淺談新型高精度測量儀器在工程測量中的應(yīng)用

孔海峽

摘 要：隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加快了各項(xiàng)工程項(xiàng)目高質(zhì)量建設(shè)的步伐。工程建設(shè)中，對(duì)于工程測量精度的要求不斷提高。目前，工程測量儀器不斷發(fā)展、更新，其精度和測量的準(zhǔn)確度得到了極大地改善，一批批新型高精度測量儀器應(yīng)運(yùn)而生。文章就部分新型高精度測量儀器在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行簡述，并闡述新型高精度儀器對(duì)工程測量的影響。

關(guān)鍵詞：新型；高精度；測量儀器；工程測量；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0117-03

1 前言

工程測量是借助各類專業(yè)測量儀器設(shè)備，對(duì)不同工程項(xiàng)目的方位、坐標(biāo)、地形地貌、實(shí)體輪廓等等進(jìn)行數(shù)據(jù)及參數(shù)的測量和收集的過程。工程測量是工程項(xiàng)目施工的前期階段，如缺少精確的工程測量數(shù)據(jù)，將很難開展工程的后續(xù)工作，工程測量在整個(gè)工程項(xiàng)目中發(fā)揮著極其重要的作用。

隨著科技水平不斷進(jìn)步，一項(xiàng)項(xiàng)新型高精度測量技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)，促使傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段得到極大地改變，測量數(shù)據(jù)的精確程度不斷提高，對(duì)于工程測量產(chǎn)生了巨大的影響。新型高精度測量儀器主要表現(xiàn)為智能化和數(shù)字化，其科技含量高，在實(shí)際工程測量應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，如測量精度高、測量效率高、實(shí)時(shí)跟蹤測量、人工成本降低、人為影響因素減少等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)的工程測量儀器設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢。

2 新型高精度測量儀器的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的測量技術(shù)分為水準(zhǔn)測量和三角高程測量。其中，水準(zhǔn)測量具有高度測量方面較高的精確度，而在水平測距中因受到地形起伏變化導(dǎo)致其精確度明顯下降；三角高程測量在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的局限性，其操作不夠便捷，雖在大比例地形測繪、市政工程等工程測繪中應(yīng)用廣泛，但其測量誤差較大，這些亟待改進(jìn)的問題和缺點(diǎn)限制著傳統(tǒng)測量儀器和測量技術(shù)的推廣應(yīng)用。

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程測量對(duì)測量儀器的要求越來越高，傳統(tǒng)的測量儀器已無法滿足現(xiàn)代工程項(xiàng)目測量的需求。因此，新型高精度測量儀器應(yīng)運(yùn)而生。新型高精度測量儀器在測量誤差校正、便捷操作、智能化等方面取得極大地突破。

數(shù)字化技術(shù)為工程測量帶來了一場科技革命，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于新型高精度測量儀器，實(shí)現(xiàn)了工程測量過程中的計(jì)算機(jī)編輯和修補(bǔ)，呈現(xiàn)出高精確度的數(shù)字化地圖，相比傳統(tǒng)測量，凸顯低勞動(dòng)強(qiáng)度、方便快捷、實(shí)時(shí)更新及便于存儲(chǔ)使用的優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字化技術(shù)與測量儀器相結(jié)合而誕生的新型高精度測量儀器對(duì)工程測量發(fā)揮的作用和影響也越來越大。

3 新型高精度測量儀器在工程測量中的應(yīng)用

諸多新技術(shù)與高精度測量儀器融為一體，實(shí)現(xiàn)了例如數(shù)字化成圖等功能，在各項(xiàng)工程項(xiàng)目建設(shè)中的工程測量方面得到廣泛推廣應(yīng)用。現(xiàn)就舉例說明新型高精度測量儀器在工程項(xiàng)目中的典型應(yīng)用。

3.1 超高精度全站儀在城市地鐵控制測量中的應(yīng)用

在城市地鐵建設(shè)中，測量起著至關(guān)重要的作用，從地鐵建設(shè)初期的規(guī)劃勘察、地鐵施工前期的控制網(wǎng)和控制導(dǎo)線測量到地鐵車站的施工建設(shè)以及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中導(dǎo)線測量和盾構(gòu)機(jī)引導(dǎo)測量，再到最后地鐵建成通車后的健康運(yùn)營監(jiān)測，可以說，測量貫穿著城市地鐵建設(shè)的始終。而控制導(dǎo)線測量是地鐵建設(shè)過程中的一部分，就是在地鐵建設(shè)施工前對(duì)整個(gè)地鐵沿線布置的控制點(diǎn)進(jìn)行測量，以指導(dǎo)地鐵車站施工和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的測量。

地鐵控制測量的精度要求非常高，施工工期很緊，測量單位選擇測量儀器設(shè)備非常嚴(yán)格，要求不但能提供高精度的指標(biāo)，而且在自動(dòng)化程度上體現(xiàn)出更高的作業(yè)效率。徠卡全新的超高精度全站儀TS30，不僅可以為城市建設(shè)提供精度保證（測角精度可以達(dá)到0.5〞，測距精度可以達(dá)到0.6mm+1ppm），而且全新的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)（180°/s轉(zhuǎn)速）比使用傳統(tǒng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的全站儀的效率整整提高了3倍，超高精度全站儀TS30測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性大幅度提升。

高精度全站儀TS30不但擁有過硬的硬件結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能，而且在配備了由徠卡上海技術(shù)中心開發(fā)的本地化多測回測角程序以后，更加適應(yīng)了中國測量工程師的操作使用習(xí)慣。多測回測角程序完全根據(jù)中國規(guī)范進(jìn)行開發(fā)編制，具有規(guī)范中涉及的多種限差檢核（包括測回差、測回互差以及歸零差等等），可以真正做到在測量的過程中對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督檢查，保證測量成果的可靠性，并且觀測的數(shù)據(jù)可以生成報(bào)表，同時(shí)允許輸出專業(yè)平差軟件所能識(shí)別的文件格式，非常方便。

目前，國內(nèi)地鐵建設(shè)快速推進(jìn)，超高精度全站儀TS30的誕生以及相配備的應(yīng)用程序?yàn)槌鞘械罔F控制測量提供了一套全方位的應(yīng)用解決方案，充分保證了城市地鐵施工測量的精度以及作業(yè)效率，目前該儀器已在多個(gè)城市地鐵項(xiàng)目中得到廣泛推廣應(yīng)用，發(fā)揮出巨大的作用。

3.2 頂管自動(dòng)引導(dǎo)測量系統(tǒng)的應(yīng)用

徠卡TCA全自動(dòng)全站儀為用戶提供了強(qiáng)有力的編程編碼工具，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要開發(fā)一些軟件來控制TCA完成相應(yīng)的測量工作。一部分工程企業(yè)正是在這樣的前提下，積極引進(jìn)徠卡的TCA1800全自動(dòng)全站儀，研制開發(fā)自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，從而解決長距離曲線頂管工程中的測量問題，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

長距離曲線頂管工程中的測量工作非常繁雜。要保證管道按設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)，要求頻繁測量機(jī)頭的位置。主要采用導(dǎo)線測量的方法設(shè)站，從工作井下固定點(diǎn)逐站測量到機(jī)頭。由于頂管頂進(jìn)過程中，整條管道是移動(dòng)前進(jìn)的，管道內(nèi)設(shè)的導(dǎo)線點(diǎn)也是移動(dòng)的，進(jìn)行一次測量都必須全程由井下至機(jī)頭逐站進(jìn)行，測量結(jié)果就是一次性的。因此，采用傳統(tǒng)的人工測量方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。

自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用TCA全站儀能夠進(jìn)行自動(dòng)測量的優(yōu)勢，因勢利導(dǎo)，可出色的完成工程中的測量任務(wù)，有效提高頂管的整體施工速度，保證頂管的質(zhì)量。它直接將TCA全站儀固定安置在管道內(nèi)壁，全站儀架在自動(dòng)整平基座，以隨時(shí)整平因管道移動(dòng)而傾斜的儀器。全站儀手柄上連接圓棱鏡，在整個(gè)導(dǎo)線測量的過程中充當(dāng)相鄰點(diǎn)位的前視和后視點(diǎn)。全站儀在編寫的控制軟件發(fā)出的指令下，自動(dòng)完成全部測量工作。每臺(tái)全站儀（包括工作井下基準(zhǔn)點(diǎn)的全站儀）所測得的數(shù)據(jù)通過通訊電纜傳輸?shù)焦I(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出機(jī)頭的當(dāng)前位置，并將之與設(shè)計(jì)的管道中心軸線相比，就可得到機(jī)頭的位置偏差，從而及時(shí)糾偏。整個(gè)測量過程幾分鐘便可完成，且不影響頂管施工，而人工測量占用的時(shí)間是它的幾十倍。管道口徑小的頂管采用人工方法測量用的難度將更難以想象。

3.3 移動(dòng)測量系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用

移動(dòng)測量系統(tǒng)集成了GPS全球定位、慣性導(dǎo)航、攝影測量、三維激光掃描等諸多前沿科技。GPS定位給出測量設(shè)備位置，慣性導(dǎo)航給出測量設(shè)備前進(jìn)方向和照相機(jī)姿態(tài)，攝影測量利用GPS和慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)給出外方位元素等信息。通過全（半）自動(dòng)提取工具將視覺圖像的舒適性置信度與測量速度下點(diǎn)云的精度一起組合在基于GIS的界面中。

采用無基站、無控制點(diǎn)的室內(nèi)采集模式，經(jīng)過IE和AutoP軟件自動(dòng)化處理生產(chǎn)軌跡、點(diǎn)云和影像成果。利用點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)成果，結(jié)合徠卡的Cyclone軟件點(diǎn)云編輯、切平面、建模等功能，形成了一整套軟硬件解決方案，能夠快速進(jìn)行海量數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)高效三維建模，對(duì)于建模效率至少提高70%以上，能很好的解決建筑測量的需求。

3.3.1 系統(tǒng)成果舉例

（1）點(diǎn)云成果：高程顯示的點(diǎn)云，墻體輪廓清晰，桌椅可分辨，適于建模。詳見圖1。（2）點(diǎn)云成果：反射強(qiáng)度點(diǎn)云，照片同步查看，對(duì)比圖中為植物、墻角。詳見圖2。（3）平面圖成果：結(jié)合徠卡Cyclone點(diǎn)云處理軟件，能夠快速生成任意方向的切平面，在CAD中快速提取建筑物平面圖。詳見圖3。（4）三維建模成果：結(jié)合徠卡Cyclone點(diǎn)云處理軟件，半自動(dòng)地生成平面、三維模型，可以導(dǎo)出至CAD或3ds Max里。詳見圖4。

3.3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

Pegasus Backpack是徠卡測量系統(tǒng)推出的全新移動(dòng)實(shí)景測量背包，配備5個(gè)相機(jī)和2個(gè)激光掃描儀，集成高精度GNSS+IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)、平板電腦控制系統(tǒng)，采用碳纖維材質(zhì)和人體工學(xué)設(shè)計(jì)制作而成，是當(dāng)前市場上集高性能、高精度、便攜性于一體的高端移動(dòng)測量背包系統(tǒng)，主要具有如下特點(diǎn)：

（1）采用SLAM技術(shù)能夠?qū)θ我猸h(huán)境和位置進(jìn)行測量，包括室內(nèi)、室外任何地方進(jìn)行測量，能一次性解決室內(nèi)和室外測圖。（2）兩個(gè)剖面掃描儀每秒共可測量60萬個(gè)點(diǎn)，測量有效半徑為50m-70m。（3）市面上像元尺寸超大的傳感器5.5um×5.5um；五個(gè)400萬像素的固定相機(jī)，拍攝視角360°×200°，使用者可根據(jù)行進(jìn)距離調(diào)整相機(jī)的采樣間隔。（4）NovAtel ProPak6TM提供最新最尖端的精確GNSS接收機(jī)，通過穩(wěn)定的現(xiàn)場驗(yàn)證IMU在GNSS中斷10秒后精確，定位20mm RMS。（5）數(shù)據(jù)采集軟件同步顯示所有活動(dòng)的相機(jī)和實(shí)時(shí)激光雷，同時(shí)可以進(jìn)行激光掃描儀管理和GNSS操作。（6）能導(dǎo)出至CAD和其他軟件中（DWG，DXF，SHP，GDB，DGN，E57，HPC，LAS，PTS，NMEA，KMZ），便于編輯管理。

3.3.3 使用效果

（1）采用SLAM技術(shù)改進(jìn)了室內(nèi)測圖的軌跡計(jì)算，同時(shí)結(jié)合采集到的圖像和激光點(diǎn)云，使得繪制與更新平面圖更加容易。（2）借助頂尖的GPS和IMU組成的POS定位方案，在室外地區(qū)的絕對(duì)精度可達(dá)到5cm。室內(nèi)則通過徠卡自主的SLAM算法，室內(nèi)相對(duì)精度小于5cm-10cm，可滿足建筑測量精度的需求。（3）可以達(dá)到一次測量，多種數(shù)據(jù)信息獲取。可以同時(shí)獲取點(diǎn)云與360°影像數(shù)據(jù)，另外可以搭配多種傳感器，例如近紅外、大氣污染檢測、探地雷達(dá)等，滿足不同項(xiàng)目的應(yīng)用。（4）支持ArcGIS和AutoCAD兩個(gè)平臺(tái)，可以為使用者提供不同格式的數(shù)據(jù)成果使用。

4 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家的各項(xiàng)工程建設(shè)進(jìn)度和質(zhì)量穩(wěn)步提升，傳統(tǒng)測量儀器已無法滿足現(xiàn)代工程測量的需要，取而代之的是具有高科技含量的現(xiàn)代測量技術(shù)和儀器。這些儀器一方面提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另一方面從技術(shù)上改變了傳統(tǒng)的測量方式，使測量變得更加輕松便捷。新型高精度測量儀器是伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而產(chǎn)生的，其結(jié)合信息化、科技化及數(shù)字化的程度較高，在工程實(shí)際應(yīng)用中較傳統(tǒng)測量儀器具有諸多優(yōu)勢。相信諸多新型高精度測量儀器會(huì)伴隨著科技的發(fā)展進(jìn)步得到更大程度的開發(fā)、利用，必將更好的服務(wù)于工程測量的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]周英英.高精度測量儀器對(duì)工程測量的影響研究[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2013，（5）：476.