地形、地籍的测量技术的发展与应用

【关键词】：GPS、RTK测量技术；技术

【摘要】：

土地是人类赖以生存和繁衍的首要资源，是一切社会生产、生活活动的载体。工程测量有着悠久的历史，它是直接为国民经济建设和国防建设服务，紧密与生产实践相结合的学科。土地管理是国家为维护土地制度，调整土地关系，合理组织土地利用所采取的行政、经济、法律和技术的综合措施。一般而言，国家把土地管理权授予政府及其土地行政主管部门。土地资源的合理利用和优化配置是决定一个地区能否持续、健康、快速发展的重要问题，对实现可持续发展的战略目标，切实提高土地资源利用效益具有重要的现实和指导意义。为了促使社会、经济、生态系统的良性循环，将生态稳定、建设和发展作为中心任务，坚决实施保护、巩固、发展的建设策略，加强水土保持，加强生态环境保护的科学研究和新技术的推广应用以及生态环境保护的科技支持能力。控制人为因素所产生的土地荒漠化，重点控制人类不合理利用资源的行为，统一规划、统一布局、统筹建设、协调发展，以土地资源可持续利用促进经济社会的可持续发展，从经济效益最大化转变为社会……

GPS、RTK测量技术是建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位系统，文章就利用这项新技术在地形和地籍测量中的应用情况做一介绍。同时，文章利用地理信息系统(GIS)对测绘地形、地籍以及生成土地证、房产证等一些图件进行说明,并作相应的转换处理,满足了地籍管理工作的需要。

工程测量通常是指在工程建设的勘测设计、施工和管理阶段中运用的各种测量理论、方法和技术的总称。传统工程测量技术的服务领域包括建筑、水利、交通、矿山等部门，其基本内容有测图和放样两部分。现代工程测量己经远远突破了仅仅为工程建设服务的概念，它不仅涉及工程的静态、动态几何与物理量测定，而且包括对测量结果的分析，甚至对物体发展变化的趋势预报。苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：“一切不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量，和不属于法定测量的应用测量都属于工程测量”。随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，我国工程测量的发展可以概括为“四化”和“十六字”，所谓“四化”是：工程测量内外业作业的一体化，数据获取及其处理的自动化，测量过程控制和系统行为的智能化，测量成果和产品的数字化。“十六字”是：连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。

20世纪80年代以来出现许多先进的地面测量仪器，为工程测量提供了先进的技术工具和手段，如：光电测距仪、精密测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、数字水准仪、激光准直仪、激光扫平仪等，为工程测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了有利的条件，改变了传统的工程控制网布网、地形测量、道路测量和施工测量等的作业方法。三角网已被三边网、边角网、测距导线网所替代；光电测距三角高程测量代替三、四等水准测量；具有自动跟踪和连续显示功能的测距仪用于施工放样测量；无需棱镜的测距仪解决了难以攀登和无法到达的测量点的测距工作；电子速测仪为细部测量提供了理想的仪器；精密测距仪的应用代替了传统的基线丈量。

多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用,如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人集成,可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作。在人类活动中，工程测量是无处不在、无时不用，只要有建设就必然存在工程测量，因而其发展和应用的前景是广阔的。

一、基于GPS、RTK测量技术的地形和地籍研究

（一）概述

GPS、RTK测量技术是建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位系统，文章就利用这项新技术在地形和地籍测量中的应用情况做一介绍，供同行参考。地形测图是为城市以及为各种工程提供不同比例尺的地形图，以满足城镇规划和各种经济建设的需要。地籍测量是精确测定土地权属界址点的位置，同时测绘供土地管理部门使用的大比例尺的地籍平面图，并量算土地面积。用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置，并按照一定的规律和符号绘制成平面图。GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据?（如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现，其在测量中的应用立刻受到人们的重视和青睐。GPS技术将紧密结合工程项目,在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。GPS是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。随着GPS定位技术的不断改进,软、硬件的不断完善,长期使用的测角、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三维坐标的高速度、高精度、费用省、操作简单的GPS技术代替。

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、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地震的形变监测、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、运载工具实时监控、石油物探点定位、地质勘查剖面测量、碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景。

数字化测绘技术在测绘工程领域得以广泛应用，使大比例尺测图技术向数字化、信息化发展。大比例尺地形图和工程图的测绘,历来就是城市与工程测量的重要内容和任务。常规的成图方法是一项脑力劳动和体力劳动结合的艰苦的野外工作,同时还有大量的室内数据处理和绘图工作,成图周期长,产品单一,难以适应飞速发展的城市建设和现代化工程建设的需要。随着电子经纬仪、全站仪的应用和GEOMAP系统的出现,把野外数据采集的先进设备与微机及数控绘图仪三者结合起来,形成一个从野外或室内数据采集、数据处理、图形编辑和绘图的自动测图系统。系统的开发研究主要是面向城市大比例尺基本图、工程地形图、带状地形图、纵横断面图、地籍图、地下管线图等各类图件的自动绘制。系统可直接提供纸图,也可提供软盘,为专业设计自动化,建立专业数据库和基础地理信息系统打下基础。

航空摄影测量是进行城市大面积大比例尺地形图、地籍图测绘与更新以及大型工程勘测的重要手段与方法，它可以提供数字的、影像的、线划的等多种形式的地图成果。目前，我国有100多个城市或工测单位利用航测技术测制大比例尺地形图和地籍图，最大比例尺为1/500。采用的仪器除利用高精度的模拟测图仪和解析测图仪成图方法外，还用立体坐标测图仪与微机连接进行数据采集，经微机数据处理输入绘图机自动绘图。

测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展,其应用范围将进一步扩大,影像、图形和数据处理方面的能力进一步增强。

大型复杂结构建筑、设备的三维测量,几何重构及质量控制,以及由于现代工业生产对自动化流程,生产过程控制,产品质量检验与监控的数据与定位要求越来越高,将促使三维业测量技术的进一步发展。工程测量将从土木工程测量、三维工业测量扩展到人体科学测量。

（二）RTK技术应用

RTK技术用于各种控制测常规控制测量如三角测量、导线测量，要求点间通视，费工费时，而且精度不均匀，外业中不知道测量成果的精度。GPS静态、快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各种控制测量，但是需要时候进行数据处理，不能实时定位并知道定位精度，内业处理后发现精度不合要求必须返工测量。而用RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果，又能实时知道定位精度。这样可以大大提高作业效率。应用RTK技术进行实时定位可以达到厘米级的精度，因此，除了高精度的控制测量仍采用GPS静态相对定位技术之外，RTK技术即可用于地形测图中的控制测量，地籍测量中的控制测量和界址点点位的测量。地形测图一般是首先根据控制点加密图根控制点，然后在图根控制点上用经纬仪测图法或平板仪测图法测绘地形图。近几年发展到用全站仪和电子手簿采用地物编码的方法，利用测图软件测绘地形图。但都要求测站点与被测的周围地物地貌等碎部点之间通视，而且至少要求2-3人操作。采用RTK技术进行测图时，仅需一人背着仪器在要测的碎部点上呆上一、二秒钟并同时输入特征编码，通过电子手簿或便携微机记录，在点位精度合乎要求的情况下，把一个区域内的地形地物点位测定后回到室内或在野外，由专业测图软件可以输出所要求的地形图。用RTK技术测定点位不要求点间通视，仅需一人操作，便可完成测图工作，大大提高了测图的工作效率。

（三）RTK技术在地籍测量中的应用

地籍和测量中应用RTK技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍图，同上述测绘地形图一样，能实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入GPS系统，可及时地精确地获得地籍图。但在影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带，应使用全站仪、测距仪、经纬仪等测量工具，采用解析法或图解法进行细部测量。

在建设用地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界桩位置，确定土地使用界限范围、计算用地面积。利用RTK技术进行勘测定界放样是坐标的直接放样，建设用地勘测定界中的面积量算，实际上由PS软件中的面积计算功能直接计算并进性检核。避免了常规的解析法放样的复杂性，简化了建设用地勘测定界的工作程序。在土地利用动态检测中，也可利用RTK技术。传统的动态野外检测采用简易补测或平板仪补测法。如利用钢尺用距离交会、直角坐标法等进行实测丈量，对于变通范围较大的地区采用平板仪补测。这种方法速度慢、效率低。而应用RTK新技术进行动态监测，则可提高检测的速度和精度，省时省工，真正实现实时动态监测，保证了土地利用状况调查的现实性。

二、GIS在地籍、地形测量中的运用

（一）概述

目前GIS正向着数据标准化、平台网络化、数据多维化、系统集成化、系统智能化和应用社会化的方向发展。互操作地理信息系统是GIS系统集成的平台,它实现异构环境下多个地理信息系统及其应用系统之间的通讯协作。基于WWW的GIS(WEBGIS)是利用Internet技术在网络上发布空间信息,供用户浏览使用,成为GIS社会化大众化最有效的途径。面向对象和构件的GIS是把GIS功能模块划分为多个标准控件,完成不同功能,通过可视化工具集成起来,形成最终GIS应用。嵌入式GIS是将GIS功能与嵌入式设备,嵌入式操作系统相结合创造更自由随意的GIS应用模式。三维GIS(3DGIS)目前研究重点集中在三维数据结构的设计优化实现,立体可视化技术的应用,三维系统功能和模块设计等方面。数字地球是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识,其核心思想是利用数字化手段统一处理地球问题和最大限度地利用信息资源。

在GIS软件开发方面,更换平台和环境,扩展数据库管理系统、更改一切语言和开发模式。操作平台以原Unix为主流更换到WindowsNT/2000平台,后者已成为发展主流。在理论研究方面,时空数据处理及三维GIS仍然是当前热点,随着计算机处理能力和多维空间可视化技术的进步,推进商品化的多维GIS将为时不远。在国内,当前研究GIS系统的主要有中国地大、武汉瑞得、南方CASS、金陵地籍等大小几十家企业,各家软件偏重点不同,使用方法各异。针对各个单位要求形成的数据格式不一样,作者在各个软件上分别使用,并转换到通用平台上,使之能在通用平台上操作、修改、编辑等,完成工作的需要。

（二）建设方案的设计思路

1.关键技术

（1）高分辨率对地观测技术

数字摄影测量将成为数字城市数据采集手段之一。

（2）3S一体化

3S指的是全球定位系统(GPS)、卫星遥感系统(RS)和地理信息系统(GIS),是建立数字城市的三大支撑技术,GPS可在瞬间产生目标定位坐标却不能给出点的地理属性,RS可快速获取区域面状信息但受光谱波段限制,GIS具有查询、检索、空间分析计算和综合处理能力,但数据的录入和获取始终是瓶颈问题。数字城市需要综合运用这三大技术的特长,方可形成和提供所需的对地观测,信息处理和分析模拟能力。

（3）空间一致性匹配

建立数字城市是一项庞大工程,不同信息源、不同比例尺、不同投影方式、不规则分幅地图,要在数字城市系统中复合显示,叠加查询和综合分析必须进行系统整合。

（4）互操作

统一协议是实现互操作的关键。互操作是在保持信息不丢失的前提下,从一个系统到另一个系统的信息交换能力,现已有抽象开放地理互操作规范(OGIS),主要由三大模块(开放式地理数据模型、OGIS服务模型、信息群模型)组成。

2.系统结构组成

（1）行业数据库,行业办公自动化系统,行业信息化系统、行业基础档案库

（2）3S技术系统

包括城市电子地图、遥感图像(卫星、航空)、地理信息系统、行业应用软件、全球卫星、定位系统(GPS)、立体测量系统。

（3）硬件环境

计算机硬件(包括外设)、网络系统、全球卫星定位系统、立体测量系。

三、计算机技术在地籍地形测量中的运用

下面是应用软件的一个中文菜单提示:NAPGIS一个很大的特点就是图形和属性之间的联系紧密,图形处理功能强大。在其上建立的地籍管理信息系统除了图形处理能强大以外,还提供了一套符合土地系统的解析图形编辑法及十分强大的历史管理功能,解决了图形与属性数据历史信息管理的难题。宗地的属性数据是十分丰富的,由于各地经济发达的程度不同,城市的规模不同,需求的不同,它包括的内容也是多种多样的;但要以把宗地属性分为两类:空间方面的属性和人文方面的属性。空间属性主要有宗地面积,座落,四至等,这些是国家土地管理局颁布的《城镇地籍调查规程》及《土地登记规则》中规定必须要具备的,另外还包括一些地区根据自己的需要所增加的一部分,如:地物分布及类型面积情况、容积率,密度等,从计算机管理的角度考虑并结合MAPGIS的特点,空间方面的信息又可分为与图形紧密联系的属性(如宗地面积,周长,宗地号,界标类型等)和一般性质的空间属性(如:宗地座落,四至等),在MAPGIS中根据这两种数据的特点,将其放在图形数据中由MAPGI平台直接维护其一致性,令面积的核算快速准确,而将一般性质的空间属性放在外部数据库中;而人文属性包括宗地的权属、共用关系、用途等信息,这一部分属性全部放在外中数据库中,通过宗地号与图形数据建立联系。将上述的数据准备好以后,就可以进入系统进行初始数据采集与系统建库了。对于地籍数据而言,系统数据分层处理必须以能提高工作效率,便于数据分析,统计,查询,并且有良好的可扩展、可伸缩性,能够满足各地区地籍管理工作需要为目标。结合阳县地籍,可以按如下专题进行分层:地形数据分过渡层、方里网、测量控制点、居民地、独立地物、交通及附属、水系及附属特殊地貌、植被、注记、地形、电力线等层。界址数据包括界址点、界址线、宗地。由于界址数据在测量时就是一个整体,因此这一层没有进行分幅管理,而是充分发挥MAPGIS对数据的管理能力,从物理上就作为完整的一体进行管理。

RTK系统主要由一个参考站（基准站）、若干个流动站、数据通讯系统3打部分组成。RTK测量时，基准站将接收到的所有卫星信息及其基准站信息一起由通讯系统传送给各流动站。各流动站在接收卫星数据的同时还接收基准站传送的信息，当流动站完成初始化工作后，控制器即可根据接收到的信息实时计算并显示出流动站的点位坐标。

RTK测量同样是基于WGS-84地心坐标系统，其全部观测值以及解算结果均属于WGS-84坐标系统。我国目前采用的是1980年国家大地坐标系，也仍有采用以前的1954年北京坐标系或者各种区域性坐标系统。因此必须将RTK测量所得到的WGS-84坐标系转换成国家或地方坐标系成果，要实现这种转换就必须准确知道地方坐标与WGS-84坐标间的转换参数（平移因子、尺度因子、旋转因子），这是RTK测量时必须首先解决的重要问题。他与RTK测量的作业方式有着直接关系。

观测点之间无需通视，这样就可以减少测量工作的时间与经费，同事也是地形点位的选择变得更为灵活。以我们缙云县为例，土地开发整理大多选在山地丘陵地带，彼此之间通视的地点不多，运用RTK系统进行土地开发整理地形图的测量等工作是最理想的选择

土地开发整理专项规划基础图件是土地利用现状图，在规划基期年土地利用现状图基础上制作土地开发整理专项规划图，对于数量占绝大多数的市县级土地开发整理专项规划，其图件比例尺一般要求为1：5万~1：20万，是在国家测绘部门提供的中、小比例尺航测地形图（1∶1万）基础上，通过土地利用现状调查，利用航片、调绘片编绘而来。目前，市县级实际使用的土地详查图编制时间多为20世纪90年代初期或中期，而且变更调查又不能较好地到位或及时地反映实地的土地利用变化，因而导致图件的现势性较差，影响了规划成果的准确性。随着测绘技术的发展，特别是计算机数字化技术的发展，完全可以采用GPS-RTK技术实测现势性较强的数据，再用GIS技术建立土地利用现状及变更数据库，并对这些基础数据进行实时分析评价，以解决专项规划基础图件的现势性问题。在项目规划设计阶段，因涉及项目规划方案的优劣判断、沟林路渠工程的详细设计、工程概（预）算及土方计算的准确性等，因此对项目区地形地貌的准确性、现势性上有较高的要求，对项目区各类土地的面积、长度、高程有相对较高的精度要求。通常要求实测比例尺大于1∶2000的全要素地形图作为设计底图。可采用常规方法先用GPS布设控制，再用全站仪甚至RTK进行野外数据采集，首级高程控制点应采用四等水准进行联测，利用全站仪野外数字采集的资料或数字，生成项目区数字高程模型（DEM），利用DEM辅助计算出每个设计田块的设计填挖土方量及施工填挖土方量。池塘、河道、沟渠、涵洞应测水底高程，水闸应注高宽及孔数，以便于农田水利工程设计；测出农业基础设施、道路、林地、坟墓的分布及面积信息，以便于田间道路工程设计。在具体的操作工作中，例如有的田间道路需要布线和放样，并且现场画出断面图，以提供更准确的数据。这个时候，RTK就最方便不过了，可以完全不受通视限制，除了一些个别地方由于接收不到卫星信号或者电台信号而无法完成时，可借助全站仪来完成。在项目施工阶段，施工单位只要根据专业测绘单位提供的前期测量成果及设置的专门控制点（界）石，运用RTK系统，采用工程施工放样测量的方法，依据通过审批的设计方案及设计图件进行相应的施工。

在项目竣工验收阶段，完全可以运用RTK系统进行田坎、道路、水渠的精确测量，为竣工验收提供有效正确的测量成果。这一阶段的测绘数据是工程项目的成果图，最终将反映项目的竣工现状，其测量成果一般就作为工程项目及各管理部门的存档及管理资料，较设计阶段而言，必须达到较高的测量精度，有着较全面的内容要求。

土地开发整理是一项综合性的土地资源管理工作，是实现区域耕地占补平衡和耕地总量动态平衡，保障区域土地资源可持续利用的一种有效政策措施。土地开发整理一般包括城市土地开发整理和农村土地开发整理两个方面，涉及土地开发、土地整理、土地复垦等三项活动[1]。目前，土地开发整理活动的工作重心是农地整理，是指对农村宜农未利用地、废弃地等进行开垦，对田、水、路、林、村等实行综合整治，以增加有效耕地面积、提高耕地质量的行为。

GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。

应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据（如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。故RTK技术一出现，其在测绘工作中的应用立刻受到人们的重视和青睐。