在数字测图工作中，控制测量的工作与传统的控制测量相比非常简便。
首先在测区范围内布设GPS加密控制网，一般以三个互相通视的GPS点为一组，每组GPS点之间的距离以不超过2公里为宜。
每组GPS点之间以全站仪附合导线相连，由于这样的导线点精度高、密度大，它们兼有高级控制点和图根点的作用。
最后再根据碎部测量的实际需要在已有控制点的基础上施测闭合导线和支导线（由于缺乏检合，最好不要多于2站）作为图根点使用。
高程控制测量根据实际需要先进行精度估算，然后再结合平面控制网的布设，灵活组合应用三、四等水准测量、GPS高程拟合、全站仪三角高程等方法施测[12]。
数字化测图的碎部测量用全站仪进行，将全站仪与测图精灵用数据传输电缆连接在一起，点击测图精灵可以控制全站仪测量镜站坐标并记录下来。
我们一般采用草图法模式，现场绘制草图，室内用测点点号定位方法绘制成图。
“草图法”工作方式要求外业工作时，除了测量员和跑尺员外，还要安排一名绘草图的人员。
在跑尺员跑尺时，绘图员要和测量员及时联系，标注出所测的是什么地物（属性信息）及记下所测点的点号（位置信息）。
“草图法”工作方式在测量每一个碎部点时不用在电子手簿或全站仪里输入地物编码，故又称为“无码方式”[13]。
进行碎部测量时，对于比较开阔的地方，在一个制高点上可以测完大半幅图，就不要因为距离太远（其实也不过五、六百米）而忙于搬站。
对于比较复杂的地方，也不要因为“麻烦”（其实也浪费不了几分钟）而不愿搬站，要充分利用电子手簿的优势和全站仪的精度，因为测一个支导线点是很容易的。
数字化测图一般以路、河、山脊等为界线，以自然地块进行分块测绘。
当所测地物比较复杂时，例如村庄内部，为了减少镜站数，提高效率，可用皮尺丈量方法测量，室内用交互编辑方法成图。
如果测点的高程不参加高程模型的计算，使用测图精灵采集时，则要在同步采集面板下把“不参加建模”选项选上，这样，待测点的高程就自动为零了[14]。
在进行地貌采点时，在地性线上要有足够密度的点，特征点也要尽量测到。
例如在沟底测了一排点，也应该在沟边再测一排点，这样生成的等高线才真实;而在测量陡坎时，最好坎上坎下同时测点，这样生成的等高线才没有问题。
在其它地形变化不大的地方，可以适当放宽采点密度。
外业数据采集完成后，下一步是将坐标数据和图形数据传输到微机中，用CASS7.0进行绘图。
在CASS7.0软件环境下，可实时地将地物定位点和邻近地物（形）点显示在当前图形编辑窗口中，操作十分方便。
根据野外作业时绘制的草图，移动鼠标至屏幕右侧菜单区选择相应的地形图图式符号，然后在屏幕中将所有的地物绘制出来。
系统中所有地形图图式符号都是按照图层来划分的，例如所有表示测量控制点的符号都放在“控制点”这一层，所有表示独立地物的符号都放在独立地物这一层，所有表示植被的符号都放在植被园林这一层[15]。
5结论与建议
总之，数字化地形测图技术已经相当成熟，测图精度有很大提高。
它完全可以替代传统的经纬仪、小平板测图方法绘制矿区大比例尺地形图、矿区工业广场平面图或对已有地形图进行补测。
结合本人的工作经验，我认为矿区数字化地形测图技术还有以下几个方面需要逐步完善:
1、复杂地形条件等高线的绘制还比较困难，要从软件编制和野外作业两个方面进行深入研究。
2、逐步探索利用数字化地形测图技术测绘大面积地形图的组织管理工作，特别应该注意不同测绘小组之间的协调作业能力和图例、符号使用的一致性。
3、要加强数字化地形测图成果与地理信息系统的衔接。
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