红沙梁煤矿建设项目用地1:1000地形图测图技术设计浅析

卢红梅

（甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730020）

大比例尺数字测图[1]是一项精度要求较高、作业环节较多、组织管理较复杂的测绘工作。为了保证数字测图工作的合理安排、正确实施，各工序之间的密切结合，使成果、成图符合技术标准和用户要求以获得最佳的社会效益和经济效益，必须在施工前进行技术设计。

该设计针对窑街煤电集团酒泉天宝煤业有限公司红沙梁煤矿1∶1 000测图工程从控制测量、数据采集、成果的检查及验收等环节都做了具体的安排。通过此次项目的实施对控制、数字测图、成果的检查及验收等各个细节能有具体地了解，同时加深理论知识并提高业务水平，为以后的大比例尺地形图测绘工作提供了较好的指导作用。

1 概述

1.1 任务概述

测区位于甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县马鬃山镇吐鲁-红沙梁矿区，地理范围：东经96°33′23.0″～96°39′17.7″，北纬41°36′47.8″～41°45′56.6″，矿区东北距马鬃山镇35 km，距京新高速马鬃山镇出入口40 km，南距玉门市180 km，矿区内有便道可通行汽车，向东南的便道与G215国道相连，沿国道向南至连霍高速桥湾出入口，交通较为便利。测区地处戈壁荒滩，呈现干旱荒漠地貌景观，周围低山丘陵低矮平缓，地势比较平坦，最高海拔2 010 m，最低海拔1 855 m。测区属大陆性气候，夏季酷热，冬季严寒，气候干燥、降水少、蒸发量大。无常年河流与湖泊，雨季时有暂时性洪水，地表全为第四系砂、泥、砾覆盖，植物不发育，仅在盆地低洼处有稀疏的杂草，干旱多风，春冬为风季。本次测量工作的任务是在窑街煤电集团酒泉天宝煤业有限公司红沙梁煤矿区一定范围内建立GNSS平面控制网，高程控制网，然后测绘1∶1 000比例尺地形图。

1.2 已有资料和起算数据

测区内控制测量起算点由甘肃省测绘工程院提供C级GNSS控制点4个，至少2个互相通视；四等水准点2个，经初步踏勘标志完好，勘检核验无误，成果可作为本次测量起算成果。

1.3 坐标系统及投影带

1）平面坐标采用2000年国家大地坐标系（CGCS 2000），高斯3度带正形投影，中央子午线96°。

2）高程采用1985年国家高程基准。

3）控制测量精度：本次GNSS E级控制网精度要求见表1。

表1 E级GNSS测量的精度要求

4）基本等高距：由于测区大部分为丘陵及山地，等高距采用1 m。

2 平面控制测量

2.1 起算数据的检测和配置

利用已知点之前对其精度要进行检核，所以用四等精度对C级GNSS平面已知控制点进行观测。观测后，分别对这几个控制点之间的基线进行解算，通过约束平差算出控制点的坐标，得出最弱边相对中误差[2]，本次工程最弱边相对中误差不低于1/120 000时即可用来做本次E级控制网的起始数据。

2.2 GNSS点的选取

本次工程的选点工作需要在充分了解测区地形、地物等有关条件后，再根据《全球定位系统（GNSS）城市测量技术规范》选点原则，划分作业区并进行踏勘，在视野开阔的地方埋石布GNSS点。

GNSS点位选取应有利于测量设备的联测与通视要求，并且符合规范要求。（1）点位地理条件较好，地质条件坚实稳固，有利于点位的长期安全保存；（2）能够满足仪器架设和操作方便，保证仪器观测的净空要求，确保可视条件下观测卫星截止角不小于15°；（3）GNSS点位的标石制作应采用普通混凝土现场浇筑或预制，标石规格大小应为（上部20 cm×20 cm，底部为40 cm×40 cm，高40 cm），混凝土标石的中心采用不锈钢或其他十字标志安置，E级控制点编号为“E01”“E02”“E03”……“E38”。

布设GNSS点的时候应该充分考虑到点的利用效率，用最少的点完成最多的工作。GNSS点位选定应满足控制网布设原则，确定点位概略位置后制作点位选点图，对点位布设方法及原则编写选点工作总结。

2.3 GNSS点的埋石与点之记

GNSS网控制点埋设可选用预制混凝土标石或者在现场浇筑方法，将选定网点按照标石规格大小在坑底铺设沙石，坑内浇筑混凝土捣实后在表面用细沙石抹面均匀，在标石中心设置带有十字丝的精确标志，同时确保新埋设标石稳固不受破坏。在基岩露头地区，也可以在基岩上嵌入金属标志。每个点位标石埋设后，应填写点之记并提交详细资料。

2.4 GNSS网观测

GNSS控制网观测开始前应对测区进行卫星可见性分析，预测该时段卫星可见数及运行状况，提高控制网观测质量。卫星预报分析表主要包括卫星数及卫星号、卫星截止高度角和方位角、最佳卫星观测时间及卫星组，以及卫星观测质量点位PDOP值等内容。卫星预报分析表采用测区平均中心位置的经纬度坐标，确保测区范围全覆盖；分析预报时间采用观测作业的平均时间，确保观测时段内卫星质量满足要求。作业组在外业观测前应制作外业观测记录表，根据静态观测接收机台数，GNSS网型设计及点位布设图，GNSS卫星可见性预报分析表等制定工作计划，外业观测工作记录表应写明测站名称、测站点号、接收机号、观测时间以及天气状况等内容。观测时应使接收机天线指向正北，定向误差小于±5°。观测前量取三次天线高，量取角度互为120°，平均天线高小于3 mm。

1）观测前对所有设备进行检核，确保接收机等观测设备满足观测要求。

2）GNSS控制网观测采用5台华测i70双频接收机以静态方法施测，仪器标称精度为5 mm+1 ppm，E级GNSS网观测精度要求最弱边中误差不超过1/45 000。

3）本次观测考虑测区条件及网型布设要求，观测时段采用2 h，观测卫星数不少于5颗，卫星高度截止角大于等于15°，数据采样间隔15 s，GNSS网点位几何强度因子PDOP值不大于6。

4）观测过程中，确保接收机周围无信号干扰，不随便接打电话和使用对讲机，定期检查接收机卫星及星历记录状态，及时填写观测记录，将测站点名、点号、观测时间、观测时段、天线高等信息记录表中，见表2。

表2 E级GNSS控制网野外观测的技术要求

2.5 GNSS网数据处理与成果精度

1）外业观测数据处理。观测结束后将不同时段接收机观测记录导入华测CGO2.0处理软件，统一数据格式、HCN及天线高的量测方式，确保文件号及测站名的正确。基线处理过程中设置卫星高度截止角15 s，采样间隔为15″，最小历元数5，基线解算过程中采用基线类型均为双差固定解，对基线的比率、参考变量、RMS进行核查后满足要求。

基线解算在华测CGO2.0处理软件设置完毕后自动解算，基线解算的起始数据是不同时段接收机观测的卫星广播星历坐标值，不同的观测点坐标采用观测时长不少于2 h单点定位的WGS-84坐标值，基线解算使用双差固定解数据处理模型，闭合环搜索深度设置为3，对观测文件中卫星星历残差较大以及周跳较多的卫星信号进行处理和删除，基线解算结果可同时检查同步环和异步环闭合差值。针对相同观测时段中基线质量差的数据剔除率小于10%，采用不同数据数学模型的单基线模式或双基线模式解算基线，构成完全独立基线构成闭合环的坐标分量闭合差、全长相对闭合差以及环的最大坐标分量闭合差应满足规范要求[3]。

2）外业观测数据质量检查。观测成果的外业检核是基线解算及平差精度重要保证，当天外业观测结束后应及时将数据备份记录，并对观测数据进行数据质量分析与检核，以发现观测过程中存在不合格的数据，对问题数据进行分析整理，不合格数据应进行重测或补测。检核外业观测数据应注意以下几点：

（1）同步观测边的检核：检核各同步观测基线的方差比（ratio）及均方差（rms）。GNSS E级控制网基线方差比大于3.0符合控制网的测量要求。对于地形条件比较困难地区可适当放宽条件，将方差比调至2.0。

（2）重复基线边的检核：不同时段多次观测同一条基线边称为重复基线边。重复基线边的边长观测互差应小于E级规定精度的2倍。不同观测时段的基线边长度应与其重复基线平均值之差不能超过E级网的规定精度。

（3）异步观测环和同步观测环闭合差的检核：对于同步环以及异步环观测边长构成的闭合图形边长闭合差、分量限差、总限差以及相对误差应满足一定的规范要求。要求GNSS E级网最弱边边长相对中误差要小于1/45 000，最弱点点位中误差不得大于±0.05 m。

3 高程控制测量

3.1 高程系统和高程基准

根据本次项目任务及规范要求，该测区1∶1 000地形图测绘高程系统采用正常高程系统，按照1985年国家高程基准起算。

3.2 水准网的布设计方案

本次水准网布设采用4个国家三等水准点为起算点，在这4个点的控制下布设了四等水准网[4]，采用DS3水准仪在测区由南向北约30 km进行四等水准测量，余下5 km采用GNSS拟合高程方法代替五等水准测量来完成。

3.3 水准观测

3.3.1 仪器的选择与检验

此次水准测量采用DS3水准仪，在施测之前检查水准仪的分划线和注记是否粗细均匀、明显清晰，望远镜视场是否明亮、均匀等。

3.3.2 水准观测的技术要求

四等水准主要技术要求见表3、表4。

表3 水准测量的主要技术要求

表4 水准观测技术要求

3.4 水准网平差

数据处理时可采用平差易软件进行平差工作。要求闭合差、容许闭合差应符合四等水准测量规定。按照规范要求水准网平差结果精度要求应满足规程规定的每公里高差中误差为±10 mm。

4 数字线划图制作

4.1 测图比例尺

本次工程测区要求用1:1 000的比例尺测图。

4.2 基本等高距

根据规范要求同一测区大比例尺地形图应采用同一种基本等高距，由于本测区大部分为丘陵及山地，按照规程故采用1 m等高距。

4.3 外业测图

外业测图过程中主要采用RTK技术方法，克服了传统外业测量要求两点间光学通视，只需要满足主机和流动站进行数据交换，采用RTK和全站仪结合测图可以有效避免大建筑物及茂密植物下难以接受卫星和无线电信号的情况。采用全站仪进行测绘须建立图根控制网[5]，可利用RTK实时给出图根点的三维坐标，全站仪架设测站进行数据采集，必要时外业测图需绘制草图。

4.4 内业成图

野外采集数据存储在全站仪和GNSS手簿内，应及时传输到计算机中，数据传输软件采用南方CASS7.0数字化地形地籍成图软件。当日测绘成果须及时备份整理，对照外业测绘草图建立绘制编码，根据成图软件分层绘制，先绘制平面及高程控制点、图根点、河流、道路等地物，将地形图大致划分分区；其次绘制区域内地物要素，包括房屋、植被、桥梁、陡坎等；最后根据高程信息绘制等高线，注意等高线不能切割地物要素如房屋、道路等。

地物要素绘制过程中应先进行展点定位确定绘制范围，对照外业测绘草图及点位坐标和点号直接采集要素，要素符号应满足图式符号规范要求；对内业判断不准确或含糊不清的应及时进行外业调绘工作，制作外业调绘工作底图并标记清楚。道路通过居民地不可随意中断，应根据实际情况表示，公路进入城区时，公路符号以街道线代替；永久的电力线、通讯线应表示，同一杆架上有多种线路时，只表示主要的一种。不同类型的建筑物应尽量按照房屋外轮廓特征点采集，不应该进行统一综合处理。河流、湖泊、水库、水塘通常以岸边线绘出，不绘水涯线。岸边线和水崖线应分别表示清楚，当图式要素在水平投影间距大于1 mm时应绘制斜坡线。绘制有水生作物的水塘或鱼塘时，应绘制清楚水生作物符号及水生作物名称。

分幅图完成后，按照接图表各分幅图顺序依次将图拼接到一起，合成整个测区的合图，即完成绘图工作。数据图层明细表见表5。

表5 数据图层明细表

5 成图精度分析

为评价采用RTK技术代替传统测量手段绘制大比例尺地形图的测量精度，本次检验通过实地选取测区均匀分布的10个平面检查点和20个高程检查点进行野外测量，获取检查点实地三维测量坐标，根据实地点位在大比例尺地形图上位置来计算实测坐标与量测坐标平面误差，对比分析检查点平面和高程精度是否符合规范要求。

5.1 平面精度检查

针对该测区内地形图检查点的平面精度检验，主要采用GNSS-RTK技术结合甘肃省卫星连续运行参考站（GSCORS）系统，采用野外散点法均匀选取测区内10个平面检查点，分别对其观测3次取平均值作为最终结果，并对实测坐标和图上量测坐标进行了对比分析，平面精度统计分析见表6。

表6 地形图检查点平面精度分析

由表6可得10个不同检查点实测坐标和量测坐标的平面坐标误差统计数据ΔX、ΔY 和ΔXY。按照点位坐标中误差计算公式可计算检查点的点位中误差mΔXY[6]，见公式（1）。

式中：mΔXY为检查点的点位中误差，ΔXY为检查点实测坐标与量测坐标的点位误差，n为检查点个数。

平面精度检查点共选取10个，采用点位中误差公式计算得到该测区内不同检查点平面精度的点位中误差为±0.086 m 。根据《工程测量规范》（GB 50026—2020）规定外业检核图上地物点相对于邻近平面控制点的平面位置中误差mΔXY不应大于图上0.8 mm要求，按照1∶1 000地形图测图要求即实测允许平面坐标点位中误差的限差为±0.8 m。本次1∶1 000地形图平面坐标点位中误差±0.086 m，小于规范允许限差±0.8 m要求，可知检查点位中误差满足1∶1 000地形图测图精度要求。

5.2 高程精度检查

为检验该测区内地形图检查点的高程精度，通过在测区均匀实测20个检查点高程，实测点高程与之对应点位的图上高程主要通过等高线内插方法计算出，通过实测点与量测点高程误差分析并计算检查点高程中误差，统计分析见表7。

表7 地形图检查点高程精度分析

根据检查点实测高程与量测高程误差对比分析可得到20组不同点位高程差值ΔH，通过高程中误差公式（2）[7]可得到该检查点的高程中误差mΔH。

式中：mΔH为检查点的高程中误差，ΔΗ为实测点与量测点的高程误差，n为检查点个数。

根据中误差公式计算得出该组检查点的高程中误差为±0.545 m，最大高程误差为-0.98 m，最小高程误差为-0.13 m。依据《工程测量规范》（GB 50026—2020），要求1∶1 000地形图地形类别为丘陵及山地的高程中误差限差为±1 m，由此可知本次检查点高程精度能满足1∶1 000比例尺的精度要求。

6 结论

随着全球卫星定位技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GNSS技术所取代，GNSS控制网的布设方法越来越灵活、简单，被大量测绘项目广泛应用。针对测区为复杂地形，计划以对点形式布设控制点，采用GNSS技术将为全野外大比例地形图测绘创造有利条件。

此次工程全程用四等水准施测要花费较长时间，用拟合高程代替五等水准，并进行少量检验，在测量平面坐标的同时，也得到了高程数据，既减少了工作量，也提高了工作效率。技术设计采用了创新的技术方法，利用RTK配合GSCORS系统进行工作，它具有需要的测量人员少、速度快、不需要同时观测、精度高等特点，并符合规范规定及技术要求，可用于指导相关测绘生产。设计从控制测量、测图及成果的精度分析都做了具体的技术安排，使技术设计更专业化、现代化，提高了作业人员分析、解决实际问题的能力。