浅谈测量技术在公路工程中的应用与发展

覃世远

摘要:公路测量技术是一门由计算机技术、测绘技术、信息和通信技术相互交叉与渗透的综合技术,随着信息采集和处理技术的迅猛发展,现代公路测量技术将具有十分广阔的发展前景。文章从测量技术的现状分析,介绍了公路测量技术的应用及其发展方向。

关键词:测量技术;公路工程;通信技术

中图分类号:TU198 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)26-0157-02

工程测量学是一门应用学科,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,是测绘学中最活跃的一个分支学科。改革开放以来,城市建设不断扩大,各种大型建筑物和构筑物、交通设施等建设工程不断地增多,对工程测量不断提出新任务、新课题和新要求,使工程测量的服务领域不断拓宽,有力地推动和促进工程测量事业的进步与发展。近20年来,随着测绘科技的飞速发展,电子计算机技术、微电子技术、激光技术、空间技术等新技术的发展与应用,工程测量的技术面貌发生了巨大的变化,并取得显著的成就。面向21世纪,我国的工程测量技术发展趋势和方向是:测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化;测量数据管理的科学化、标准化、规范化;测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术以及先进的地面测量仪器等将广泛应用于工程测量中,并发挥着主导的作用。

一、公路测量技术的应用

公路测量工作分为勘测设计和施工两个阶段,其主要包括平面控制测量、高程控制测量、地形测量、工程施工测量等内容。

(一)平面控制测量

高速公路测量中,地物点点位中误差不得超过图上的0.5~0.6mm,精度要求极高,为此,路线勘测的首级平面控制点位中误差必须小于0.1m。目前最理想的平面控制测量是GPS(Global Positioning System,即全球定位系统)导线、光电测距导线和GPS导线与光电测距导线相结合的形式。

1.GPS导线网。GPS导线是在导线点上安置GPS接收机,通过接收GPS卫星信号,经过数据处理,从而获得该点的WGS—84大地坐标系,进而换算到1954北京坐标系或1980国家坐标系后完成的。

这种导线点的优点是点位误差不累积,选点受自然条件限制较少,路线长度和边长无制约,相邻点间不必通视,精度高、速度快、操作简便、全天候观测。但它要求GPS导线点处高度角在大于15°范围内空中没有遮挡物,测站附近没有大功率发射台、输电高压线和变电设施、周围无大面积的反射物等。

2.光电测距导线。与经纬仪导线原理相同,只是导线点间的距离用电磁波测距仪测量。测距仪导线的误差主要来源于角度测量,导线尽可能布设成直伸形状,因为直伸导线不受距离测量系统误差的影响。边长尽量增大以减少折角数,可减弱方位角误差的积累。为了保证导线点的精度,控制全长不宜超过8.5km,折角数不宜超过16个,测角中误差不得超过±5″,方位角闭合差不得超过±10″(n为测站数)。

3.GPS导线定位与光电测距导线相结合。这种形式是上述两种导线的综合,以GPS定位导线为高级点,在此基础上再敷设电磁波测距导线,这样可以发挥两种导线的优点,是一种良好的形式。

(二)高程控制测量

公路测量中的高程控制测量也叫基平测量。公路高程控制网宜布设附合水准路线;高程控制测量应采用相应等级水准测量。公路高程系统宜采用1985年国家高程基准。同一条公路应采用同一个高程系统,不能采用同一高程系统时,应确定高程系统的转换关系。高程控制测量方法有三种:其一为四等水准测量,其二是光电测距高程测量,其三是GPS高程测量。

1.四等水准测量,要严格按照四等水准测量操作规程进行,使用的仪器要经过有关部门校核。

2.光电测距高程测量,一般控制路线长度应在15km内,布置成附合路线,视距长一般不大于500m,最长不应大于800m,视线竖直角不超过15°,视线高度或视线离开障碍物的距离不得小于1.5m。

3.GPS高程测量,是一种比较先进的方法,可以代替四等水准高程,但使用此方法必须要有足够的三角高程点和GPS高程点与等级水准点进行联测与平差计算。

水准点的布设:(1)水准路线应沿公路路线布设,水准点宜设于公路中心线两侧50～300m范围内;(2)勘测设计阶段水准点间距宜为1～1.5km,施工阶段则应按实际需要进行加密水准点;(3)水准点应能长期保存,便于与平面控制点联测;(4)大桥、隧道口及其他大型构造物两端,应增设水准点。

(三)地形测量

公路勘测中地形测量一般为大比例尺带状地形图测量,常见比例尺为1:50、1:1000、1:2000。目前常见的地形图测绘方法有:(1)全站仪测绘法;(2)航空摄影测量法;(3)GPS实时动态定位技术(即RTK技术)测绘法。

1.全站仪测绘法。全站仪的应用,把野外数据采集与微机及数控绘图仪三者结合起来,形成一个从数据采集到数据处理、图形编辑和绘图的自动测图系统。

2.航空摄影测量法。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。

3.GPS实时动态定位技术(即RTK技术)测绘法。随着GPS定位技术的出现和不断发展完善,实时动态定位技术(RTK技术)的成熟,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。

(四)工程施工测量

高速公路平、竖线型复杂,对测量工作提出了较高的要求,特别是高架式和隧道式公路。高架式公路要求准确地确定桥位和配合安装,隧道式公路要求方向和高程准确地贯通,从而要求了工程施工测量必须控制好路线的平面位置及高程。施工阶段的测量工作主要有平面位置测量与高程测量两个方面。

1.平面位置测量方法有:

(1)经纬仪角度测量法。目前经纬仪主要分为光学经纬仪和电子经纬仪两大类。采用经纬仪放样测量时,直线段应采用极坐标法,曲线段可采用支距法和偏角法。

(2)全站仪坐标测量法。全站仪也称电子速测仪,它是电子经纬仪、光电测距仪和微处理器的相结合体,将电子经纬仪、光电测距仪两种仪器功能集于一身的新型仪器。全站仪测量可以利用电子手簿把野外测量数据自动记录下来,通过接口设备传输到计算机,利用“人机交流”方式进行测量数据的自动数据处理和图形编辑,还可以把由微机控制的跟踪设备加到全站仪上,对一系列目标进行自动测量,即所谓“测地机器人”或“电子平板”,野外直接图形编辑,为测图和工程放样向数字化发展开辟了道路。

(3)RTK法。动态GPS 系统既有良好的硬件,也有极其丰富的软件可选择。在施工中采用动态GPS 测量,对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷,只需将相应点位的坐标输入GPS 接收机中,按系统指示操作就可以定出相应的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的,所以不会产生累积误差,各点放样精度趋于一致。随着动态GPS 测量技术的不断发展、完善,将更加充分地显示出这一技术的高精度和高效益,它将会为公路工程建设的发展和进步发挥更大的作用。

2.高程测量一般宜采用水准测量方法,在测量精度有保证的情况下,也可采用全站仪三角高程测量方法和RTK测量方法,但对于沿线需要特殊控制的桥梁、隧道、涵洞、交叉路口路面,必须采用水准测量方法按规定检测其标高,其检测限差应符合规范设计要求。

二、公路测量技术的发展方向

当前,随着电子技术、信息技术、测量技术和计算机技术的迅猛发展,各种高新技术装备的不断出现,以及各相关学科之间的相互交叉与渗透、相互影响与促进,公路测量技术正向以“3S”集成技术、数字测图技术、移动制图技术为代表的方向飞速发展,并最终迈入数字化、信息化、自动化和智能化轨道。

(一)数字测图技术

随着对地观测技术的飞速发展,数字测图技术不但被列入我国863计划的重要研究课题,而且已经成为城市大比例尺测图和公路勘测的重要发展方向。

数字测图技术提供的主要产品是数字地面模型(Digital Terrain Model,简称DTM),它最先是由美国麻省理工学院的Chaires.L.Miller教授于1995年为研究如何应用摄影测量获得数据通过数字化的方法加快公路设计而提出的。DTM是一个表示地形特征的空间分布的,有规划的数字陈列;也就是将地形表面用密集的三维坐标X、Y、Z表示的一种数字表达形式。它除了适合计算机处理的地貌形态的数字表示外,还包括插值运算和各种实用程序,它为公路测设自动化提供了数字平台。

DTM是GIS地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。DTM中最基本的部分是数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM),DEM是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达,它是地理空间定位的数字数据集合;凡牵涉地理空间定位的课题,一般都要建立DEM。

(二)“3S”集成技术

“3S”集成技术最早是由武汉测绘科技大学李德仁院士提出,它是由全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感技术(RS)三者通过数据接口紧密结合与集成,共同构成的一个对地观测、处理、分析、制图和工程应用的大系统。

“3S”技术为公路勘测设计提供了新一代的观测手段和生产工具,3S的结合应用,取长补短;三者之间的相互作用形成了“一个大脑、两只眼睛”的框架,即RS和GPS向GIS提供或更新测区信息以及空间定位,GIS进行相应的空间分析,以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息,并进行综合集成,辅助公路勘测设计、公路施工控制测量等工作走上自动化轨道。因此,“3S”集成技术是一个自然的发展趋势,也是未来公路测量技术的重要发展方向。

在实际应用中,3S多为两两之间的集成,如GIS/RS集成,GIS/GPS集成、RS/GPS集成等。

(三)移动制图技术

移动制图技术是各国军事部门为了保障和提高现代高技术条件下军队机动能力而率先研制的课题。随着研究的深入,一些国家相继建立了具有各自特点的移动制图系统;与GPS一样,这些系统已逐步转入民用,而其中的移动道路测量系统作为一门国际先进技术在未来公路测量中必将占领相当广阔的舞台。

三、结语

在当代对地观测技术和信息处理技术最新研究成果的支持下,应进一步研究和开发数字测图技术、“3S”集成技术和移动制图技术等世界先进技术,推动公路测量技术逐步迈向数字化、信息化、自动化和智能化轨道。

参考文献

[1]公路勘测规范(JTJ061—99)[S].

[2]周亦唐,等.道路勘测设计[M].北京:科学出版社,2005.

[3]雒应,等.公路测设新技术[M].北京:人民交通出版.

[4]张雨化.道路勘测设计[M].北京:人民交通出版社,1997.

[5]Braden K.Integrated inertial navigation system/ global positioning system (INS/GPS)for automatic space return vehicle[C].Proceedings of the IEEE/AIAA/NASA 9th Digital Avionics Systems Conference,1990.