探討公路工程測量中3S 測量技術(shù)的應(yīng)用

吳興禮

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

為了確定道路建設(shè)地區(qū)最有利的方向，需要提前檢查路線，根據(jù)測量結(jié)果和地形圖數(shù)據(jù)選擇準確的路線，待路線規(guī)劃確定后，便可進行工程道路的設(shè)計和測量。3S 技術(shù)包括以下主要組成部分：全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)（global positioning system, GPS），遙感技術(shù)（remote sensing, RS），地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）。3S 技術(shù)憑借數(shù)據(jù)大、搜索快、準確率高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于資源管理、骨干研究、城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域[1]。

1 現(xiàn)代測繪新技術(shù)

GPS：通過對衛(wèi)星信號的實時、遠距離接收和計算，可以利用所有物體上的點坐標相對于地球上各點的坐標來查找信息源的位置。

RS：即可直接與人體紅外探測器探測和記錄目標電磁波傳輸?shù)奶囟y量值和特性變化。其可以通過遙感直接檢測或與記錄的目標進行通信，無須使用人工設(shè)備和人員。通過分析紅外遙感影像，可以更好地了解這些遙感物體實際存在的各種基本屬性特征，特別是空間屬性和屬性特征的變化。

GIS：是利用當今先進的計算機軟硬件，全面有效地管理、監(jiān)測和處理三維空間地理數(shù)據(jù)能力系統(tǒng)和實時智能監(jiān)測分析系統(tǒng)，其具有許多重要功能，如模擬計算系統(tǒng)。

3S 技術(shù)可以為現(xiàn)代研究和公共管理提供新的研究領(lǐng)域和工具，即RS 和GPS 聯(lián)合系統(tǒng)可以及時為GIS 數(shù)據(jù)提供大量可靠的空間信息和對管理決策有用的信息技術(shù)參考[2]。

1.1 RS 與 GPS 的集成

GPS 技術(shù)具有強大的定位傳輸功能，能夠直接將與RS 技術(shù)相關(guān)的定位數(shù)據(jù)自動向本地GIS 應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行實時傳輸，并通過保證傳輸兩種定位數(shù)據(jù)信號的實時協(xié)調(diào)性，對當?shù)谿IS 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)庫自動進行異常監(jiān)測。結(jié)合RS 數(shù)據(jù)，相關(guān)工程可輕松查詢到與GPS 數(shù)據(jù)相關(guān)的定位服務(wù)信息。

1.2 GIS 與 RS 的集成

GIS 與RS 的完美結(jié)合有以下特征：GIS 數(shù)據(jù)信息主要取自RS 數(shù)據(jù)庫；GIS 實際上是對空間遙感數(shù)據(jù)信息的復(fù)雜處理進行技術(shù)支持。兩者結(jié)合使用，需要處理與柵格、矢量數(shù)據(jù)等相關(guān)系統(tǒng)的復(fù)雜接口問題：遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式基本為柵格格式，存儲數(shù)據(jù)格式為像素存儲格式；GIS 技術(shù)通常顯示為圖形矢量，一般情況下實時空間信息數(shù)據(jù)以矢量形式存儲，如作為點、線或面圖。兩者的關(guān)鍵區(qū)別在于圖像、制圖和數(shù)據(jù)以獨特的三維空間概念形式完成了現(xiàn)實世界信息數(shù)據(jù)實時視圖的存儲。

1.3 GIS 與 GPS 的集成

GPS 和GIS 之間的有效結(jié)合，能夠更加充分地發(fā)揮二者的優(yōu)勢，同時也更能提供出更完善、先進、可靠的系統(tǒng)功能，以保證這兩項先進技術(shù)性能均能被提升并應(yīng)用到更新、更好的平臺上。利用GIS 定位系統(tǒng)，可直接在地圖屏幕上快速呈現(xiàn)出GPS 實時定位數(shù)據(jù)信息，便于查詢?nèi)蚵螖?shù)據(jù)。

1.4 GIS、GPS 和 RS 的集成

3S 的集成主要有兩種實現(xiàn)方式：①以GPS 和RS 系統(tǒng)為實現(xiàn)中心。②完全以GIS 軟件為集成中心。前者可同時對數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)同步處理。根據(jù)各種RS、GPS 相關(guān)數(shù)據(jù)信息，利用各種GIS 的數(shù)據(jù)庫資源和系統(tǒng)本身所具有的動態(tài)分析決策功能，為其他相關(guān)專業(yè)部門系統(tǒng)的信息動態(tài)化管理、決策優(yōu)化等工作帶來了實際幫助[3]。

2 3S 技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 GPS 在公路測量中的應(yīng)用

相較于其他傳統(tǒng)道路測量，GPS 主要具有如下技術(shù)優(yōu)勢：定位高度精準、觀測數(shù)據(jù)快速、三維坐標、使用簡單方便以及不需要通視器等。由上述特點可知，GPS 在整個公路控制測量工程領(lǐng)域得到了更廣泛有效的商業(yè)運用。例如，對國道上重要控制點的信號進行數(shù)據(jù)加密和存儲、隧道測控；對主要公路和橋梁進行直接監(jiān)測和測量等。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)，其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式，包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長大隧道等，可布設(shè)成三角網(wǎng)、線形鎖等形式。公路工程的測量主要應(yīng)用了GPS 的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點的三維坐標；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。GPS 在公路測量中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 GPS 在公路測量中的應(yīng)用

2.2 RS 在公路建設(shè)中的應(yīng)用

隨著空間探測技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感影像所提供的豐富地理信息，為工程地址評價、工程研究、公路設(shè)計選線技術(shù)等提供了極大的信息幫助，在推進工程測量項目的同時，大大提高了測線選擇的質(zhì)量，節(jié)省了工程測量和工程制圖的成本。在可鉆研的階段工作中，RS 憑借其能提供豐富準確的資料信息和完整可靠翔實的工程數(shù)據(jù)檔案等多種優(yōu)勢，可進一步確定出合理有效的施工線路方案，節(jié)省地質(zhì)勘探工程投資。此外，RS 還能提高讓現(xiàn)場設(shè)計勘測人員深入了解沿線地下材料埋藏的空間開挖現(xiàn)狀和空間分布規(guī)律狀況，為項目施工方案提供合理可靠的條件。RS 監(jiān)理對象分類流程如圖2 所示。

圖2 RS 監(jiān)理對象分類流程

2.3 GIS 在公路建設(shè)中的應(yīng)用

當下，人類已經(jīng)借助計算機GIS 軟件對各種信息資源進行整合，具有強大的實時采集、分析比較以及自動處理查詢等諸多功能，同時在社會資源綜合管理、環(huán)境智力開發(fā)以及各類政府資源決策研究等相關(guān)領(lǐng)域進行了相關(guān)實踐，并取得了較好效果。但要想積極促進計算機技術(shù)GIS 系統(tǒng)的進一步普及化、社會化，就必須力求在各種工程信息化建設(shè)應(yīng)用領(lǐng)域上廣泛推廣與應(yīng)用GIS 技術(shù)。此外，還借助與某一個平臺、GIS 軟件相關(guān)的專業(yè)模型，創(chuàng)建與道路工程規(guī)劃建設(shè)等相匹配的專業(yè)模型，為今后各種公路專業(yè)勘測、設(shè)計施工以及養(yǎng)護施工作業(yè)等實際操作提供便利。

從現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)前景分析，GIS 技術(shù)能夠提供以下3 種功能：

（1）對于與現(xiàn)代公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有關(guān)聯(lián)的公路幾何、屬性圖等相關(guān)數(shù)據(jù)及時予以集成分析。

（2）利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理分析等各種相關(guān)服務(wù)功能，實時調(diào)整轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最大比例尺面積和實際投影面，為實際公路網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)決策挑選出最適合的設(shè)計方案，并以此為線路的優(yōu)化設(shè)計、施工決策等活動提供必要的依據(jù)。

（3）利用GIS 數(shù)據(jù)本身具備的大量資料統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能，能夠更好地幫助公司做好公路房屋拆遷處理等服務(wù)工作。

在公路測量工程中，GIS 逐步應(yīng)用于國內(nèi)公路基礎(chǔ)建設(shè)各行業(yè)，切實保證了公路數(shù)據(jù)工作的全面規(guī)范化，改善了道路建設(shè)的整體效率[4]。BIM+GIS 模擬公路三維場景如圖3 所示。

圖3 BIM+GIS 模擬公路三維場景

3 3S 技術(shù)在公路測量應(yīng)用中存在的主要問題

在平面控制測量與空間測量等研究領(lǐng)域，GPS方法已充分且成功有效地應(yīng)用于過程較為復(fù)雜的系統(tǒng)，但同時也逐步暴露出其他問題。①坐標選擇系統(tǒng)。GPS 定位通常根據(jù)實際需要選擇WGS-84 大地坐標系，但實際上中國國家觀測點較多，大地坐標系只有兩種，且這兩種坐標系之間的數(shù)值可以獨立轉(zhuǎn)換，用戶可以直接或使用專業(yè)的計算軟件進行數(shù)值轉(zhuǎn)換計算。②投影面的問題。一些城市設(shè)計開發(fā)公司和城市建設(shè)部門有可能長期面臨類似的問題。根據(jù)國家民用公路全球動態(tài)導(dǎo)航及定位決策輔助設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范準則（GPS）標準（JTJ/T 066-98）而制定出的相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)范：當系統(tǒng)采用WGS-84 大地坐標系和平面直角坐標系之間的坐標數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換并校正偏移時，在測區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的投影和長度變形的修正幅值偏差應(yīng)由自動系統(tǒng)控制偏差范圍，一般在正負各2.5 cm/km 范圍以內(nèi)。結(jié)合待測目標地區(qū)實際或自身所在環(huán)境區(qū)域的自然地理位置、高程及其變化程度等[5]，或者根據(jù)實際按如下標準選取的方法來分別確定自身所在相應(yīng)環(huán)境區(qū)域內(nèi)的基準坐標系統(tǒng)。

（1）當縱向應(yīng)變值小于等于2.5 cm/km 時，可以直接選擇高斯投影3°坐標系（有平面直角）。

（2）當長度變形值超過2.5 cm/km 時，可相應(yīng)選擇以下高速公路的債務(wù)清償對象坐標系：①1954 年北京坐標系和1980 年西安坐標系上所對應(yīng)的坐標系。②補償?shù)燃壸鴺讼蛋瓷鲜鲆?guī)則。③補償高度面對應(yīng)的坐標系，根據(jù)上述規(guī)則，可以根據(jù)投影的變形值來確定相對投影。

在特定項目或建設(shè)的執(zhí)行階段，為了方便實際的建設(shè)工作，有些建設(shè)部門可能期望在不進行常規(guī)計算的情況下接收控制數(shù)據(jù)。但是，該方式仍然難以充分保證GPS 數(shù)據(jù)跟蹤的可靠性。

因此，可以考慮選擇傳統(tǒng)的重新分析坐標結(jié)果的方法。在檢查公路測量的準確性時，可以根據(jù)沒有投影和校正測量的結(jié)果重新測量和設(shè)計。

4 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的進步，測繪新技術(shù)領(lǐng)域有明顯大的進步，在公路現(xiàn)代化建設(shè)各個階段，測繪新技術(shù)起到了極為重要且關(guān)鍵的積極作用。借助3S 測量技術(shù)，可及時對公路走廊帶上公路的基本地質(zhì)構(gòu)造情況以及路面地形結(jié)構(gòu)等工程狀況進行深入了解，為未來公路地質(zhì)勘查項目規(guī)劃立項（預(yù)可階段）審批、工程研究設(shè)計評審等活動搭建堅實可靠、高效的信息化技術(shù)平臺，促進政府相關(guān)部門單位盡快做出全面且正確的項目決策，提出可行、合理、高效的工程設(shè)計和方案，并據(jù)此控制和管理好整個工程系統(tǒng)的項目投資建設(shè)成本。