构建桥涵勘测技术新体系的研究

余兴胜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 桥涵勘测技术现状

当前铁路桥涵勘测技术领域多种测量技术并存，主要有以全站仪为代表的传统测量技术，以GPS为主的卫星测量技术，以及以飞机作为主要平台的摄影测量技术［1］。卫星测量技术和摄影测量技术因其具有快速、方便、高效的优势，越来越受到重视，发展迅速，并在一些领域成功应用［2］，但同时它们又存在容易受植被、建筑物、电磁干扰等影响的缺点，不能完全满足桥涵勘测的需要，需要借助传统测量技术作补充［3］。

1.1 传统测量技术

传统测量设备可分为纯光学和光学电子两大类，目前纯光学的经纬仪、水平仪在作者单位已很少采用，基本被全站仪所取代。全站仪即全站型电子速测仪(Electronic Total Station)，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统［4］。全站仪具有强大的运算器和存储器，能够存储采集的测量数据，通过通讯接口和通讯电缆可以与计算机实现双向信息传输。用户还可以为其开发专用程序，满足特殊的测量用途。早期的全站仪需要设备厂家的授权才能导入自己开发的程序，新型全站仪多采用开放的系统，用户可以像操作电脑一样方便地安装自己开发的程序。

1.2 卫星测量技术

当前卫星测量领域有美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯(GLONESS)、欧洲的伽利略(Galileo)以及我国的北斗系统。GPS技术已遍及国民经济的各个领域，在测量领域，GPS已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面［5-6］，目前使用的卫星测量主要是以GPS系统为主，GLONESS和北斗系统作补充。GPS RTK(实时动态定位)技术是GPS技术与数据传输技术相结合的组合系统，是GPS技术发展中的一个重要突破［7-9］。RTK技术能够实时测量出点位的三维坐标，根据RTK测量使用统计，RTK的平面误差一般约为±2.5 cm，高程误差约为±(3～5)cm。GPS的操作手薄同时是一个智能终端，用户可以开发自己的专用程序，通过数据线、蓝牙等直接与计算机进行数据通讯。

1.3 摄影测量技术［10-12］

摄影测量根据遥感平台不同分为地面摄影、航空摄影以及航天摄影。它通过遥感平台上的摄影机以摄影方式记录地物的反射光谱能量，获取各种图像数据，通过一定的相片重叠度(航向重叠、旁向重叠)实现立体观测。遥感摄影机镜头比普通摄影机更为精密复杂，除了物镜畸变小、分辨率高、透光力强、结构稳定外，还具备摄影过程高度自动化，可自动连续摄影。测绘人员通过对相片的立体观察、立体量测以及像片判读和调绘来测绘地形图。目前铁路地形图多采用以飞机作为遥感平台的航空摄影测量，航测地形图包含三维点位信息，条件允许的情况下桥涵测量可直接利用航测图获取横纵断面数据。

2 构建桥涵勘测技术新体系

全站仪等传统测量技术基于光电技术，要求测点间必须通视，这就要求桥涵勘测工作必须在线路完成导线点布设和中交测量的情况下才能开展，且要求具有足够多的满足通视条件的导线点或方桩。随着GPS技术在线路控制测量中广泛应用，桥涵定测工作基本上是直接利用基础平面控制网(CPⅠ)和线路平面控制网(CPⅡ)点，而CPⅠ、CPⅡ点相互之间多不通视［1］，桥涵勘测全部采用全站仪等传统技术手段完成是非常繁琐的。

GPS RTK测量时测点间无需通视，中线测量和桥涵勘测可并行进行。同时省略全站仪等传统测量时频繁的仪器架设、引高程、对线位等步骤［4］，每天只需1次基站架设(采用CORS系统则不需架设基站)即可实现多个工作组并行、无间断测量。GPS RTK测量时每个工作组只需配备2名测工即可，一名测工负责操作GPS手薄，另一名测工进行一些辅助测量工作，如丈量水深等。而传统测量时每个工作组必须配齐负责司镜，前点、后点、辅助测量的测工。GPS RTK测量与传统测量相比可大大减少外业工作量，降低外业作业强度，减少测量作业人数，因此首选GPS RTK测量。但是GPS技术容易受观测时卫星的空间分布、卫星信号、电磁干扰等影响，GPS测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰，同时需避开信号发射塔等干扰源。由于桥涵断面测点一般都是地面变化点，部分点位的测量难免会受电磁干扰、植被及房屋、桥梁等建筑物的影响，造成无法观测或达不到测量精度，称为GPS测量盲区。基于GPS技术自身存在的缺点，全站仪仍是当前桥涵测量必不可少的设备。

摄影测量可以快速生成地面的三维地形图，桥涵测量可以直接利用三维地形图获得桥涵横纵断面数据，无需到现场逐点测量［11］。但由于其受植被影响非常大，摄影测量技术目前还主要应用在地形测量方面［12］，桥涵测量很少直接采用。在可行性研究阶段，或是沙漠、戈壁等植被覆盖较少地带，摄影测量技术可以发挥比较好的效果。

综上所述，选择以GPS为主，传统测量、摄影测量为辅来构建全方位的桥涵勘测技术体系。除沙漠、戈壁等植被覆盖较少地带或可以降低勘测精度的可行性研究阶段，可以选择摄影测量外，其余均选用以GPS为主，传统测量作补充的方式。对于GPS测量盲区需由桥涵技术人员根据现场情况及设计要求，选用钢尺丈量或全站仪测量。一般情况下，长度超过100 m或者有重要地形变化及公路、铁路、河流等控制点位的盲区，必须采用全站仪测量，其余盲区可采用钢尺丈量。

GPS和全站仪作为通用测量设备，功能非常强大，但并不能完全满足桥涵勘测的要求，同时如果不对数据存储作必要规定，也无法满足重现外业勘测过程的目标。因此必须制订GPS和全站仪桥涵勘测技术规程，配套编制各自的桥涵勘测专用软件，实施桥涵勘测过程控制，规范桥涵勘测作业流程，使测量仪器以规定的格式存储测量数据，包括测点描述、尺量数据等的输入。同时配套编制GPS、全站仪测量数据接收处理软件，规范测量数据的交接和归档，使桥涵勘测内外业无纸化衔接，实现重现外业勘测过程及桥涵勘测一体化的目标。对于摄影测量技术，需要编制三维地形图切断面程序，满足直接采用摄影测量成果获取桥涵横纵断面的需要。

3 实施桥涵勘测过程控制

桥涵勘测系统必须围绕桥涵勘测工作内容和精度要求展开。桥涵勘测工作主要可归纳为以下4类。

(1)纵断面测量，即铁路或公路桥梁桥址纵断面和辅助纵断面测量。地面横坡大于1∶3时，应考虑在桥址上下游3～10 m内增加辅助纵断面并根据需要增加辅助横断面。测量过程中根据需要测设线路中线桩。

(2)横断面测量，即涵洞、小型公跨铁、墩台辅助断面、河床坡、河槽流量断面等的任意角度和里程的横断面测量。可以是直接指定里程和角度，也可以在目标断面上测2个点确定断面的里程和角度。

(3)相交物测量，即相交铁路、道路或河流的相交角度和交点里程测量。

(4)邻近点测量，在断面测量过程中进行线路附近坝顶、梁底、既有墩位、洪水位点等设计相关点或点系的位置高程测量。桥涵测点的平面检测限差0.05 m，高程检测限差0.1 m(山区涵洞可放宽至0.2 m)，横向偏差 0.2 m［1］。

实施桥涵勘测过程控制必须在测量设备上开发满足上述功能要求和精度要求的专用软件，并配套编制对应的作业规程，规范测量作业过程，使其以规定格式存储各类测量数据。下面分别就桥涵GPS和全站仪测量系统及三维地形图切断面程序的实现作简要介绍。

3.1 GPS测量系统

GPS RTK可以实时测量出点位的WGS 84经纬度坐标，通过校正参数转换成工程坐标，系统通过工程坐标和线路数据解算出测点的里程、高程和偏距，实时显示测量结果。桥梁纵断面测量可直接使用解算结果。辅助纵断面测量通过线路中线的偏移，并标记点位所在断面来实现。线路中线测量则通过标记该点类型为中线桩，增加桩位描述实现。横断面测量时用横断面库管理横断面，横断面测量可转换为某个里程与线路成一定角度的一条线段上的测量，测量时所有点位需增加断面的ID、平距及垂距信息。邻近点测量实质与纵断面测量一样，得到测点与线路的位置关系和高程，标记该点是邻近点即可。对于相交物测量，由于GPS不具备角度测量功能，只能通过坐标法反算相交物的交点和夹角。测量时需在相交物的一边测点1和点2确定相交建筑物与线路的夹角和交点里程，然后在相交物的另一边测点3确定相交物的宽度和该边与线路的交点里程(也可直接输入宽度)，如图1所示。横断面测量时通过断面上测2个点确定断面位置时，计算原理和相交物测量一样，通过点1、点2的坐标计算出横断面的里程和角度。

图1 角度测量示意

由于GPS RTK测量容易受到植被、建筑物、电磁干扰、卫星状态等的影响，测量点位的精度具有不确定性，所以必须对点位测量的精度进行实时控制［9］。桥涵测量时有效卫星颗数不得少于5颗，点位数据均必须采用多历元平滑存储，测点数据采集有效历元数均不少于5个，控制性的重要铁路、公路、河道等的点位的有效历元不少于60个，一般道路、河道等点位的有效历元不少于10个。固定解状态下，平面精度、竖向精度和空间精度在限值以内的历元方为有效历元。当天测量开始前及结束后必须找前一天的放样点或另一观测站的放样点进行复核，确保当天测量资料准确无误。

3.2 全站仪测量系统

全站仪具备运算处理功能，通过联测现场已知坐标点位后，系统可以根据线路资料计算出测点的里程和偏距［4］，可实现与上述GPS测量系统相同的坐标法测量。同时作为传统光电测量仪器，在直线或曲线半径大于1 000 m的地段，线路已作中线测量的情况下，可以直接采用两点定线以直代曲的近似方法。其勘测过程如下:首先根据通视条件选择任意点置镜，接着后视一个中桩确定里程基准，程序自动将该点作为后视点引高程，如果该点是扁桩则需要再从高程点引高程。然后再引一个中桩即可实现两点定线确定线位，在有条件的情况下还需再实测一个中桩作为复核，如果该中桩的横向偏差在0.1 m以内，纵向偏差在0.2 m以内可认为线位准确［1］，才能进行测量。直线地段确定线位的两中桩距离不宜小于50 m，测量范围不应超过确定线位的中桩点两侧各250 m。曲线地段可按满足横向偏差不超过0.2 m的要求计算确定。系统控制测量闭合限差，记录勘测时的线位确定、引高程、转点和闭合过程，以及测站的位置、后视点、测点与线路的偏差、棱镜高等信息，达到通过数据重现勘测过程的目的。

3.3 三维地形图切断面程序

基于三维地形图获取桥涵横纵断面，并不局限于摄影测量技术，其他数字化三维成图技术也可以使用。系统读取三维地形图中含有高程信息的点和线，建立地形的三维点库，使用这些三维点形成由众多小三角形组成的三维地表曲面。利用线路曲线作为剖面线，剖面线与三维地表曲面上各三角形边的交点即可作为桥址纵断面点使用。将线路曲线偏移到辅助纵断面的位置即可获得辅助纵断面数据。对于横断面测量，可以以横断面轴线作为剖面线，同样求出剖面线与三维地表曲面上各三角形边的交点即可。相交物的测量与GPS系统类似，可采用坐标法反算。点位里程还需考虑线路断链的设置进行调整。

4 实现桥涵勘测一体化

对桥涵勘测作业过程进行控制，用全站仪或GPS程序按约定的格式以文本文件形式存储数据，主要有断面数据文件和GPS的角度数据文件或全站仪的引高程闭合文件。桥涵测量数据接收处理程序负责从测量设备中导入数据，对数据作检查、分析、转换、归档、查询，并将数据翻译成设计程序所需要的格式，与设计程序无缝衔接。

当日桥涵测量作业完成后，测量组长需将GPS手薄或全站仪直接交给内业桥汇组，采用桥涵测量数据接收处理程序，双方共同导入当天的测量数据文件。程序自动进行数据检查，转换数据格式，绘制断面图形。双方对测量内容进行确认和必要修正，系统自动记录所有的修改内容，并生成测量内容表及接收单，签署归档，详细流程如图2所示。设计者通过查询功能可以清楚知道全站仪的置镜位置、引高程闭合过程及GPS的测量精度等信息，重现外业勘测过程，实现桥涵勘测内外业无纸化衔接。

图2 桥涵测量数据接收处理流程

5 桥涵勘测技术展望

在当前各种测量技术并存的条件下，构建全面的桥涵勘测一体化体系必须涵盖传统测量、卫星测量和摄影测量，测量时结合各种技术的特点选择。未来测量技术的发展很可能是各种技术融合的过程［2］，如新一代的测量机器人在全站仪上配备电动马达驱动和程序控制，结合激光、通讯和CCD技术，可自动寻找并精确照准目标，实现测量的全自动化。

将GPS接收机与全站仪结合在一起，可以将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标定位技术完美结合。集激光、GPS和惯性测量单元(IMU)3种技术于一身的LIDAR系统不久将投入实用［10］，它可以高度准确地定位地面目标的三维坐标，获取地面的高清晰数码影像。装配有摄像机的测量机器人也可能很快将进入实用领域。桥涵勘测一体化体系要紧跟测量技术发展的步伐，适时调整，以求更好地服务于桥涵勘测工作。

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