測繪“3S”技術在工程測量中的應用與展望

蘭斌

摘 要：本文結合“3S”技術的最新發(fā)展，介紹其在工程測量中的應用現(xiàn)狀和前景，結合實例分析當前應用中存在的問題，并做出展望。

關鍵詞：GPS；GIS；RS；工程測量；應用

一、“3S”技術的概念

“3S”技術是GPS、GIS、RS三門測繪學科的統(tǒng)稱，分別指的是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感。GPS獲得的精確位置信息可以幫助遙感影像和航攝像片的幾何校正和鑲嵌，GPS和RS技術為GIS空間數(shù)據(jù)的實時動態(tài)更新提供了重要手段，而GIS的應用也提高了RS的數(shù)據(jù)提取和分析能力?！?S”技術的集成為工程測量提供了全新的測量手段、思維工具以及描述語言，將三種技術進行有效整合，揚長避短。

二、GPS技術

（一）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展概況

從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功開始，人類在空間科學這一領域取得了很多重大突破。得益于其高精度、高效率、多功能、全天候、應用廣泛、易于操作等特點，GPS定位技術在測繪學、導航、遙感、土地資源管理、軍事及氣象等諸多領域得到了廣泛應用，如今，GPS已成為測繪領域中一種極為重要的測量定位方法。近年隨著RTK技術功能的不斷完善，其在工程放樣中得到了廣泛應用，大大降低了放樣的計算工作量和外業(yè)觀測強度，提高了作業(yè)效率。

（二）GPS技術在工程測量中的新應用

1、線路勘測及隧道貫通測量

線路的勘察測設、管線量測以及隧道貫通測量等都是公路、鐵路、水利、電力、通信等工程建設中的重要環(huán)節(jié)，由于這類帶狀地形的控制網往往以狹長形式布設，又常常穿過山區(qū)、樹林，通視條件受山林、高差起伏較大等情況所限，傳統(tǒng)控制測量作業(yè)模式建立控制網，無論是前期的網形設計、選點、埋石，還是后期的施測都會遇到很多問題，控制測量的精度也難以達到要求。即便克服重重困難達到了要求，其耗費的成本也會很高。同時，傳統(tǒng)測量方法作業(yè)時間較長，直接影響了工程建設的工期。從GPS技術引入該領域以來，其測量效率及測量精度得到了極大提高。例如，我公司張呼鐵路一分部的東土村隧道，全長為4.56km，且地形條件復雜，所以隧道洞外平面控制測量采用GPS進行測量。按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》（TB 10601-2009）的要求，當隧道長度在4～6km之間時，按照二等GPS測量的要求進行控制網的設計。該隧道是利用復測成果穩(wěn)定的CPI和CPII控制點與加密控制點，在隧道進出口組成大地四邊形或三角形。隧道洞外控制網的布設形式如下：

（1）隧道進口控制點布設

東土村隧道進口共設置平面控制點3個（加密點2個，CPI點1個）分別為JM5101、JM5102、CPI6023；高程控制點4個（加密點3個，CPI點1個）分別為JM5101、JM5102、JM5103、CPI6023，具體詳見圖1。

（2）隧道出口控制點布設

東土村隧道出口共設置平面控制點3個（加密點3個）分別為JM5107、JM5109、JM5110；高程控制點3個（加密點3個）分別為JM5108、JM5109、JM5110，具體詳見圖2。

（3）洞外控制測量橫向貫通誤差估算

在GPS控制測量前，應按下式估算測量設計的驗前橫向貫通中誤差 式中后兩項可由式計算得到洞外定向誤差

L—相向開挖隧道計算設計長度，考慮到洞外GPS控制點位布設離洞口有一定距離的因素，取隧道線路長度加1km。

mJ、mC—進、出口 GPS控制點的 Y坐標誤差，根據(jù)復測成果分析CPI控制點Y坐標誤差均小于10mm，所以Y坐標誤差均取10mm。

LJ、LC—進、出口GPS控制點至貫通點的長度；貫通面擬選在隧道中點。

mαJ、mαc—進、出口 GPS聯(lián)系邊的方位中誤差；

θ、φ—進、出口控制點至貫通點連線與貫通點線路切線的夾角。

—GPS測量定向聯(lián)系邊方向中誤差（″），二等GPS規(guī)范要求取1.3″限差，ρ=206265″

則由上述計算式可得：

洞外橫向貫通誤差的限差為40mm，顯然28.5mm<40mm，所以滿足規(guī)范中的限差要求。

2、CORS系統(tǒng)

連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System）簡稱CORS，是現(xiàn)代GPS技術發(fā)展的熱門。CORS系統(tǒng)是一種集衛(wèi)星定位技術、數(shù)字通訊技術、計算機網絡技術多學科融合的測量新技術。CORS系統(tǒng)在城市工程測量中有很好的應用及發(fā)展前景，它可以提高速度與效率，降低勞動強度和成本，省去測量標志保護和修復的費用，節(jié)省各項測繪工程和實施過程中45%的控制費用。

CORS系統(tǒng)在城市工程測量應用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）CORS系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全天候不間斷地工作，且用戶無需架設基站，只需準備終端，即GPS-RTK接收機即可進行實時的快速定位。

（2）覆蓋范圍廣，CORS系統(tǒng)覆蓋的半徑為30km，遠大于常規(guī)RTK基站幾公里的工作半徑。且使用CORS系統(tǒng)時無需考慮差分和差分站的質量，使用起來更加方便靈活。

（3）精度可靠，在CORS系統(tǒng)的覆蓋半徑內，數(shù)據(jù)的精度大致均勻，不會存在因支站引起的起算數(shù)據(jù)精度低的影響，且沒有誤差累積。

CORS系統(tǒng)將網絡化概念引入到了大地測量應用中，該系統(tǒng)的建立不僅為測繪行業(yè)帶來了深刻的變革，也將為現(xiàn)代網絡社會中的空間信息服務帶來新的思維和模式，該系統(tǒng)使得測區(qū)內每個用戶都能實時獲得厘米級的精度，這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業(yè)效率和質量，對于用戶來說，它不再要求建立臨時參考基站，從而節(jié)省了時間，最大限度地提高了作業(yè)效率，節(jié)約了成本。

近幾年，國內不同行業(yè)已經陸續(xù)簡歷了一些專業(yè)性衛(wèi)星定位運行網絡和站點，同時在一大批城市、省區(qū)以及企業(yè)、行業(yè)還在籌劃建立相應的運行網絡系統(tǒng)，一個連續(xù)的運行參考站網絡系統(tǒng)項目正在籌建中。我國第一個連續(xù)性的運行參考站系統(tǒng)由深圳市建立（SZ-CORS），已實現(xiàn)全面地投入測量應用。我國的部分省市也初步建成或正在建立類似CORS系統(tǒng)，例如廣東、浙江、北京、福建、上海、成都、武漢、重慶和哈爾濱等。

我公司近幾年的業(yè)務發(fā)展范疇也正從常規(guī)的公路、鐵路項目擴展到市政、軌道交通等項目，隨著CORS系統(tǒng)的發(fā)展完善及應用的普及，相信不久的將來，CORS系統(tǒng)會在市政項目建設中發(fā)揮巨大的作用。其不需架設參考站、真正實現(xiàn)單機作業(yè)的特點，也會為項目施工建設控制成本、提高效率、節(jié)約費用。

（三）GPS在工程測量中的應用展望

1、應用中存在的問題與對策

雖然GPS發(fā)展到今天，各項技術已日趨完善，定位的精度與可靠性也在不斷地提高，但在實際應用中仍存在許多問題。

（1）在峽谷、樹木茂密的低區(qū)，可見衛(wèi)星數(shù)受到限制，影響了GPS系統(tǒng)定位的精確性，有時甚至需要選擇適宜的時間進行觀測。

（2）強發(fā)射物體對信號的折射，會導致信號的非直線傳播，多路徑效應的改正一直是GPS數(shù)據(jù)處理的一大難題。

（3）太陽黑子等太陽或月亮的活動對精密定位測量存在一定誤差，如果做高等級GPS靜態(tài)控制測量時遇到太陽黑子，數(shù)據(jù)處理后的成果很可能會超限。

（4）和大多電子設備一樣，GPS接收機，尤其是液晶顯示屏和電池在極低或極高的溫度下使用都會受影響。

所以說，GPS技術的應用發(fā)展既受GPS系統(tǒng)本身及開發(fā)的制約，也受使用單位技術條件的支持。為此，要全面推進GPS在工程測量領域的應用，還應重視下述問題：

①重視應用理論與技術研究，尋求新的數(shù)據(jù)處理方法，開發(fā)新的實用軟件。

②采取切實可行的措施進行技術和設備創(chuàng)新，如采用可同時接收美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟Galileo系統(tǒng)信號的接收機，改善GPS系統(tǒng)的有效性、完整性和定位精度，從而保證在有障礙環(huán)境中的定位精度。

③建立獨立的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（中國北斗系統(tǒng)），完全擺脫對美國GPS系統(tǒng)的依賴，這在國防軍事領域有著重要的意義。

2、應用前景

隨著GPS技術的進一步發(fā)展與完善，能夠一次性確定三維坐標的高速度、高效率、高精度的GPS技術正在逐漸取代長期使用的以測角、測距、測水準為主體的常規(guī)工程測量技術。相信不久的將來，GPS應用于變形監(jiān)測系統(tǒng)、大跨度斜拉橋自振特性監(jiān)測系統(tǒng)，甚至GPS水上打樁定位系統(tǒng)都會日益普及，它們最大的優(yōu)勢是不受通視條件和雨、霧等自然條件的影響，運行穩(wěn)定、操作簡單、提高效率，且基本可以實現(xiàn)全天候工作。

三、GIS技術

（一）GIS的定義

GIS即地理信息系統(tǒng)，主要涉及地理學、測量學、制圖學、攝影測量與遙感、計算機科學。特別是計算機制圖、數(shù)據(jù)庫管理、遙感和地理學構成了GIS的理論和技術基礎。在計算機軟硬件及網絡支持下，GIS系統(tǒng)對有關地理空間數(shù)據(jù)進行輸入、存儲、檢索、更新、顯示、制圖、綜合分析和應用，實時提高多種時間空間的地理信息，并以多種形式輸出圖形產品或數(shù)據(jù)，為工程建設研究和方案決策服務。目前，GIS已經廣泛應用于工程測量、城市規(guī)劃、土地資源管理、林業(yè)、水利、氣象等諸多領域。

（二）GIS在工程測量中的應用

近年來，利用GIS具有的對大量信息的采集、處理、分析與統(tǒng)計功能，將其廣泛應用于區(qū)域規(guī)劃、資源管理、環(huán)境治理和輔助決策等。以交通工程為例，其應用前景主要包括：對各種與交通工程有關的幾何和屬性數(shù)據(jù)進行采集，利用GIS強大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，為交通工程方案的選擇、工程的設計和施工過程中的動態(tài)管理服務。利用GIS緩沖區(qū)分析功能和對數(shù)據(jù)動態(tài)的統(tǒng)計功能，可以為交通工程的征地拆遷統(tǒng)計工作服務?？傊?，將GIS用于交通建設可以保持各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、規(guī)范，實現(xiàn)動態(tài)管理，便于提高交通工程的效率。

四、RS技術

（一）RS的定義

遙感泛指通過非接觸傳感器遙測物體的幾何與物理特征的技術。應用遙感技術對地面物體進行探測，是以地物波普特性為基礎進行的。地物波普特性是指地面物體具有的輻射、吸收、反射和透射一定波長范圍電磁波的特性。通過對遙感圖像的解譯，可獲取三方面的信息：目標地物的大小、形狀及空間分布特點，目標地物的屬性特點，目標地物的變化動態(tài)特點。根據(jù)影像特征的差異可以識別和區(qū)分不同的地物，從中提取地物的幾何或物理信息并加以數(shù)據(jù)分析，可對地物的性質、類型或狀況進行實時動態(tài)監(jiān)測。

（二）RS在工程測量中的應用

隨著空間技術的飛速發(fā)展，遙感圖像宏觀、直觀、逼真、豐富的信息為工程設計、工程可行性研究、路線工程地質條件評價和工程初步設計提供了有利條件。遙感技術猶如軍事領域的“數(shù)字沙盤”，將野外現(xiàn)場搬到室內進行分析研究，不但能提高工程的設計質量，而且能夠加快勘測設計速度，減少勘測費用，節(jié)約設計成本。特別是在調研階段，RS以其數(shù)據(jù)的實時性、準確性和全面性為選擇最佳設計方案提供了巨大的便利，大大節(jié)約了時間，節(jié)省工程勘探費用，還能幫助設計人員了解沿線建筑材料的分布、儲量、運距等情況，為施工創(chuàng)造良好的便利條件。

近幾年來，隨著無人機的廣泛應用，使得RS平臺投入生產應用的成本大大降低。以內蒙古省道203線AA-4標為例，如對全線16.5km施工便道臨時征地的草場面積進行確認，若直接根據(jù)線路長度對草場面積進行估算，則所得數(shù)據(jù)不夠準確；若使用GPS采集便道兩側點位，后經內業(yè)將采集的點展繪在CAD上最終求得其面積，所得數(shù)據(jù)雖然準確，但會耗費大量人力物力以及時間；若以無人機為平臺，獲取帶狀影像，再經ArcGIS、CAD等內業(yè)處理軟件將柵格數(shù)據(jù)矢量化，描繪出便道的邊界并計算其面積，從外業(yè)獲取影像數(shù)據(jù)到內業(yè)處理及分析，不到一天的時間即可完成，既可保證數(shù)據(jù)的準確性，又大大節(jié)省了時間和人力，提高了效率。

五、測繪“3S”技術的集成

測繪“3S”技術的集成，顧名思義，是針對三種技術的一個功能集成的集合體。具體來說就是用GPS獲取精準位置，用RS獲取或更新空間數(shù)據(jù)，用GIS分析與表現(xiàn)。利用 GPS 技術的空間定位功能和 RS 技術的區(qū)域信息提供功能，以及 GIS 技術的空間分析功能，來有效獲取信息并對信息進行綜合集成，最終為工程決策提供有效依據(jù)。如今，“3S”技術已經應用于諸如工程建設、城市規(guī)劃、土地資源管理、漁業(yè)以及環(huán)境保護等多個領域之中。可以預見，“3S”技術集成將會在城市和工程建設領域發(fā)揮更大的作用，將為“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字工程”、“數(shù)字工業(yè)”等提供重要的技術支撐。

六、結語

現(xiàn)代工程測量的發(fā)展趨勢，主要為測量工作的內、外業(yè)一體化，數(shù)據(jù)的獲取、處理自動化，測量成果的可視化，測量過程控制的智能化以及測量信息管理的高效化。測量技術的特點主要向快速、動態(tài)以及實時的方向發(fā)展。同時，國民經濟的快速發(fā)展，也對工程測量提出了新的要求。“3S”技術與通迅技術、計算機技術的有效結合，將從根本上改變傳統(tǒng)測繪學科的內涵。

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