地形测量技术发展与多技术融合应用研究

期刊: 建筑监督检测与造价 2026年第16期 DOI: PDF下载

杨芳芳

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摘要

地形测量是测绘工程的基础工作,为国土规划、工程建设、地质灾害防治、生态治理等提供基础地理空间数据。传统地形测量手段受通视条件、地形环境限制较大,作业效率偏低。随着 GNSS-RTK、全站仪、无人机航测、激光雷达 LiDAR 等技术的普及,地形测量逐步向自动化、数字化、三维化方向发展。本文梳理了地形测量的基本原理与作业流程,对比全站仪、GNSS-RTK、无人机摄影测量、激光雷达测量等主流技术的适用场景及优缺点,结合工程案例分析多技术联合测绘方案,分析影响测量精度的主要因素,并对地形测量技术的发展趋势进行展望。研究表明,采用“GNSS-RTK 为主、全站仪补盲、无人机大面积快速采集”的组合模式,能够兼顾精度、效率与成本,适用于山区、城镇、植被覆盖区等复杂测区的大比例尺地形测绘工作。


关键词

地形测量;GNSS-RTK;全站仪;无人机航测;数字高程模型;精度控制

正文

 

一、引言  

地形测量指通过观测手段获取测区地面点的平面坐标与高程信息,表达地物、地貌的空间分布,绘制地形图、生成数字高程模型(DEM)、数字线划图(DLG)的测绘工作,是工程勘察、国土调查、水利、交通、矿山等项目的前置基础工作。早期地形测量以经纬仪、水准仪、平板仪人工测图为主,外业工作量大、成图周期长、误差累积明显,在高山密林、沟壑区域作业难度很高。  

进入数字化测绘时代,CORS 网络、GNSS 实时动态差分、无人机航测、三维激光扫描等新技术不断落地,地形测量从单点碎部采集转向面状、三维数据获取。但单一测量技术存在局限性:GNSS 在高楼、密林遮挡区容易丢失固定解;无人机摄影测量在植被茂密区域难以穿透冠层获取真实地面高程;全站仪依赖通视,大范围作业效率较低。因此,根据测区条件合理搭配多种测量手段,是当前地形测绘项目的常用思路。本文从基础理论、技术对比、作业流程、精度控制、工程应用等方面展开论述。  

二、地形测量基本原理与作业流程  

地形测量遵循“先控制、后碎部,由整体到局部”的基本原则,以此控制误差传递,防止误差累积超限。完整作业流程分为控制测量、碎部点采集、内业数据处理、成图与精度验收四个阶段。  

2.1 控制测量  

控制测量分为平面控制和高程控制。首先在测区布设一级或二级 GPS 控制点、图根控制点,建立统一坐标系(常用 2000 国家大地坐标系,高程采用 1985 国家高程基准)。控制点优先选在视野开阔、地基稳固、不易被破坏的位置,使用 GNSS 静态观测或者 CORS-RTK 完成控制测量,通过平差计算得到控制点坐标与高程,作为整个测区的基准。  

2.2 碎部数据采集  

碎部测量是采集地物轮廓点、地形特征点(山脊、山谷、坡脚、坎顶、坎底)的坐标与高程。地物包括房屋、道路、水系、管线、围墙等;地貌依靠特征点生成等高线。不同测量设备采集方式不同:全站仪人工逐点采集;RTK 作业员手持移动站采集;无人机通过影像匹配、点云生成批量获取海量点云数据。  

2.3 内业数据处理  

外业数据导入南方 CASS、Pix4D、ContextCapture、ArcGIS 等软件,完成数据清洗、粗差剔除、点云滤波、空三加密、地物矢量化、等高线生成、DEM 构建、图幅整饰。内业需要对照外业草图、影像,修正地物错漏,处理植被遮挡、阴影造成的数据空洞。  

2.4 成果检查与验收  

按照《工程测量规范》《1:500、1:1000、1:2000 地形图图式》开展精度检测,随机抽取一定数量检查点,对比实测坐标,统计平面中误差、高程中误差,成果合格后提交地形图、DEM、成果报告。  

三、主流地形测量技术对比分析3.1 全站仪测量技术

全站仪集测角、测距功能于一体,采用极坐标法采集碎部点。其优点是不受卫星信号遮挡影响,在室内、隧道、密林下方及高大建筑阴影区仍可稳定测量,点位精度稳定;缺点是必须保证测站与棱镜之间通视,搬站频繁,且为单点采集,大面积测区效率低,外业劳动强度大,适合局部补测和隐蔽区域补盲作业。

3.2 GNSS-RTK(CORS-RTK)测量技术

RTK利用载波相位差分技术,实时获取厘米级定位结果。依托本地CORS连续运行基准站网络,无需架设电台基准站,单人即可完成碎部采集。优点:无需通视、定位速度快、平面与高程精度高,是城镇、开阔平地、缓坡丘陵地区1:500、1:1000地形测绘的主流手段;缺点:高层建筑物、茂密树林、峡谷内卫星信号遮挡严重,易出现浮点解,高程精度下降,甚至无法固定解,此类场景需全站仪配合补测。

3.3 无人机摄影测量技术

无人机搭载航测相机,按规划航线自动飞行拍摄,依靠运动恢复结构SfM、光束法区域网平差完成空三解算,生成密集点云、正射影像DOM、三维模型及DEM。优点:作业速度快,适合大面积测区,山区及交通困难区域优势突出,可同时获取影像和地形数据;缺点:高程精度受像控点布设、飞行参数、植被影响较大,植被覆盖区获取的是树冠表面高程,并非真实地面,需地面RTK或激光雷达修正;大雾、大风天气无法作业。

3.4 机载激光雷达(LiDAR)测量

机载激光雷达发射激光脉冲,可穿透部分植被,获取林下地面点云,经地面滤波分离地面点与非地面点,生成真实地形DEM。在林区、灌木覆盖山区的地形测量中优势明显;但设备成本较高,数据量大,后处理流程复杂,多用于复杂山地、林业、水库流域等大区域地形普查。

四种技术对比简表:

表格

测量技术 精度 效率 适用场景 主要短板

全站仪 高 低 遮挡区、局部补测 需要通视,速度慢

GNSS-RTK 厘米级 较高 开阔地、城镇、丘陵 信号遮挡失效

无人机航测 中高 很高 大面积、山区裸地 植被区高程失真

机载LiDAR 高 高 茂密林区、山地 设备昂贵、数据量大

四、工程应用案例:山区复杂测区联合地形测量

4.1 测区概况

某山区工程测区面积约1.2km²,地形起伏较大,包含农田、村庄、林地、冲沟,测图比例尺为1:1000。测区南部山谷和林区树木茂密,GNSS信号差;北部村庄楼房密集,RTK固定解不稳定;山坡开阔区域条件良好。

方案设计:开阔区域采用CORS-RTK采集;房屋密集、林下遮挡区域采用全站仪补测;整体采用无人机航测获取正射影像,辅助地物判读。

4.2 实施过程

控制测量:在测区周边布设6个图根控制点,采用CORS静态观测,统一转换为2000国家大地坐标系、1985高程基准。

外业分工:开阔坡地、农田由2名测绘人员使用RTK采集地形特征点和地物拐点;房屋后方、林下、峡谷等不通视点位,架设全站仪设站补采;无人机航飞获取测区影像,作为内业参考。

内业处理:将RTK与全站仪数据导入CASS软件,自动构建三角网生成等高线,对照无人机影像矢量化房屋、道路、水系;剔除明显粗差点,对地物矛盾位置进行外业复核。

精度检验:随机选取50个检查点,使用RTK复测对比,统计平面点位中误差为±3.7cm,高程中误差为±4.9cm,满足1:1000地形图规范要求。

实践证明,单一RTK方案在该测区无法实现全覆盖,全站仪与RTK协同作业,辅以无人机影像,兼顾精度与效率,是复杂地形条件下可靠的测量方案。

五、地形测量精度影响因素与质量控制措施

5.1 主要误差来源

基准与转换误差:坐标转换参数不合适、控制点数量不足、分布不均匀,带来系统性偏差;  

GNSS 观测误差:卫星遮挡、多路径效应、电离层对流层影响,造成 RTK 无法固定解、高程漂移;  

人为误差:特征点取舍不当,山脊、山谷、陡坎漏采,导致等高线失真;  

设备误差:仪器未定期检校、对中整平误差;  

航测误差:像控点布设不合理、重叠度不足、光照阴影造成匹配错误。  

5.2 质量控制对策  

控制点均匀布设在测区外围和内部,避免集中一侧,坐标转换采用多个控制点拟合;  

RTK 作业优先选择卫星信号良好时段,遮挡区域不强行使用 RTK,及时切换全站仪;  

外业重视地形特征点采集,陡坎、台阶、冲沟必须采集上下两点;  

仪器定期检定,作业前做点检;  

无人机航测合理设置航向、旁向重叠度(一般航向 80%,旁向 70% 以上),在地形变化大的位置加密像控点;  

内业设置限差自动剔除粗差,保留一定比例外业抽查复核。  

六、地形测量技术发展趋势  

第一,多源数据融合常态化。GNSS、激光雷达、影像、移动车载扫描数据融合,不再依靠单一设备,形成空地一体化测绘模式;  

第二,自动化、智能化提升。AI 自动点云分类、地物自动识别、粗差自动检测,减少人工矢量化工作量;  

第三,实时三维成果输出。传统二维地形图逐步和实景三维模型、BIM 结合,地形成果直接服务三维规划、数字孪生;  

第四,低成本轻量化测绘普及。消费级 RTK 无人机、便携激光雷达降低中小项目测绘门槛,但同时需要加强作业人员精度管控意识;  

第五,水下地形测量同步发展,无人船多波束测深和岸上地形衔接,实现水陆一体化地形建模。  

七、结论  

地形测量是地理信息获取的基础性工作,技术方案不能一概而论。全站仪稳定可靠、适合遮挡区域补测;GNSS-RTK 是开阔区域高效主流手段;无人机适合大面积快速测绘;激光雷达在植被山区优势突出。在复杂测区,多种技术联合测绘能够扬长避短,是现阶段性价比最高的方案。地形测量工作核心不仅是操作仪器,更要严格遵循“先控制后碎部”原则,做好控制点布设、外业特征采集、内业检核全流程质量管控。未来随着智能测绘装备与算法持续迭代,地形测量将向更高效率、三维可视化、空地一体化方向持续发展,为国土空间规划、工程建设、防灾减灾提供更加可靠的空间地理数据支撑。  

参考文献  

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[5] 刘军。全站仪联合 GNSS-RTK 在山区地形测绘中的应用 [J]. 工程技术研究


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