探讨公路工程测量中3S 测量技术的应用

吴兴礼

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

为了确定道路建设地区最有利的方向，需要提前检查路线，根据测量结果和地形图数据选择准确的路线，待路线规划确定后，便可进行工程道路的设计和测量。3S 技术包括以下主要组成部分：全球定位卫星系统（global positioning system, GPS），遥感技术（remote sensing, RS），地理信息系统（geographic information system, GIS）。3S 技术凭借数据大、搜索快、准确率高等优势，已广泛应用于资源管理、骨干研究、城市规划等诸多领域[1]。

1 现代测绘新技术

GPS：通过对卫星信号的实时、远距离接收和计算，可以利用所有物体上的点坐标相对于地球上各点的坐标来查找信息源的位置。

RS：即可直接与人体红外探测器探测和记录目标电磁波传输的特定测量值和特性变化。其可以通过遥感直接检测或与记录的目标进行通信，无须使用人工设备和人员。通过分析红外遥感影像，可以更好地了解这些遥感物体实际存在的各种基本属性特征，特别是空间属性和属性特征的变化。

GIS：是利用当今先进的计算机软硬件，全面有效地管理、监测和处理三维空间地理数据能力系统和实时智能监测分析系统，其具有许多重要功能，如模拟计算系统。

3S 技术可以为现代研究和公共管理提供新的研究领域和工具，即RS 和GPS 联合系统可以及时为GIS 数据提供大量可靠的空间信息和对管理决策有用的信息技术参考[2]。

1.1 RS 与 GPS 的集成

GPS 技术具有强大的定位传输功能，能够直接将与RS 技术相关的定位数据自动向本地GIS 应用系统数据库进行实时传输，并通过保证传输两种定位数据信号的实时协调性，对当地GIS 应用服务数据库自动进行异常监测。结合RS 数据，相关工程可轻松查询到与GPS 数据相关的定位服务信息。

1.2 GIS 与 RS 的集成

GIS 与RS 的完美结合有以下特征：GIS 数据信息主要取自RS 数据库；GIS 实际上是对空间遥感数据信息的复杂处理进行技术支持。两者结合使用，需要处理与栅格、矢量数据等相关系统的复杂接口问题：遥感系统数据格式基本为栅格格式，存储数据格式为像素存储格式；GIS 技术通常显示为图形矢量，一般情况下实时空间信息数据以矢量形式存储，如作为点、线或面图。两者的关键区别在于图像、制图和数据以独特的三维空间概念形式完成了现实世界信息数据实时视图的存储。

1.3 GIS 与 GPS 的集成

GPS 和GIS 之间的有效结合，能够更加充分地发挥二者的优势，同时也更能提供出更完善、先进、可靠的系统功能，以保证这两项先进技术性能均能被提升并应用到更新、更好的平台上。利用GIS 定位系统，可直接在地图屏幕上快速呈现出GPS 实时定位数据信息，便于查询全球漫游数据。

1.4 GIS、GPS 和 RS 的集成

3S 的集成主要有两种实现方式：①以GPS 和RS 系统为实现中心。②完全以GIS 软件为集成中心。前者可同时对数据信息实现同步处理。根据各种RS、GPS 相关数据信息，利用各种GIS 的数据库资源和系统本身所具有的动态分析决策功能，为其他相关专业部门系统的信息动态化管理、决策优化等工作带来了实际帮助[3]。

2 3S 技术在公路测量中的应用现状

2.1 GPS 在公路测量中的应用

相较于其他传统道路测量，GPS 主要具有如下技术优势：定位高度精准、观测数据快速、三维坐标、使用简单方便以及不需要通视器等。由上述特点可知，GPS 在整个公路控制测量工程领域得到了更广泛有效的商业运用。例如，对国道上重要控制点的信号进行数据加密和存储、隧道测控；对主要公路和桥梁进行直接监测和测量等。公路路线一般处在一条带状走廊内，其平面控制测量往往采用导线形式，包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等，可布设成三角网、线形锁等形式。公路工程的测量主要应用了GPS 的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。GPS 在公路测量中的应用如图1所示。

图1 GPS 在公路测量中的应用

2.2 RS 在公路建设中的应用

随着空间探测技术的飞速发展，遥感影像所提供的丰富地理信息，为工程地址评价、工程研究、公路设计选线技术等提供了极大的信息帮助，在推进工程测量项目的同时，大大提高了测线选择的质量，节省了工程测量和工程制图的成本。在可钻研的阶段工作中，RS 凭借其能提供丰富准确的资料信息和完整可靠翔实的工程数据档案等多种优势，可进一步确定出合理有效的施工线路方案，节省地质勘探工程投资。此外，RS 还能提高让现场设计勘测人员深入了解沿线地下材料埋藏的空间开挖现状和空间分布规律状况，为项目施工方案提供合理可靠的条件。RS 监理对象分类流程如图2 所示。

图2 RS 监理对象分类流程

2.3 GIS 在公路建设中的应用

当下，人类已经借助计算机GIS 软件对各种信息资源进行整合，具有强大的实时采集、分析比较以及自动处理查询等诸多功能，同时在社会资源综合管理、环境智力开发以及各类政府资源决策研究等相关领域进行了相关实践，并取得了较好效果。但要想积极促进计算机技术GIS 系统的进一步普及化、社会化，就必须力求在各种工程信息化建设应用领域上广泛推广与应用GIS 技术。此外，还借助与某一个平台、GIS 软件相关的专业模型，创建与道路工程规划建设等相匹配的专业模型，为今后各种公路专业勘测、设计施工以及养护施工作业等实际操作提供便利。

从现实应用开发前景分析，GIS 技术能够提供以下3 种功能：

（1）对于与现代公路网络建设有关联的公路几何、属性图等相关数据及时予以集成分析。

（2）利用数据转换、处理分析等各种相关服务功能，实时调整转换数据的最大比例尺面积和实际投影面，为实际公路网络化建设决策挑选出最适合的设计方案，并以此为线路的优化设计、施工决策等活动提供必要的依据。

（3）利用GIS 数据本身具备的大量资料统计、数据分析等功能，能够更好地帮助公司做好公路房屋拆迁处理等服务工作。

在公路测量工程中，GIS 逐步应用于国内公路基础建设各行业，切实保证了公路数据工作的全面规范化，改善了道路建设的整体效率[4]。BIM+GIS 模拟公路三维场景如图3 所示。

图3 BIM+GIS 模拟公路三维场景

3 3S 技术在公路测量应用中存在的主要问题

在平面控制测量与空间测量等研究领域，GPS方法已充分且成功有效地应用于过程较为复杂的系统，但同时也逐步暴露出其他问题。①坐标选择系统。GPS 定位通常根据实际需要选择WGS-84 大地坐标系，但实际上中国国家观测点较多，大地坐标系只有两种，且这两种坐标系之间的数值可以独立转换，用户可以直接或使用专业的计算软件进行数值转换计算。②投影面的问题。一些城市设计开发公司和城市建设部门有可能长期面临类似的问题。根据国家民用公路全球动态导航及定位决策辅助设备系统技术规范准则（GPS）标准（JTJ/T 066-98）而制定出的相关数据规范：当系统采用WGS-84 大地坐标系和平面直角坐标系之间的坐标数据进行坐标转换并校正偏移时，在测区范围内产生的投影和长度变形的修正幅值偏差应由自动系统控制偏差范围，一般在正负各2.5 cm/km 范围以内。结合待测目标地区实际或自身所在环境区域的自然地理位置、高程及其变化程度等[5]，或者根据实际按如下标准选取的方法来分别确定自身所在相应环境区域内的基准坐标系统。

（1）当纵向应变值小于等于2.5 cm/km 时，可以直接选择高斯投影3°坐标系（有平面直角）。

（2）当长度变形值超过2.5 cm/km 时，可相应选择以下高速公路的债务清偿对象坐标系：①1954 年北京坐标系和1980 年西安坐标系上所对应的坐标系。②补偿等级坐标系按上述规则。③补偿高度面对应的坐标系，根据上述规则，可以根据投影的变形值来确定相对投影。

在特定项目或建设的执行阶段，为了方便实际的建设工作，有些建设部门可能期望在不进行常规计算的情况下接收控制数据。但是，该方式仍然难以充分保证GPS 数据跟踪的可靠性。

因此，可以考虑选择传统的重新分析坐标结果的方法。在检查公路测量的准确性时，可以根据没有投影和校正测量的结果重新测量和设计。

4 结语

随着科学技术的进步，测绘新技术领域有明显大的进步，在公路现代化建设各个阶段，测绘新技术起到了极为重要且关键的积极作用。借助3S 测量技术，可及时对公路走廊带上公路的基本地质构造情况以及路面地形结构等工程状况进行深入了解，为未来公路地质勘查项目规划立项（预可阶段）审批、工程研究设计评审等活动搭建坚实可靠、高效的信息化技术平台，促进政府相关部门单位尽快做出全面且正确的项目决策，提出可行、合理、高效的工程设计和方案，并据此控制和管理好整个工程系统的项目投资建设成本。