公路工程測(cè)量工作的重要性

李國(guó)臣

(北安市公路站，黑龍江 黑河 164000)

1 公路工程測(cè)量不同階段的工作

初步設(shè)計(jì)階段的測(cè)量工作：初步設(shè)計(jì)根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)任務(wù)書和初測(cè)資料編制，擬定建設(shè)原則，選定設(shè)計(jì)方案，計(jì)算主要工程數(shù)量，提出施工方案意見，編制設(shè)計(jì)概算，提供方案說明及圖表資料，初測(cè)階段為初設(shè)提供平面、高程控制、地形圖、特殊地段的控制樁及縱、橫斷面資料。初步設(shè)計(jì)比選方案一般在地形圖上做多個(gè)比選方案，紙上布線后，對(duì)各方案進(jìn)行地形圖測(cè)量，在地形圖上進(jìn)行紙上定線，布置橋涵、通道、隧道等，實(shí)地調(diào)查計(jì)算工程數(shù)量，編制概算文件，特殊復(fù)雜困難地段，為加深勘探調(diào)查及分析比例，實(shí)地放樁，進(jìn)行平、縱、橫測(cè)量。

施工圖設(shè)計(jì)階段的測(cè)量工作：施工圖設(shè)計(jì)根據(jù)批準(zhǔn)的初步設(shè)計(jì)文件，在圖上進(jìn)行方案比選，確定路線方案，進(jìn)行施工圖詳測(cè)。

2 控制測(cè)量的目的、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、建立方法、獨(dú)立高等控制網(wǎng)的建設(shè)方法

(1)控制測(cè)量的目的：控制測(cè)量一般是指在公路工程建設(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)圖和各種測(cè)量放樣打好基礎(chǔ)?？刂茰y(cè)量是一切后續(xù)測(cè)量工作的基礎(chǔ)，沒有控制測(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)量工件聯(lián)系起來，即起骨架作用，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。

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。

(2)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇：坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇是我們經(jīng)常碰到，也是一些作業(yè)人員難以理解的問題。

①大地水準(zhǔn)面、參考橢球、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)公式來表達(dá)的曲面，因此，不能在這個(gè)曲面上來解算測(cè)量學(xué)中所產(chǎn)生的幾何問題，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。

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，面且能用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)式表示的體形來代替大地體。

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。

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，為了坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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。

(3)控制網(wǎng)建立方法：采用先四等控制，后一級(jí)導(dǎo)線公路為線狀物，四等控制普遍采用GPS測(cè)量，它的特點(diǎn)是：①定位精度高②觀測(cè)時(shí)間短③測(cè)站間無需通視④可提供三維坐標(biāo)⑤操作簡(jiǎn)便⑥全天候作業(yè)。

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)的原理解算的絕對(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)，其基線解算可達(dá)10～6精度，然后通過點(diǎn)或邊連接，聯(lián)測(cè)到已知高等控點(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5 km左右一對(duì)為宜，5 km一對(duì)是為便于一級(jí)導(dǎo)線加密時(shí)附合到已知邊上，為便于設(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。高程：采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行四等高程施測(cè)，也可采用嚴(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)。

(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，以便施工過程中保持線路的連續(xù)性，控制平差采用獨(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。

3 地形圖的航空攝影測(cè)量方法

根據(jù)公路工程的特點(diǎn)，長(zhǎng)線路普遍采用航空攝影的方法，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)，叫做航空攝影測(cè)量。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)。航攝比例尺：航攝比例尺分母不能大于成圖比例尺的4倍。

4 數(shù)字地面模型

(1)數(shù)字地面模型在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：數(shù)字地形模型是一個(gè)數(shù)字模擬的過程，用于模擬地形的大量的采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)是按照一定的精度要求進(jìn)行采集的，這時(shí)，地形表面被一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來進(jìn)行表達(dá)。如果需要該數(shù)字模型表面上其它位置處的屬性信息，可以利用一種內(nèi)插方法來處理該組采集的地面數(shù)據(jù)，利用內(nèi)插的方法，就可以根據(jù)DTM得到任何位置處的地面屬性值。根據(jù)目前數(shù)字地面模型的精度，可用于公路初步設(shè)計(jì)。

(2)數(shù)字地面模型的原理：DEM是地形表面的一個(gè)數(shù)學(xué)或數(shù)字模型，根據(jù)不同數(shù)據(jù)采集的不同方式，DEM可能使用一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來對(duì)地表進(jìn)行表示。這樣的數(shù)學(xué)函數(shù)通常被認(rèn)為是內(nèi)插函數(shù)，對(duì)地形表面進(jìn)行表達(dá)的各種處理可稱為表面重建或表面建模。地形表面重建實(shí)際上就是DEM表面重建或DEM表面生成。當(dāng)DEM表面建模后，模型上任一點(diǎn)的高程信息就可以從DEM表面上獲得。

(3)建立DEM表面模型的各種方法 數(shù)字表面建模的各種方法

①基于點(diǎn)的表面建模：如果只使用多項(xiàng)式的零次項(xiàng)來建立DEM表面，則對(duì)每一數(shù)據(jù)點(diǎn)都可建立一水平面，假設(shè)使用單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)建立的平面表示此點(diǎn)周圍的一小塊區(qū)域，則整個(gè)DEM表面可由一系列相鄰的不連續(xù)表面構(gòu)成。由于其所建立表面的不連續(xù)性，因此并不是一種真正實(shí)用的方法。

②基于三角形的表面建模：分析多項(xiàng)式的前三項(xiàng)(兩個(gè)一次項(xiàng)和一個(gè)零次項(xiàng))，可以發(fā)現(xiàn)它們能生成一平面，最少需要三個(gè)點(diǎn)生成一平面三角形，從而此三角形決定了一個(gè)傾斜的表面，由于三角形在形狀和大小方面有很大的靈活性，所以這種建模方法也能容易地融合斷裂線、地形特征線或其他任何數(shù)據(jù)，它已成為表面建模的主要方法之一。

③基于格網(wǎng)的建模：如果通用多項(xiàng)式中的前三項(xiàng)與a3xy項(xiàng)一起使用，則至少需要4個(gè)點(diǎn)以確定一個(gè)表面，這種表面稱為雙線性表面。正方形格網(wǎng)為最佳的選擇，在基于格網(wǎng)建模的情況下，最終表面將包含一系列銜接的雙線性表面。應(yīng)當(dāng)指出，高項(xiàng)多項(xiàng)式也可用于建立DEM，但它的一個(gè)主要問題是如果對(duì)范圍較大的區(qū)域使用高次多項(xiàng)函數(shù)則可導(dǎo)致DEM表面出現(xiàn)無法預(yù)料的抖動(dòng)，為減少這種情況的發(fā)生，在實(shí)際應(yīng)用中通常只使用二次或三次項(xiàng)。

④混合表面的建模：對(duì)格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來說，可將其分解為三角形網(wǎng)絡(luò)，以形成一線性的連續(xù)表面；反之，對(duì)不規(guī)三角網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插處理，也可形成格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

(4)建模方法的選擇：前面提到了四種主要建模方法，分別對(duì)應(yīng)于某一特點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于基于點(diǎn)的建模并不適用而混合表面往往也轉(zhuǎn)換為三角形網(wǎng)絡(luò)，因此基于三角形和格網(wǎng)的建模方法使用較多，被認(rèn)為是兩種基本建模方法。

實(shí)際上，從建立數(shù)字地面模型表面時(shí)的數(shù)據(jù)來源而言，上述建模方法可分為兩種類型，即根據(jù)高程量測(cè)數(shù)據(jù)直接建立和根據(jù)派生數(shù)據(jù)間接建立，而根據(jù)派生數(shù)據(jù)間接建產(chǎn)DEM表面的方法是首先根據(jù)原始量測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)插高程點(diǎn)，然后建立DEM表面。

總之，公路工程測(cè)量工作發(fā)展到現(xiàn)在，讓我們見識(shí)到了從大量人工操作到現(xiàn)在的建模、網(wǎng)絡(luò)的階段，人工操作被智能科技代替，并且做到了精確性越來越高，時(shí)代在發(fā)展，各種施工的設(shè)計(jì)、施工工藝也越來發(fā)展越快，要求工程技術(shù)人員的各種專業(yè)理念越來越先進(jìn)。