多种测量技术在新建高速公路施工图设计测量中的应用

谢勇

摘 要：随着时代的发展，测量技术的不断进步，单一的测量方法已不能满足高速发展的测绘技术形势了。以RTK技术、航空摄影测量等为代表的现代测量技术广泛应用于公路工程测量中，其精度高、时间短、操作方便和经济效益可观等被工程勘察界所认可，但是，单一的测量方法几乎不能满足整个工程的应用。所以，多种测量技术相结合，应用于公路施工图设计测量中，是一种行之有效的方法，并得到广泛推广。

关键词：多种测量技术相结合;施工图设计测量;全站仪;RTK;航空摄影测量

中图分类号： U41    文献标志码：A

0 引言

测量是公路工程建设中的一项基础性工作，也是一项至关重要的工作，测量的成果为公路设计提供了数据支撑。在这里，笔者以在高原地区新建一条沿江高速公路的施工图设计阶段为例，探索多种测量技术相结合的可行性和必要性。

1 资料收集与准备工作

首先，施工图设计测量主要包含中线放样和横断面测量2个方面，测量之前需要收集初步设计阶段的成果资料和设计部门提供的设计线路。初步設计阶段的成果资料包括控制点、航测地形图和点云数据等;设计资料包括直曲表、逐桩坐标表和用地图等。在测量之前需对控制点的平面和高程进行复测，当复测成果与初步设计成果比较，若两次成果较差符合限差要求，且控制点分布满足施工图设计线路的要求，则利用初步测量成果，否则，应对整个控制网进行复测或重测，并重新平差计算。另外，还需比较初步设计线路与施工图设计线路，如果施工图设计中桥隧变更加长了，则需补设控制点，提升控制点等级。

2 中线放样与断面测量的可行方法

2.1 RTK技术基本原理与特点

RTK测量系统由软件系统、数据传输设备和GPS接收机设备3个部分构成。其基本原理就是设置一台GPS接收机作为基准站，在一定范围内收集卫星观测数据，借助无线电传输设备，将数据实时传送到GPS移动站上，并通过相对定位原理，对2种信号数据进行分析，从计算出移动站GPS的三维坐标和精度，动态定位的精度能控制在1 cm～2 cm，完全满足设计需要。

对于公路横断面测量，水平和高程精度直接影响土石方量数据，而土石方量又是施工中的重要基础之一。传统的横断面测量工序繁琐，精度较差，主要方法包括花杆皮尺法和水准仪皮尺法，这2种方法都适应性极差。而作为新型测量的代表，RTK技术使用的仪器体积和重量都小，携带方便，操作简单，能有效地降低工作人员的工作强度，提高工作质量和效率;并且RTK技术能全天性作业，具有较好的适应能力，所测数据精准度较高，通过三维建模，给设计人员提供更加直观和有效的数据支撑[1]。所以RTK技术是施工图设计测量中首选的方法。但是，也有极少数情况，RTK技术适应性欠佳，例如植被过于茂密，遮挡物覆盖，GPS接收机无法准备定位精度;悬崖陡壁或者条件极差的地方，人员无法到达，此时RTK技术也无法进行。

2.2 全站仪测量

全站仪是一种电子、机械及光学器械构成的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、斜距、平距和高差测量等功能于一体的测绘仪器。免棱镜全站仪测量最明显的特征就是可以测量射程内通视的地物，不受信号影响，无需人员到达地物现场，所以在高原地区对于一些陡崖、陡坡，人员无法到达的地方，全站仪测量能起到很好的辅助配合作用。

2.3 点云数据的利用

在现代公路设计测量中，一般都是带状大面积地形测图，为了节省时间，提高效率和精度，直观形象，常常会使用机载航空测量和车载雷达测量获得点云融合数据，构建设计人员需要的与现实地形地貌匹配度非常高的三维模型。

点云数据一般会在初步设计阶段就形成成果资料提供给设计人员和业主，在施工图设计阶段，设计人员充分利用点云数据，参考初步设计线路，设计最终线路。在这个阶段，常常会综合考虑各方面因素，完善和调整设计线路，从而需要补测局部地形图，可以选择小型无人机进行测量，带像控点较免像控点测量精度要高些。但是，目前获得的点云数据成果精度不是很高，往往会出现在过滤植被、地表覆盖层等方面出现问题。所以我们常常会将中线放样和横断面测量中实际测量的碎部点与点云数据对比，获得一个样本数据，样本数据吻合度高，则可以利用点云数据，反之则不能利用点云数据，直接使用人工测量数据。对于设计来说，在点云数据样本中，误差在20 cm之内的点云数据几乎都是可用的，可以将人工测量数据与点云数据融合，得到更加准确的数据;但是也有误差几米甚至更大的数据，对于误差较大的数据，则需将人工测量数据替换点云数据，这样也可以减少测量人员很多工作，最终得到吻合度很高的三维模型。

2.4 水下测量

水下测量是一种特殊的测量方法，因为肉眼无法观测，人员无法到达，必须借助专门的仪器才能测量。设计一条高速公路，会经常遇到很多穿洞架桥的情况，遇到水体时，就需要测量水下地形，获得纵地面线、边线和横断面，可选择回声测深仪进行测量。回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。声波在水中的传播速度，随水体的温度、盐度和水中压强而变化，这些物理量越大，声速也越大。常温时水体的声速的典型值为1 500 m/s左右。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器进行率定，计算值要加以校正。

3 多种技术相结合在高速公路设计测量中的应用

3.1 工程概况

某沿江高速公路路线全长为451 km，总投资826亿，是国家战略“一带一路”的重大项目，是“长江经济带”的重大支撑项目，是服务乌蒙山区、大小凉山彝族聚居区经济开发、脱贫致富奔小康的重要民生工程，是中国高速史上又一个超级工程。路线为东西走向，沿线绝大多数地段处于沿江高原地区，具有地形复杂，植被茂盛，通视困难，环境恶劣，工期较短等特点。在施工图设计阶段，如果采用单一的测量技术，是不可能完成整个项目的测量任务的，需采用多种技术相结合，配合使用，得到最准确的数据成果。

3.2 工程技术要求

整个测量阶段都必须严格按照《公路勘测规范》（JTG C10—2007）和《公路工程测量规范》（GB 526—2007）来开展工作，测量时需使用经检定且都在有效期之内的仪器。定线放样之前需收集初设时的控制点、航测地形图和点云数据，并对控制点的平面和高程都进行复测，控制点点位平面相对误差小于1/10000，高程较差不超过30 mm（L为路线长度，单位km）。控制点无误后才可以进行定线放样，定线放样的相对中误差不大于1/5000，中桩放样时路基直线段一般按照20 m/桩，曲线半径为30 m～60 m，或缓和曲线长度为30 m～50 m，或互通处需加密成10 m/桩，曲线半径小于30 m，隧道口需加密成5 m/桩，并测量洞口大比例尺地形图，在地形变化较大的地方，特殊地应加密中桩，加桩的位置和数量必须满足路线、构造物、沿线设施等专业勘测调查的需要。中桩桩位测量平面误差，应满足表1的规定，高程误差，应满足表2的规定，测站变化时，应检核1～2个上次测站的中桩数据。

每放样一个中桩，需对应测量其横断面，横断面宽度要大于用地线边界，横断面测量的距離和高差应读至0.1 m，检测互差限差应满足表3 的规定。

3.3 多技术相结合进行中桩放样和横断面测量

目前，在整个中桩放样和横断面测量工作中，我们主要使用的仪器为合众思壮G990GPS接收机，根据设计提供的线路直曲表制作*.RP文件，导入仪器手簿中，并检查RP文件正确与否，主要包括交点坐标、缓和曲线长度和半径等，RP文件见表4。

准备工作做好后，开始外业定线放样工作。先架设GPS基站，根据控制点的平面坐标和WGS84坐标，获得全线的一个坐标转换参数校正，再到测区附近选取一个控制点进行单点校正，即得到当地坐标系统，然后，可以再放样另外一个控制点，以检查坐标转换校正操作的正确性。校正做好后正式开始中桩放样、横断面测量和其他测量。

中桩放样和横断面测量可以同步进行，也可以先后进行。隧道和桥梁设计一般是线路的控制性工作，中桩放样和横断面测量可以以同步进行为主，路基会随桥隧变化而变化，所以可以先放中桩，横断面先用点云数据，待线路基本稳定后，再实测横断面。中桩放样和横断面测量分工协作，一人负责中桩放样，两人负责横断面测量，中桩放样选择“线路施工放样”，根据设计需求和地形变化逐一放样，横断面测量则选择“测横断面”，根据实放中桩，逐一测量横断面，横断面宽度以设计要求为主。

GPS RTK技术是首选技术，具有精度高、效率快等特点，可以完成线路中桩放样和横断面测量工作的80%以上，但是也有少数情况，RTK技术是无法完成。例如隧道连接桥梁的时候，会经常遇到陡崖、陡坎、水域的情况，此时靠人工拿着RTK去测量，几乎是不可能的，这时，我们就需要借助免棱镜全站仪进行中桩放样了。全站仪中桩放样常用的是坐标法，即将全站仪架设在一个已知点上，后视定向后，输入（或导入）设计提供的待放样的坐标，逐一放样，而横断面数据，则可以先使用点云数据，或者测绘隧道口1∶500地形图，在地形图上切取断面。

除此以外，还有极少数情况，人员无法到达，全转仪架站也无法看到，这就需要借助初设阶段的点云数据，在使用点云数据之前，要对其准确度有个评估，不是所有的点云数据都是很准的。评估的方法做一个样本比对，即使用前面2种方法实测的碎部点与对应坐标下的点云数据对比，如果误差在20 cm之内的点云数据超过了80%，证明样本数据的可用度还是很高的，隧道口的横断面就可以暂用点云数据提取，如果可用度不高，甚至在隧道口的点云数据出现错误，那就需要进行局部地形重新测量，这里我们首选大疆无人机测量。为了提高无人机测量成果的精度，我们可以选择在测区范围内布设像控点，布设像控点的原则是控制测区范围内平面和高程精度。外业飞行时，需要注意操控手的位置、飞行行高的设置，航线的优化、飞行时间的控制、像素的选择等因素。内业处理数据时，需使用Pix4dmapper软件处理正射影像，使用Globalmapper软件进行影像分块，使用QTR软件获取点云的三维坐标。处理正射影像时，需注意坐标系统的选择，像控点刺点的准确度，影像分块是为方便数字线化图，获取点云三维坐标，是与实测的坐标对比，以检查外业和内业工作的准确性[2]。

以上4种方法可以完成陆域条件下的中桩放样和横断面测量工作，当遇到水域架桥或者地勘分析时，这些方法则无法完成，我们需要使用回声测深仪进行水下测量，即使用GPS和测深仪配合使用，GPS定位，测深仪测深，从而获取水下地形地貌。测量之前可将设计线路和横断面线以DXF的格式导入GPS手簿中，测量时指挥船工行驶，以获取中桩和横断面数据。

通过探索，以上5种技术相融合几乎可以完成整条高速公路施工图阶段的测量工作，也能很好地控制测量精度，为设计人员准确计算土石方量、优化线路提供基础性数据。

3.4 测量时应注意的问题

以上多种技术相结合，需要注意以下问题：GPS测量时，一定要注意坐标转换参数的使用，杆高的输入，检查点的测量;全站仪测量时，要注意后视定向、坐标输入和仪器的稳定性;点云数据的使用时，要做一个样本分析，以确定点云是否能使用;无人机测量时，要合理布设像控点，内业处理要合理利用不同的软件，正确选择坐标系统，数字线化图要尽可能准确，要有检查点比对，成果出来后要进行现场调绘等;水下测量时，要注意GPS与测深仪联机、吃水改正、测程设置和声数控制等。

4 结语

综上所述，该文对多种测量技术相结合在新建高速公路施工图设计阶段测量中的应用进行探究，使用了RTK、全站仪、无人机测量和水下测量等多种技术，并对这些技术的原理和特点以及优势和不足进行了简单的分析，在此基础上结合具体公路测量工程，探讨了多种技术相结合的具体应用，为设计提供了重要的数据参考。

参考文献

[1]江宇，先燕云.大疆Phantom 4 RTK无人机在长江上游山区航道测量中的应用[J].中国水运.航道科技，2019（6）：11.

[2]杨明，石小伟，葛浩然.无人机空地一体三维激光扫描技术应用研究[J].测绘通报，2020（3）：94.