數(shù)字化測繪技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周開禮

(貴州省遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 遵義563000)

隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化測圖因?yàn)闇y圖精確度高、數(shù)據(jù)采集迅速、使用方法簡單、維護(hù)較為方便等優(yōu)勢(shì)，在城市規(guī)劃、土地建設(shè)與管理中得到廣泛應(yīng)用。因此，數(shù)字化地形圖成為新一代方便、快捷、直觀的地形圖而被應(yīng)用于社會(huì)生活的方方面面。

1 數(shù)字化測繪技術(shù)

數(shù)字化測繪技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為核心，以全站性電子測速儀、GPS、數(shù)字?jǐn)z影測量儀、數(shù)字化儀等為數(shù)據(jù)采集工具，在外界輸入、輸出設(shè)備軟、硬件的支持下，對(duì)地形的數(shù)字空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、成圖、輸出、管理的測繪技術(shù)。數(shù)字化測繪技術(shù)的系統(tǒng)組成如圖1所示。下面將重點(diǎn)介紹數(shù)字測繪系統(tǒng)中的GPS技術(shù)和激光跟蹤儀技術(shù)。

圖1 數(shù)字化測繪技術(shù)的系統(tǒng)組成

1.1 GPS技術(shù)

室內(nèi)GPS的激光發(fā)射器發(fā)出兩個(gè)呈扇形的激光面，這兩個(gè)激光扇面與垂直平面的夾角分別為+30°和－30°（如圖2a）所示），扇面的俯仰覆蓋范圍也為±30°（如圖2b）所示）。

圖2 激光發(fā)射器兩個(gè)扇形激光發(fā)射面范圍

在工程測量中，區(qū)域內(nèi)激光發(fā)射器分別向兩個(gè)角度發(fā)射信息，即方位角和仰角，任何一個(gè)接收器都只能從這兩個(gè)方向接受。方位角和仰角都是通過時(shí)間差計(jì)算獲得的。其中，通過兩個(gè)扇面掃觸時(shí)間的平均值和閘門脈沖信號(hào)掃觸時(shí)間的時(shí)間差可獲得方位角，通過GPS激光發(fā)射器發(fā)射出來的兩個(gè)扇面分別掃觸到接收器的時(shí)間差則可獲得仰角。此外還需要一個(gè)激光發(fā)射器，因?yàn)橹煌ㄟ^方位角和仰角不能夠得出接收器的控制位置，只有利用三點(diǎn)的三角形原理才能得到（如圖3所示）。

圖3 三角形測量原理示意圖

1.2 激光跟蹤儀技術(shù)

激光跟蹤測量系統(tǒng)的基本測量原理，是通過激光絕對(duì)測距系統(tǒng)和自身的測角系統(tǒng)，通過激光跟蹤目標(biāo)反射器確定目標(biāo)反射器球心的空間位置的坐標(biāo)，再通過氣象補(bǔ)償參數(shù)和儀器自身的校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)測量過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到空間點(diǎn)的坐標(biāo)（如圖4所示）。

圖4 激光跟蹤測量系統(tǒng)及激光跟蹤儀測量原理圖

設(shè)定被測靶鏡的中心為P點(diǎn)，跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)。用激光干涉儀測量O點(diǎn)到P點(diǎn)的距離d，再用兩個(gè)角度編碼器分別測量出P點(diǎn)的垂直方位角α和水平方位角β，則P點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）很容易由α、β和d計(jì)算得出。測量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為：

2 數(shù)字化測繪技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 自動(dòng)化程度高

數(shù)字測圖技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算、識(shí)別、連接以及調(diào)用圖示和符號(hào)等一系列自動(dòng)處理功能來繪出地形圖，不僅精確美觀，而且出錯(cuò)率也非常小。數(shù)字測圖還能夠自動(dòng)提取測量的信息，比如距離、坐標(biāo)和面積等。

2.2 測圖精度高

數(shù)字化測圖擁有精度高的優(yōu)勢(shì)，距離300m內(nèi)物點(diǎn)測定誤差大約是±2mm，地形點(diǎn)高差約是±18mm。而且電子格式的測量數(shù)據(jù)還能自動(dòng)記錄、傳輸、存儲(chǔ)、處理并成圖，沒有傳統(tǒng)測圖的視覺、方向、展點(diǎn)的誤差，全程對(duì)原始數(shù)據(jù)的精確度將毫無影響。

2.3 圖形屬性信息豐富

數(shù)字測圖要求不僅是對(duì)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量，還要明確所測點(diǎn)的屬性，在場記錄該點(diǎn)的編碼及連接信息，這樣在顯示成圖時(shí)，只需利用編碼，就可從圖式符號(hào)庫中調(diào)出對(duì)應(yīng)的測繪圖?？梢?，數(shù)字化測繪技術(shù)便于檢索數(shù)字測圖所應(yīng)用的包括點(diǎn)的定位、連接與屬性信息在內(nèi)的圖形信息。

2.4 圖形編輯方便

數(shù)字化的測圖是通過分層的方式進(jìn)行存放，所以沒有圖面負(fù)載量限制，對(duì)于測圖成果的加工利用較為方便。

3 數(shù)字化測繪技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

在沒有符合要求的大比例尺地圖的地區(qū)，可直接采用地面數(shù)字化測繪技術(shù)，該技術(shù)也稱為內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)字測圖，是我國目前各測繪單位用得最多的數(shù)字測圖方法。采用該方法所得到的數(shù)字地圖的特點(diǎn)是精度高，只要采取一定的措施，重要地物相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的精度控制在5cm內(nèi)是可以做到的。下面將重點(diǎn)分析目前數(shù)字化測繪技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

3.1 監(jiān)理GPS控制網(wǎng)

以邊連式連接的單頻GPS接收機(jī)施測為例。在公路設(shè)計(jì)之前對(duì)其進(jìn)行測繪，首先布設(shè)測量的首級(jí)GPS控制點(diǎn)，采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，點(diǎn)位埋設(shè)永久性的標(biāo)石以便測量。然后在測站上架設(shè)4臺(tái)GPS接收機(jī)，量取儀器高兩次，精確對(duì)中整平，精確至毫米，采用中數(shù)，較差應(yīng)小于規(guī)范的規(guī)定。

每觀測一個(gè)時(shí)段，以兩臺(tái)接收機(jī)作為固定站，另外的兩臺(tái)作為移動(dòng)站，每個(gè)點(diǎn)應(yīng)觀測45～70min。循環(huán)往復(fù)，直至觀測完所有點(diǎn)。衛(wèi)星觀測數(shù)不小于4，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為不小于15°，數(shù)據(jù)采集間隔為15s，對(duì)中誤差不大于2mm，PDDP不大于6mm，天線高差值不大于3mm。所有基線解都為固定解，按照獨(dú)立基線使用平差軟件解算，得出基線情況良好后，平差觀測出GPS點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.2 建立導(dǎo)線控制網(wǎng)

二級(jí)導(dǎo)線組成結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，布設(shè)于GPS點(diǎn)之間。布設(shè)二級(jí)導(dǎo)線，在四等GPS點(diǎn)的基礎(chǔ)上埋設(shè)標(biāo)石或鋪裝路面釘，點(diǎn)位布設(shè)于可永久保存地段，然后對(duì)二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)編號(hào)。二級(jí)導(dǎo)線觀測水平角采用方向觀測法，邊長單程觀測兩測回，所用測距儀均為Ⅰ級(jí)，每測回邊長讀數(shù)四次，MD≤5mm。

現(xiàn)場在規(guī)定格式的表格上用鉛筆記錄二級(jí)導(dǎo)線，外業(yè)記錄紙應(yīng)統(tǒng)一編號(hào)，做到字跡清楚、美觀整齊。觀測工作結(jié)束后檢查外業(yè)記錄，及時(shí)整理，確保記錄計(jì)算正確，檢查觀測成果是否滿足限差要求。

對(duì)于二級(jí)導(dǎo)線應(yīng)先驗(yàn)算測角中誤差、導(dǎo)線相對(duì)閉合差、方位角閉合差。當(dāng)各項(xiàng)限差滿足規(guī)范規(guī)定后，使用測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)，按結(jié)點(diǎn)網(wǎng)輸入計(jì)算機(jī)，平差后，詳定精度，提供導(dǎo)線網(wǎng)最弱點(diǎn)精度數(shù)據(jù)以及精度指標(biāo)。

3.3 高程控制網(wǎng)的布設(shè)

高程控制網(wǎng)將平面控制點(diǎn)布設(shè)成四等水準(zhǔn)網(wǎng)，以已知水準(zhǔn)點(diǎn)起算，進(jìn)行觀測。i角誤差小于20″，則檢測儀器滿足四等水準(zhǔn)測量要求。觀測直讀距離，采用中絲讀數(shù)法；觀測時(shí)無固定點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使用尺墊，觀測順序?yàn)楹笄?、前后。在適當(dāng)?shù)奈恢冒仓盟疁?zhǔn)儀，在同一測站觀測時(shí)，精確整平圓水準(zhǔn)器，每測段測站數(shù)宜為偶數(shù)，不得兩次調(diào)焦。

按結(jié)點(diǎn)網(wǎng)輸入計(jì)算機(jī)，當(dāng)各項(xiàng)限差滿足規(guī)定后，使用測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)，平差后評(píng)定精度，最后打印出高程控制點(diǎn)成果。

3.4 野外碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

公路設(shè)計(jì)中的數(shù)字化測繪基本上由兩個(gè)人完成，一人跑尺并做內(nèi)業(yè)繪圖，一個(gè)觀測并在全站儀上作業(yè)和編碼。在公路設(shè)計(jì)數(shù)字化測繪中，碎部測量的主要方法為極坐標(biāo)法，在實(shí)測碎部點(diǎn)的坐標(biāo)后，利用測繪軟件中的編輯功能，取得其余各點(diǎn)的坐標(biāo)，可利用軟件中的十字尺測量法、交會(huì)方法等方法，最后得到公路設(shè)計(jì)的測繪圖形。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，圖形編輯，制圖輸出

公路工程設(shè)計(jì)中，數(shù)字化測繪的重要內(nèi)容之一是測量數(shù)據(jù)的處理。無論是不同工程的測量工作，還是工程進(jìn)程中各階段的測量工作，都需要選擇適當(dāng)?shù)臏y量手段，根據(jù)測量平差理論和誤差分析，對(duì)測量成果進(jìn)行處理和分析。

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)通過全站儀或GPS與計(jì)算機(jī)用專用電纜連接起來，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。首先修改外業(yè)采集數(shù)據(jù)的各種可能的錯(cuò)誤，同時(shí)將野外采集的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成圖形編輯系統(tǒng)要求的格式，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。接著生成平面圖形，對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅處理，建立圖形文件等操作，生成自動(dòng)勾繪等高線、三角網(wǎng)數(shù)字高程模型等，即進(jìn)行等高線數(shù)據(jù)處理。利用測繪軟件對(duì)經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯修改，最后用繪圖儀輸出圖件。

4 結(jié)語

公路工程設(shè)計(jì)中，測繪單位技術(shù)創(chuàng)新的任務(wù)和方向之一是開展大量的數(shù)字化測繪技術(shù)實(shí)例工程測量。隨著數(shù)字工程的深入發(fā)展以及數(shù)字化測繪技術(shù)的不斷成熟，這也是提高測繪單位經(jīng)濟(jì)效益的重要手段以及自身實(shí)力的體現(xiàn)。在測繪領(lǐng)域中，數(shù)字化測繪技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。為了適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，未來數(shù)字化測繪技術(shù)方法和手段將會(huì)不斷豐富和更新，得到更積極的推動(dòng)和更大的發(fā)展。

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