公路勘测地面数据获取方法的分析与探讨

杨天宇

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 610041)

1 概述

公路设计所需的平、纵、横断面数据中，地面数据质量不仅影响公路路基和结构物的设计质量、土石方数量等，还可能影响到部分或整段路线方案的选择。因此，如何快速、可靠、经济地获取地面数据对公路设计尤其是高等级公路施工图设计具有非常重要的意义。通过对平原、山区等不同高速公路项目采用不同方法获取的地面数据进行分析，探讨如何高效、可靠地获取公路施工图设计所需纵横地面数据。

2 地面数据的获取方法

根据规范要求，公路施工图设计阶段须实地进行路线中桩放样、中桩高程及横断面测量。笔者认为，进行上述外业工作获取三维地面数据，本质上即为获取既定路线中、边桩地面高程(差)，其方法可以归纳为三种:常规测量法、GPS－RTK法、数字地面模型(DTM)法。

(1)常规测量法:即采用全站仪、光电测距仪、水准仪等常规测量手段进行路线中桩放样、中桩高程测量和横断面测量;该方法方便、精确、可靠。

(2)GPS-RTK法:即全球定位系统实时动态测量技术，通过已知转换参数，以不同的拟合方法进行高程拟合，从而得到中(边)桩的正常高(我国采用的高程系统);该方法无需通视、速度快、精度高、全天候、经济高效。

(3)数字地面模型(DTM)法:即利用数字地面模型进行任意点或断面的地面高程插值计算，进而获得公路施工图设计所需的纵、横地面数据;DTM的数据源有野外实测(可采用全站仪、三维激光扫描、GPSRTK等方式)、航空摄影、遥感、机载激光雷达、地形图数字化等方法采集的数据。

3 不同方法采集地面数据的统计与分析

3.1 GPSRTK测量高程与水准测量高程的统计分析

GPS-RTK作业的主要原理是，在测区选择一基准站并安置一台GPS接收机，对所有可见卫星进行连续观测，并将其观测数据或改正数通过无线电传输设备实时地发送给流动站;流动站GPS接收机在接受GPS信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的数据，利用相对定位的原理将实时获得的WGS84坐标转换为工程坐标及相应的正常高。转换方法主要分为七参数的三维坐标转换方法和平面坐标由相似变换、高程由拟合得到的三维分离法［1］。

以我国华南平原地区及西南山区两高速公路施工图外业测量为例，其中桩地面高程分别实施了GPS RTK测量和水准测量，对这两种方法获得的中桩高程 进行统计与比较，比较情况见图1。

图1 不同地形路线中桩GPS RTK高程与水准高程值较差(单位:m)

由图1数据知:

①在平原和山区分别统计的50个中桩高程数据中，其高程值较差(ΔH=HGPS－H水准)与高速公路、一二级公路中桩高程测量之相应限差(两次测量之差≤0.05m)［3］相比，平原与山区超限个数均为15个，占30%;与三级及三级以下公路中桩高程测量之相应限差(两次测量之差≤0.10m)［3］相比，平原区超限个数2个，占4%;山区超限个数7个，占14%。

②两种测量方法施测的中桩高程值较差中，平原最小值0.01m、最大值0.12m，山区最小值0m、最大值－0.54m。GPS RTK中桩高程测量的中误差:平原区±0.048m、山区±0.116m。据分析，该情况与山区植被茂密、GPS卫星信号差、高程异常差较大等因素有关，也说明山区尤其是GPS卫星信号差的地方GPS RTK方法获取中桩地面高程值的可靠性较差;平原地区GPSRTK方法与水准测量方法获得的高程较差值离散程度较小，获取中桩地面高程值的可靠性好。

3.2 DTM内插高程与水准高程的统计分析

路线中桩DTM高程内插，即利用道路设计软件，根据既定路线设计方案对已有公路数字地面模型(其数据源有ASC和POL格式、DWG和DXF格式、DGX和DLX格式、激光扫描数据LAS格式等)进行数模构建并进行纵(横)断面插值。

对西南某山区高速公路数模高程与水准实测高程进行比较分析，比较情况见表1。

表1 路线中桩数模高程与水准高程统计m

由表1知，在统计的60个中桩数模高程与实测水准高程值较差中，最小值－0.06m、最大值2.93m、中误差±1.26m。可见，该项目数模高程精度不能满足公路施工图设计要求，若公路施工图测设阶段直接应用数字地面模型(DTM)内插地面高程数据时，则DTM自身精度应得到保证，而这势必增加DTM成本。

3.3 不同软件DTM内插高程的统计分析

对同一项目路线设计中线、同一DTM数据源，利用公路设计中常用两种道路设计软件进行高程插值比较与分析，比较情况见表2。

表2 不同道路设计软件DTM内插高程统计 m

由表2数据可见，两种道路设计软件在相同条件下的内插地面高程值较差，最小值0m、最大值－1.48m，说明不同的道路设计软件由于算(方)法不尽相同，导致其内插获得的数模高程数据也有不同。根据作者多年经验积累，相同条件下有时候某连续段落其差值会达到几十米甚至上百米，这时肯定是某一软件内插出错误数模高程，设计人员使用数模高程时必须对其准确性进行仔细核查。

以上数据分析中中误差的计算公式为

式中:m为中误差;Δν为GPS RTK(或数模)高程与水准高程的差值;n为中桩个数。

4 结论与建议

(1)随着科学技术的不断发展，公路施工图测设阶段获取地面数据的方法已颇丰富，但最为可靠的方法还是常规测量(即水准仪或全站仪测量)法。

(2)GPS RTK方法获取地面三维数据速度快、精度高，但其可靠性还不是很好。

(3)平原地区GPS RTK测量获得的地面数据，其精度和可靠性均优于山区;采用GPSRTK方法测量中桩高程时，求解转换参数采用的高程控制点不应少于4个，且应涵盖整个中桩高程测量区域，流动站至基准站的距离应小于5 km，观测点不宜外推。

(4)综合当前勘测技术手段，全站仪(水准仪)配合GPSRTK法是目前高效、可靠、经济地获取公路施工图设计所需纵横地面数据的外业测量方法。

(5)数字地面模型应用于施工图测设阶段时，原始三维地面数据必须野外实测采集［4］。在保证DTM自身精度的前提下，设计人员须对其所使用道路设计软件内插获得的数模高程进行有效检核，不同的设计软件内插数模高程结果不同，尽量避免在内插环节出现差错。

(6)高分辨率卫星影像数据、激光雷达数据等已经开始大规模应用于我国的工程建设之中，公路勘测设计同样需要充分利用高精度的对地观测数据和新的技术手段，并配合高质量的道路设计软件，以提高我国公路勘测效率和设计水平。

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