高等學(xué)校道路勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)改革探索與實(shí)踐

沈照慶，王和平，張富強(qiáng)

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

目前，我國(guó)高?？睖y(cè)實(shí)習(xí)大都是以傳統(tǒng)模式為主。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和不同學(xué)科間的相互滲透，以GPS為主的“3S”測(cè)設(shè)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的測(cè)設(shè)理念，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)在公路測(cè)設(shè)中更是蘊(yùn)含著巨大技術(shù)潛力。為了讓我校道橋?qū)I(yè)畢業(yè)生掌握的測(cè)設(shè)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)接軌，急需將GPS-RTK技術(shù)引入并推廣到道路測(cè)設(shè)實(shí)習(xí)中[1-5]。

1 高校道路勘測(cè)實(shí)習(xí)的現(xiàn)狀及問(wèn)題

在各大高校，道路測(cè)設(shè)的實(shí)習(xí)模式主要還是以經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀為主的傳統(tǒng)模式，甚至還有利用十字架、花桿、皮尺為主的低級(jí)測(cè)設(shè)方式，很多方法和儀器都已經(jīng)被淘汰。這種傳統(tǒng)測(cè)設(shè)方式存在很多弊端。

1）傳統(tǒng)的儀器必須要求點(diǎn)與點(diǎn)之間通視，否則無(wú)法作業(yè)。在測(cè)設(shè)中時(shí)常遇到視線被植物、山體或者建筑物遮擋的情況，造成工程進(jìn)度滯后。

2）受天氣環(huán)境影響大，在雨雪天氣和高溫天氣時(shí)，光學(xué)儀器和全站儀觀測(cè)精度低，在光線陰暗和天黑時(shí)無(wú)法進(jìn)行作業(yè)。

3）作業(yè)流程效率低，每個(gè)測(cè)設(shè)小組一般都需要配備6～7個(gè)人，測(cè)設(shè)中的很多數(shù)據(jù)需要人工記錄和處理，易導(dǎo)致錯(cuò)誤和大的誤差。

2 GPS-RTK+全站儀一體化實(shí)習(xí)模式構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)行的測(cè)設(shè)作業(yè)方式，利用GPS定位導(dǎo)航技術(shù)，挖掘RTK的測(cè)設(shè)技術(shù)潛力，并研究道路測(cè)設(shè)新方案，構(gòu)建GPS-RTK+全站儀一體化實(shí)習(xí)模式，使我國(guó)的道路勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)與國(guó)際測(cè)設(shè)水平接軌，對(duì)提高學(xué)生的高科技工程素養(yǎng)有著十分重要的意義[5-12]。

2.1 實(shí)踐意義

通過(guò)勘測(cè)實(shí)習(xí)新方案的研究和實(shí)踐，將GPS、全站儀與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器有機(jī)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使學(xué)生能了解全新的行業(yè)作業(yè)模式，同時(shí)深刻體會(huì)實(shí)踐方法和技術(shù)要領(lǐng)，使實(shí)習(xí)內(nèi)容與以后工作有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)。這種測(cè)設(shè)新技術(shù)，不僅保證和提高了測(cè)量勘測(cè)精度，還提出了基于GPS的測(cè)設(shè)新模式。GPS-RTK與全站儀都存在應(yīng)用的局限性與不足，將它們的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)模式的最優(yōu)化。

2.2 利用GPS-RTK與全站儀聯(lián)合進(jìn)行道路測(cè)設(shè)

《測(cè)量學(xué)》作為一門(mén)地學(xué)類(lèi)專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，必須結(jié)合各專業(yè)的特點(diǎn)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，必須注重因地制宜、各有側(cè)重的教學(xué)原則，如地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、資源勘查等專業(yè)，將來(lái)從事的工作主要是進(jìn)行野外地質(zhì)勘察，因此在課間實(shí)習(xí)中可選擇開(kāi)設(shè)經(jīng)緯儀儀器認(rèn)識(shí)、角度測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、點(diǎn)位極坐標(biāo)放樣、地形圖等實(shí)習(xí)內(nèi)容。集中實(shí)習(xí)應(yīng)以測(cè)繪地形地貌、野外地形圖識(shí)圖用圖、手持 GPS 導(dǎo)航與測(cè)量等內(nèi)容為主。

2.3 方案設(shè)計(jì)

中樁放樣是設(shè)計(jì)線路體現(xiàn)到現(xiàn)實(shí)地面的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)行的主要工程作業(yè)模式都是利用全站儀中線放樣，在通視不良的情況下無(wú)法作業(yè)。利用GPS-RTK實(shí)現(xiàn)道路測(cè)設(shè)，具有精度高、時(shí)間短、效率高、不受通視條件和氣候限制、全天候工作的特點(diǎn)。但GPS使用時(shí)點(diǎn)位附近不能有遮擋和信號(hào)干擾，在這些區(qū)域可以利用全站儀進(jìn)行測(cè)設(shè)，形成以GPS為主、全站儀為輔的測(cè)設(shè)模式。

2.4 具體實(shí)施

我校太白實(shí)習(xí)基地，可同時(shí)滿足3個(gè)班級(jí)進(jìn)行勘測(cè)實(shí)習(xí)。周期為10 d，主要任務(wù)為路線設(shè)計(jì)、選線和路線測(cè)設(shè)。每個(gè)小組首先進(jìn)行室內(nèi)路線設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行中線和橫斷面測(cè)設(shè)，每小組有一臺(tái)全站儀和GPS。以LEICA GPS15為例，設(shè)站流程為：架設(shè)基站（整平、對(duì)中、量取儀器高）→架設(shè)流動(dòng)站→設(shè)置基站→設(shè)置流動(dòng)站→新建項(xiàng)目→開(kāi)始測(cè)量→定義坐標(biāo)系→測(cè)量、放樣。

首先將基準(zhǔn)站架設(shè)在較空曠的地方，架設(shè)完后安裝電臺(tái)，連接好儀器后開(kāi)啟基準(zhǔn)站主機(jī)并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。打開(kāi)電源，轉(zhuǎn)到基站菜單，連接藍(lán)牙，設(shè)置電臺(tái)，啟動(dòng)基站，在開(kāi)始測(cè)量菜單下選擇在已知點(diǎn)上模式輸入儀器高，選取天線類(lèi)型，轉(zhuǎn)到流動(dòng)站菜單。然后進(jìn)行流動(dòng)站設(shè)置，連接藍(lán)牙，連接電臺(tái)，新建項(xiàng)目，導(dǎo)入數(shù)據(jù)（包括坐標(biāo)系，已知控制點(diǎn)坐標(biāo)等），導(dǎo)出數(shù)據(jù)，最后進(jìn)入放樣模式進(jìn)行放樣中線。

道路橫斷面測(cè)量的主要目的是道路調(diào)坡和工程土石方預(yù)算，高程測(cè)量精度達(dá)cm級(jí)即可。利用GPS來(lái)確定橫斷面的方向，利用GPS-RTK作業(yè)模式，在更密集的間距上獲得點(diǎn)的平面位置和高程，從而提供更為真實(shí)的道路斷面圖。在不通視和衛(wèi)星信號(hào)不良的區(qū)域，利用全站儀進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，通過(guò)實(shí)際操作，來(lái)接觸和掌握嶄新的理念和方法。

GPS RTK技術(shù)進(jìn)行線路定測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)：

1）常規(guī)的中線測(cè)量總是先確定平面位置，而后再確定高程，即先放線，后做中平測(cè)量。RTK技術(shù)可提供三維坐標(biāo)信息，因此在放樣中線的同時(shí)也獲得了點(diǎn)位的高程信息，無(wú)需再進(jìn)行中平測(cè)量，大大提高了工作效率。

2）目前RTK基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈的作用半徑可以達(dá)到10 km以上，因此整個(gè)線路上只要布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)便可完成控制，而不必布設(shè)加密控制網(wǎng)。只要保存好首級(jí)點(diǎn)，即可隨時(shí)放樣中線或恢復(fù)整個(gè)線路，因此也不必?fù)?dān)心樁位的遺失而給線路測(cè)量帶來(lái)困難等。

3）在RTK定線測(cè)量中首級(jí)控制網(wǎng)直接與中線樁點(diǎn)聯(lián)系，點(diǎn)位精度可達(dá)cm級(jí)，不存在中間點(diǎn)的誤差積累問(wèn)題，因此能達(dá)到很高的精度，適合高等級(jí)線路工程的要求。

4）RTK基準(zhǔn)站發(fā)出的數(shù)據(jù)鏈信息，可供多個(gè)流動(dòng)站應(yīng)用，而基準(zhǔn)站只需由1個(gè)人單獨(dú)操作，可大大節(jié)省人力，提高工效。

5）應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行線路定測(cè)工作比較輕松，流動(dòng)站作業(yè)員只要進(jìn)入放樣模式，并調(diào)出放樣點(diǎn)，手簿軟件中的電子羅盤(pán)就會(huì)引導(dǎo)作業(yè)員到達(dá)放樣點(diǎn)。當(dāng)屏幕顯示流動(dòng)站桿位和設(shè)計(jì)點(diǎn)位重合時(shí)，檢查精度，記錄放樣點(diǎn)坐標(biāo)和高程，然后標(biāo)記地面點(diǎn)位(如打樁)。

6）GPS-RTK在一定條件下受外界影響較大，除了受與衛(wèi)星、傳播途徑、接收設(shè)備有關(guān)的誤差影響外，還要受衛(wèi)星通視、電臺(tái)信號(hào)的影響。當(dāng)流動(dòng)站處于高大建筑物、樹(shù)林等遮擋衛(wèi)星、電臺(tái)通信信號(hào)位置時(shí)，沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)連接，GPS-RTK往往不能初始化，或者不能測(cè)得滿意的數(shù)據(jù)。

因?yàn)镚PS-RTK與全站儀都存在應(yīng)用的局限性與不足，所以RTK技術(shù)可與常規(guī)全站儀相結(jié)合，充分發(fā)揮GPS無(wú)需通視以及常規(guī)全站儀靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，避免RTK的劣勢(shì)和全站儀必須相互通視的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。GPS-RTK+全站儀聯(lián)合路線測(cè)設(shè)的優(yōu)越性如下：

1）在控制點(diǎn)距離遠(yuǎn)、不通視或通視不方便的地方，完全利用全站儀耗時(shí)間，耗人力，無(wú)法快速測(cè)量。利用RTK+全站儀的方法可以很好地解決這一問(wèn)題。

2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的cm級(jí)精度測(cè)量成果（包括高程）徹底擺脫了由于誤差造成的返工，提高了路線測(cè)設(shè)的作業(yè)效率。

3）作業(yè)效率高，每個(gè)放樣點(diǎn)只需要測(cè)量3～5個(gè)歷元，流動(dòng)站小組作業(yè)，每小組（3～4人）可完成中線測(cè)量5～10 km，其精度和效率是常規(guī)測(cè)量方法無(wú)法比擬的。

4）應(yīng)用范圍廣，可以涵蓋公路測(cè)量（包括平、縱、橫）、施工放樣、監(jiān)理、竣工測(cè)量、養(yǎng)護(hù)測(cè)量、GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面。

5）當(dāng)GPS-RTK技術(shù)在單基站的模式下受到作業(yè)半徑的限制，或遇到多路徑效應(yīng)、電磁波干擾或高大建筑物對(duì)接收機(jī)視野限制時(shí)，利用全站儀進(jìn)行測(cè)量，可保證測(cè)量的高精度。

3 實(shí)習(xí)新模式的實(shí)施與評(píng)價(jià)

1）課堂教學(xué)和野外實(shí)踐緊密結(jié)合。在實(shí)習(xí)基地多媒體教室采用了講授與課堂操作相結(jié)合、傳統(tǒng)方法與多媒體教學(xué)手段相結(jié)合的模式。將抽象的理論和復(fù)雜的工程流程以直觀的方式傳授，彌補(bǔ)單純口授的不足，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得了良好的效果。

外業(yè)實(shí)習(xí)采用輪流操作流水線模式，堅(jiān)持小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作，1個(gè)班至少配備2名老師，一對(duì)一地指導(dǎo)，使每個(gè)學(xué)生都能快速掌握實(shí)習(xí)內(nèi)容。通過(guò)一系列的課程教學(xué)方法與手段建設(shè)，極大地提高了教學(xué)效果。

2）重視實(shí)習(xí)硬件條件的提升。對(duì)實(shí)習(xí)基地硬件進(jìn)行了大規(guī)模整修，重新制作了控制點(diǎn)，繪制了太白校區(qū)的大比例尺地形圖，在現(xiàn)有儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上購(gòu)置了GPS接收機(jī)、繪圖電腦、投影儀、打印機(jī)等教學(xué)設(shè)備，并建立了太白實(shí)習(xí)機(jī)房，極大地改善了實(shí)習(xí)硬件條件。

3）加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)，對(duì)教師進(jìn)行儀器和實(shí)習(xí)步驟的培訓(xùn)，并結(jié)合系所的教學(xué)會(huì)議和相關(guān)的科研項(xiàng)目、科技服務(wù)項(xiàng)目，提高教師的實(shí)踐能力和教學(xué)水平。在原有課件、典型案例、視頻錄相、模型、掛圖等教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，錄制了教學(xué)視頻，同時(shí)跟蹤學(xué)科的發(fā)展前沿，及時(shí)將新技術(shù)以及教師的教學(xué)思想充實(shí)到實(shí)習(xí)中。逐步擴(kuò)大工程實(shí)例教學(xué)內(nèi)容的比例，加深學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的掌握和理解。在《道路勘測(cè)設(shè)計(jì)》（第三版）的基礎(chǔ)上，編制了道路勘測(cè)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)，構(gòu)建了一系列實(shí)習(xí)指導(dǎo)表格、規(guī)章和流程，形成了一整套完整的道路勘測(cè)實(shí)習(xí)教學(xué)體系。

4 結(jié) 語(yǔ)

探索GPS在道橋?qū)I(yè)測(cè)量勘測(cè)教學(xué)實(shí)習(xí)中的方式與方法，建立提高學(xué)生動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)理論體系與操作方案，使先進(jìn)的勘測(cè)技術(shù)和理念貫穿于測(cè)量勘測(cè)實(shí)習(xí)全過(guò)程中，豐富和創(chuàng)新道橋?qū)I(yè)勘測(cè)實(shí)習(xí)的技術(shù)含量，轉(zhuǎn)變實(shí)習(xí)理念和方法，進(jìn)而使學(xué)生能了解全新的行業(yè)作業(yè)模式，將GPS-RTK技術(shù)與工程測(cè)設(shè)技術(shù)銜接。使實(shí)習(xí)內(nèi)容與以后的工作學(xué)習(xí)有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，對(duì)建立我國(guó)更具特色的道橋測(cè)量勘測(cè)教學(xué)實(shí)習(xí)具有借鑒意義。

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