長(zhǎng)遠(yuǎn)距離線路控制測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的建立與統(tǒng)一

【摘 要】日前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種鐵路、公路、電路等線型工程也取得了很大的發(fā)展?？刂茰y(cè)量作為線型工程的一個(gè)重要組成部分，對(duì)整個(gè)工程的科學(xué)性合理性有著非常大的影響，本文中筆者將以公路控制測(cè)量為例，論述長(zhǎng)遠(yuǎn)距離線路控制測(cè)量中如何建立和統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】控制測(cè)量；坐標(biāo)系統(tǒng)；建立方法

1.引言

線型工程主要指的是鐵路、公路、架空送電線路以及輸油管道等這類工程跨度比較大，且以運(yùn)行線路為主要工作重點(diǎn)的工程項(xiàng)目。線型工程的中線統(tǒng)稱線路，線路的勘察和設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)榫€路的確立直接關(guān)系著工程的經(jīng)濟(jì)成本以及運(yùn)行的合理性。所以，在線路勘察和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，工作人員要充分的考察該地區(qū)的自然環(huán)境和地理?xiàng)l件，并結(jié)合國(guó)家的有關(guān)規(guī)定，反復(fù)對(duì)比分析，確定一個(gè)最符合經(jīng)濟(jì)原則和工程實(shí)際情況的中線線路。

所謂控制測(cè)量，就是為了更好的確立公路中線而從事的針對(duì)各種相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量。在線路控制測(cè)量過(guò)程中，尤其是公路測(cè)量中，每條線路都具有相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，所以不可避免的就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)度變形的問(wèn)題。為了避免長(zhǎng)度變形影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們必須要采用一定的輔助手段加以控制。通常來(lái)說(shuō)，建立同待測(cè)區(qū)相適應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)可以有效的減少控制測(cè)量中的誤差。

2.控制測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容

在下文中，筆者將從控制測(cè)量的目的和作用、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、建立方法以及獨(dú)立高等控制網(wǎng)的建設(shè)方法等幾個(gè)方面對(duì)控制測(cè)量的具體步驟和方法進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2.1控制測(cè)量的目的和作用

控制測(cè)量一般是指在工程建設(shè)地區(qū)的地面布設(shè)一系列的控制網(wǎng)點(diǎn)，并精確地確定這些點(diǎn)的位置，以便為后期地形測(cè)圖和各種工程建設(shè)施工放樣打好基礎(chǔ)。所以，控制測(cè)量的主要目的在于方便其他測(cè)量工作的開展，為工程測(cè)量的各種活動(dòng)做好前期必要準(zhǔn)備。控制測(cè)量是一切后續(xù)測(cè)量工作的基礎(chǔ)，沒(méi)有控制測(cè)量，往后的測(cè)圖和放樣等工作是不可想象的?？刂凭W(wǎng)把測(cè)區(qū)各部分的測(cè)量工作聯(lián)系起來(lái)，既起骨架作用，又起限制誤差傳遞和累積作用，控制網(wǎng)在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的作用是：①各設(shè)計(jì)階段需要適當(dāng)比例尺地形圖作依據(jù)，而地形圖測(cè)繪又必須依靠控制網(wǎng)點(diǎn)來(lái)確定地形圖中各部分地貌地物之間的相對(duì)位置和保證地形圖的精度，控制測(cè)量的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)就為地形圖測(cè)繪提供了可靠地坐標(biāo)依據(jù)，保證其測(cè)量精度的實(shí)現(xiàn)。②各設(shè)計(jì)階段必須以控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，將路線、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)的位置精確地放樣在地面上，搜集相應(yīng)的路基、構(gòu)造物用于設(shè)計(jì)階段的各種資料，因此控制測(cè)量的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)可以為工程設(shè)計(jì)提供有效的參考資料。

可見，控制測(cè)量的主要目的在于通過(guò)測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)，為工程的其他相關(guān)測(cè)量活動(dòng)的開展，如地形圖測(cè)繪、設(shè)計(jì)圖紙和方案的確定提供獲取相關(guān)資料和數(shù)據(jù)的可靠途徑。

2.2坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇

坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系著控制測(cè)量的質(zhì)量，是關(guān)注著控制測(cè)量的重要問(wèn)題，同時(shí)由于它的作用原理較為復(fù)雜，作用發(fā)揮途徑也較為隱性，使其成為了一些作業(yè)人員難以理解的問(wèn)題。這種情況需要引起有關(guān)部門的重視，因?yàn)橐坏┳鳂I(yè)人員對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇在認(rèn)識(shí)上存在偏差，就會(huì)影響其進(jìn)行錯(cuò)誤的測(cè)量操作，從而影響測(cè)量結(jié)果。下面，筆者將從坐標(biāo)定位的基本原理和搞死平面直角坐標(biāo)系兩個(gè)方面對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇進(jìn)行相關(guān)論述。

2.2.1大地水準(zhǔn)面、橢球、坐標(biāo)系、國(guó)家大地測(cè)量和工程控制測(cè)量工作都是在地面上進(jìn)行的，而地球的自然表面又是一個(gè)有山、谷、江、湖、海洋等起伏的復(fù)雜曲面。它是一個(gè)不規(guī)則的、不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)的曲面，因此，不能在這個(gè)曲面上來(lái)解算測(cè)量學(xué)中所產(chǎn)生的幾何問(wèn)題，這樣不僅不利于精確計(jì)算結(jié)果，也會(huì)使計(jì)算過(guò)程復(fù)雜許多。所以，為便于計(jì)算控制網(wǎng)點(diǎn)的位置和測(cè)繪地形，應(yīng)選擇一個(gè)形狀和大小都很接近于地球而其數(shù)學(xué)運(yùn)算又很方便的體形，來(lái)代替地球的形體，以便把觀測(cè)結(jié)果歸化到此體形的表面上進(jìn)行計(jì)算。

由相關(guān)的力學(xué)知識(shí)可知，地球上任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都同時(shí)受到兩個(gè)力的作用才能保持著相對(duì)穩(wěn)定和平衡的運(yùn)行狀態(tài)：一個(gè)是地球質(zhì)心對(duì)該質(zhì)點(diǎn)的引力F，另一個(gè)是地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力P，這兩個(gè)力的合力，就是作用于該質(zhì)點(diǎn)的重力G，重力G的方向就是眾所周知的鉛垂線的方向，即G=P+F。

曲面上每一點(diǎn)均與鉛垂線方向垂直的曲面叫做水準(zhǔn)面，水準(zhǔn)面有無(wú)窮多個(gè)，我們可以選擇一個(gè)與平靜的海水面相重合的水準(zhǔn)面（平均水準(zhǔn)面）來(lái)代替地球的表面，通常把這個(gè)與平均海水面相重合的水準(zhǔn)面叫大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是按近于地球的自然表面，但它仍是一個(gè)不規(guī)則的曲面，因而有必要選擇一個(gè)形狀和大小都與大地體接近，而且能用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)式表示的體形來(lái)代替大地體。

參考橢球面是一國(guó)家（或者一區(qū)域）大地測(cè)量計(jì)算的參考面，該橢球面上各點(diǎn)與大地水準(zhǔn)面上各相應(yīng)點(diǎn)之間的高差的平方和為最小，參考橢球中心與地球質(zhì)心重合，旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，赤道面重合，兩者體積相等，總質(zhì)量與地球總質(zhì)量相等，自轉(zhuǎn)角速度相等。

所以，在這個(gè)過(guò)程中作業(yè)人員應(yīng)該注意的問(wèn)題是：首先，不可以將水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面直接等同起來(lái)，因?yàn)樗疁?zhǔn)面是質(zhì)點(diǎn)所受引力沿鉛垂線方向所形成的基準(zhǔn)面，由于地球的形狀復(fù)雜，這樣的基準(zhǔn)面的個(gè)數(shù)有無(wú)限個(gè)，但是大地水準(zhǔn)面是其中最為接近地球表面的一個(gè)，所以水準(zhǔn)面包括大地水準(zhǔn)面，但是不能將二者簡(jiǎn)單等同；其次，不能將參考橢球面同大地水準(zhǔn)面等同起來(lái)，因?yàn)閰⒖紮E球是模擬地球的形狀形成的參考模型，而大地水準(zhǔn)面是地球表面實(shí)際存在的質(zhì)點(diǎn)沿鉛垂線形成的基準(zhǔn)面，所以參考橢球面雖然可以在坐標(biāo)計(jì)算中一定程度的取代大地水準(zhǔn)面的作用，但是其較實(shí)際的水準(zhǔn)面更加規(guī)則，僅能適用于通過(guò)二者的高差平方和計(jì)算得出自轉(zhuǎn)角速度的運(yùn)算中，而不能在其他的坐標(biāo)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)中直接代替大地水準(zhǔn)面。

2.2.2高斯平面直角坐標(biāo)系

公路線路尤其是高速公路一般跨越多個(gè)地區(qū)，綿延數(shù)百里，有的甚至跨越省市，形成了一道非常長(zhǎng)的線路工程。而通常情況下，公路工程的存在并不是孤立的，常與橋梁和其他建設(shè)工程相結(jié)合，甚至一些公路工程設(shè)立的主要目的就是為了更好的服務(wù)某些建設(shè)工程。所以，在公路線路的設(shè)計(jì)中，要充分把握工程相關(guān)信息，做好與其他工程的銜接，而為了坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一以及與國(guó)家其它工程銜接，目前普遍采用國(guó)家坐標(biāo)系換帶計(jì)算方法。即高斯正形投影平面直接坐標(biāo)系。下面筆者將簡(jiǎn)要對(duì)其進(jìn)行介紹：①高斯正形投影的實(shí)質(zhì)。設(shè)想將一個(gè)截面為橢圓的橫柱（簡(jiǎn)稱圓柱）面套在地球橢球面上，使橫圓柱面與橢球面的一個(gè)子午橢圓相切，橫圓柱的軸與地球橢球的軸互相垂直，這樣將靠近子午橢圓的那部分地球表面的圖形投影到圓柱面上，再將圓柱面展開就得到平面上的圖形。這種投影，實(shí)際上就是將地球橢球面上與柱面相切的子午線兩旁的一條帶狀區(qū)域按正形投影到平面上，投影后，只有相切的這條子午線上的長(zhǎng)度比等于1，而離開這條子線愈遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形愈大，相切的子午線稱為中央子午線，這一帶區(qū)兩旁邊緣上的子午線叫分界子午線，地球上的D點(diǎn)投影到平面上成為d點(diǎn)，d點(diǎn)的坐標(biāo)可用x和y表示。②坐標(biāo)分帶。為了不使這種變形過(guò)大，每一個(gè)帶的寬度不能太大，一般每帶分界子午線間的經(jīng)度分為6°（或3°），具體的精度要根據(jù)公路線路的具體情況而定。為便于設(shè)計(jì)施工放樣，使坐標(biāo)反算長(zhǎng)度與實(shí)地長(zhǎng)度差不超過(guò)規(guī)范要求而影響施工質(zhì)量時(shí)，采用平移子午線的方式進(jìn)行坐標(biāo)換帶計(jì)算，這一點(diǎn)在公路工程測(cè)量中是經(jīng)常遇到的，通常稱坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇。

2.3控制網(wǎng)建立方法

在選擇了合適的坐標(biāo)系后，依據(jù)坐標(biāo)建立控制網(wǎng)是非常重要的，一般來(lái)講控制網(wǎng)的建立需要注意這樣幾個(gè)問(wèn)題：1）在平面測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)該先采用四等控制，后一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量。四等控制普遍采用GPS測(cè)量，它的特點(diǎn)是：①定位精度高，因?yàn)镚PS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，所以可以對(duì)地球上的各個(gè)控制點(diǎn)的位置定位準(zhǔn)確做出反應(yīng)，一般情況下，每一百米的精度誤差不超過(guò)一厘米，這是其他的測(cè)量定位系統(tǒng)所無(wú)法比擬的，而為了使公路線路測(cè)量的結(jié)果更加可靠有效，就必須保證其結(jié)果的精度，而GPS就是最佳的測(cè)量選擇。②觀測(cè)時(shí)間短，指的是GPS系統(tǒng)擁有較高的測(cè)量效率，可以在系統(tǒng)開啟后的較短時(shí)間獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，尤其是目前被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量的GPS RTK技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，即在測(cè)量的同時(shí)就可以接受到被測(cè)點(diǎn)的定位信息，這一特定大大的便利控制網(wǎng)的測(cè)量和定位。③測(cè)站間無(wú)需通視，指的是GPS測(cè)量有別于傳統(tǒng)的測(cè)量方法的各個(gè)測(cè)量站之間需要實(shí)時(shí)的信息交流和溝通，以便綜合各測(cè)站的信息得出具體待測(cè)點(diǎn)位置的特點(diǎn)。GPS系統(tǒng)的各測(cè)站是相互獨(dú)立的，因?yàn)楣餐艿娇偟男畔?shù)據(jù)處理和控制中心的控制，所以只需將所測(cè)數(shù)據(jù)直接反饋給控制中心即可，而無(wú)需與其他測(cè)站進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。④可提供三維坐標(biāo)，指的是GPS定位測(cè)量的結(jié)果，不僅可以顯示待測(cè)點(diǎn)的具體地理位置，還可以對(duì)其空間高度進(jìn)行定位，真正的實(shí)現(xiàn)了全方位的定位測(cè)量，雖然在控制測(cè)量中，還會(huì)進(jìn)行專門的高程測(cè)量，但是所得三維坐標(biāo)的結(jié)果也可以作為一個(gè)有效的參考依據(jù)。⑤操作簡(jiǎn)便，就目前市面上的GPS定位測(cè)量裝置來(lái)看，其操作步驟和方法都較為簡(jiǎn)便易行，可以減少工作人員的工作強(qiáng)度，在提高測(cè)量效率的同時(shí)減少誤操作的概率。⑥全天候作業(yè)，由于GPS系統(tǒng)是24小時(shí)的無(wú)間斷作業(yè)的系統(tǒng)，所以在此基礎(chǔ)上開展的各種測(cè)量活動(dòng)不會(huì)受到時(shí)間限制，可以在任意時(shí)間段開啟測(cè)量裝置，實(shí)施定位測(cè)量。

另外，GPS采用測(cè)距后方交會(huì)的原理，接收機(jī)接收衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)，只需同時(shí)獲得3顆以上GPS衛(wèi)星信號(hào)，就可利用后方交會(huì)的原理解算絕對(duì)坐標(biāo)，當(dāng)有兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)相同3顆以上衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，其基線解算精度可達(dá)1×10-6，然后通過(guò)點(diǎn)或邊連接，聯(lián)測(cè)到已知高等控制點(diǎn)上，經(jīng)平差計(jì)算得到各未知點(diǎn)的坐標(biāo)。四等點(diǎn)一般以5km左右一對(duì)為宜，5km一對(duì)是為便于一級(jí)導(dǎo)線加密時(shí)附合到已知邊上，以便于設(shè)計(jì)及施工放樣，一般采用常規(guī)儀器（全站儀或測(cè)距儀配經(jīng)緯儀）進(jìn)行。

2）在高程測(cè)量的過(guò)程中：采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行四等高程施測(cè)，也可嚴(yán)格按規(guī)范施行的三角高程代替四等水準(zhǔn)方法，附合到三等以上高程控制點(diǎn)，由于高程測(cè)量的單位和誤差都比較小，所以采用不同方法對(duì)其所得測(cè)量結(jié)果的影響不是很大，但是在測(cè)量過(guò)程中要注意的是五路選擇四等水準(zhǔn)方法還是三角高程附和法，都要在水準(zhǔn)儀的正確操作下進(jìn)行。

2.4獨(dú)立高等控制

公路工程中首級(jí)控制網(wǎng)常采用GPS進(jìn)行四等控制，為方便施工再利用常規(guī)方法進(jìn)行一級(jí)導(dǎo)線的加密，首級(jí)控制網(wǎng)往往采用與國(guó)家點(diǎn)聯(lián)測(cè)分帶換算得到實(shí)地任意坐標(biāo)系統(tǒng)，以控制整體系統(tǒng)的連接及與已有線路進(jìn)行銜接繼而在線路主要控制物如特大橋、長(zhǎng)隧道等（為便于施工需進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)，這類控制網(wǎng)內(nèi)部精度要求較線路首級(jí)控制高，這時(shí)多采用獨(dú)立網(wǎng)的形式，這種獨(dú)立網(wǎng)不同于其它獨(dú)立工程，如大壩、樞紐、廠房等一般獨(dú)立控制網(wǎng)，作為線路整體的一部分，需要與路線進(jìn)行坐標(biāo)銜接，坐標(biāo)系統(tǒng)一致，以便施工過(guò)程中保持線路的連續(xù)性，平差采用獨(dú)立網(wǎng)自由平差求定長(zhǎng)基線后再進(jìn)行約束平差，然后再對(duì)兩端一級(jí)導(dǎo)線重平差方法。獨(dú)立高等控制是一種相對(duì)的獨(dú)立控制，是在保證與公路線路坐標(biāo)銜接的基礎(chǔ)上，為了保證控制精度而采取的一種特殊形式，所以在獨(dú)立高等控制的過(guò)程中，我們首先要保證該控制系統(tǒng)的坐標(biāo)定位與總體線路的坐標(biāo)定位是一致的，并且其控制網(wǎng)的布設(shè)不能偏移整體線路的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)的基本方向。

3.地形圖的航空攝影測(cè)量方法

由于鐵路、公路等線型工程的長(zhǎng)度決定了無(wú)法直接在地面上對(duì)其進(jìn)行全面測(cè)控，所以長(zhǎng)線路普遍采用航空攝影的方法。所謂航空攝影測(cè)量方法，就是用安裝在飛機(jī)或其它飛行工具上的攝影機(jī)，對(duì)觀測(cè)地區(qū)按一定要求進(jìn)行攝影，根據(jù)攝影瞬間得到的航空像片，讀取各種信息資料和編制地形圖的技術(shù)。

盡管航空像片上詳盡而準(zhǔn)確地?cái)z錄了地面上的實(shí)際情況，它卻不能直接作為地形圖使用，其主要原因就是航空像片是中心投影，而地形圖是垂直投影（或稱正射投影），也就是二者的坐標(biāo)和拍攝的基準(zhǔn)點(diǎn)不同，因?yàn)楹娇諗z影的每一張圖片的基準(zhǔn)點(diǎn)都是被拍攝位置，而地形圖的總的基準(zhǔn)點(diǎn)是固定的，所以不能簡(jiǎn)單地將二者結(jié)合起來(lái)。航空拍攝的圖片無(wú)法直接應(yīng)用于地形圖上，不代表其搜集的資料和信息無(wú)法被地形圖采用，我們可以在地形圖的具體繪制的過(guò)程中參考航空拍攝的詳細(xì)而直觀的信息，完善地形圖中的各種線路和標(biāo)的的具體位置。

一般情況下，在飛機(jī)上進(jìn)行航攝的時(shí)候，比例尺的選擇不能夠大于成圖比例尺的4倍，否則成圖精度會(huì)受到影響。

在航空拍攝的戶外作業(yè)的過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：①像控點(diǎn)的布設(shè)。像控點(diǎn)是在實(shí)地選定符合成像要求的明顯地物棱角（在航片上清晰可見）的點(diǎn)測(cè)定其平面、高程三維坐標(biāo)，以便在內(nèi)業(yè)成圖時(shí)確定相對(duì)位置，對(duì)航片進(jìn)行糾正，所以在布設(shè)的過(guò)程中要進(jìn)行的將像控點(diǎn)同GPS測(cè)量點(diǎn)區(qū)別開，以免拍攝過(guò)程中受到測(cè)量位置坐標(biāo)的影響。②像片調(diào)繪。航片上不明確或遺漏的如地面、地下及架空管線、路堤、陡坎、農(nóng)田、植被等均應(yīng)調(diào)繪，調(diào)繪過(guò)程中要注意的是不可以任意的放大的比例尺，要始終保持在小于成圖比例尺四倍的范圍內(nèi)，否則也會(huì)影響航拍的信息的精度。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，所有工程建設(shè)項(xiàng)目都必須以社會(huì)與效益為依據(jù)，按照條件和預(yù)期目的進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，測(cè)量工作是工程建設(shè)中的一項(xiàng)最基礎(chǔ)的工作，在道路、橋梁、隧道工程建設(shè)中起著重要的作用。所以，為了保證控制測(cè)量的精度，為了使其測(cè)量結(jié)果能夠更好的為其他測(cè)量工作的開展奠定基礎(chǔ)，我們要結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)比多種坐標(biāo)建立方法，選擇一條最符合經(jīng)濟(jì)原則，最科學(xué)合理的測(cè)量路線。上文中，筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，以公路線路的控制測(cè)量為例，簡(jiǎn)單的闡述了長(zhǎng)遠(yuǎn)距離控制測(cè)量中的坐標(biāo)建立和統(tǒng)一問(wèn)題，希望能夠拋磚引玉，為我國(guó)的控制測(cè)量工作的發(fā)展盡綿薄之力。

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