多種測量技術(shù)在新建高速公路施工圖設(shè)計測量中的應(yīng)用

謝勇

摘 要：隨著時代的發(fā)展，測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，單一的測量方法已不能滿足高速發(fā)展的測繪技術(shù)形勢了。以RTK技術(shù)、航空攝影測量等為代表的現(xiàn)代測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于公路工程測量中，其精度高、時間短、操作方便和經(jīng)濟效益可觀等被工程勘察界所認(rèn)可，但是，單一的測量方法幾乎不能滿足整個工程的應(yīng)用。所以，多種測量技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于公路施工圖設(shè)計測量中，是一種行之有效的方法，并得到廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：多種測量技術(shù)相結(jié)合;施工圖設(shè)計測量;全站儀;RTK;航空攝影測量

中圖分類號： U41? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

測量是公路工程建設(shè)中的一項基礎(chǔ)性工作，也是一項至關(guān)重要的工作，測量的成果為公路設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。在這里，筆者以在高原地區(qū)新建一條沿江高速公路的施工圖設(shè)計階段為例，探索多種測量技術(shù)相結(jié)合的可行性和必要性。

1 資料收集與準(zhǔn)備工作

首先，施工圖設(shè)計測量主要包含中線放樣和橫斷面測量2個方面，測量之前需要收集初步設(shè)計階段的成果資料和設(shè)計部門提供的設(shè)計線路。初步設(shè)計階段的成果資料包括控制點、航測地形圖和點云數(shù)據(jù)等;設(shè)計資料包括直曲表、逐樁坐標(biāo)表和用地圖等。在測量之前需對控制點的平面和高程進(jìn)行復(fù)測，當(dāng)復(fù)測成果與初步設(shè)計成果比較，若兩次成果較差符合限差要求，且控制點分布滿足施工圖設(shè)計線路的要求，則利用初步測量成果，否則，應(yīng)對整個控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測或重測，并重新平差計算。另外，還需比較初步設(shè)計線路與施工圖設(shè)計線路，如果施工圖設(shè)計中橋隧變更加長了，則需補設(shè)控制點，提升控制點等級。

2 中線放樣與斷面測量的可行方法

2.1 RTK技術(shù)基本原理與特點

RTK測量系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和GPS接收機設(shè)備3個部分構(gòu)成。其基本原理就是設(shè)置一臺GPS接收機作為基準(zhǔn)站，在一定范圍內(nèi)收集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，借助無線電傳輸設(shè)備，將數(shù)據(jù)實時傳送到GPS移動站上，并通過相對定位原理，對2種信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從計算出移動站GPS的三維坐標(biāo)和精度，動態(tài)定位的精度能控制在1 cm～2 cm，完全滿足設(shè)計需要。

對于公路橫斷面測量，水平和高程精度直接影響土石方量數(shù)據(jù)，而土石方量又是施工中的重要基礎(chǔ)之一。傳統(tǒng)的橫斷面測量工序繁瑣，精度較差，主要方法包括花桿皮尺法和水準(zhǔn)儀皮尺法，這2種方法都適應(yīng)性極差。而作為新型測量的代表，RTK技術(shù)使用的儀器體積和重量都小，攜帶方便，操作簡單，能有效地降低工作人員的工作強度，提高工作質(zhì)量和效率;并且RTK技術(shù)能全天性作業(yè)，具有較好的適應(yīng)能力，所測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度較高，通過三維建模，給設(shè)計人員提供更加直觀和有效的數(shù)據(jù)支撐[1]。所以RTK技術(shù)是施工圖設(shè)計測量中首選的方法。但是，也有極少數(shù)情況，RTK技術(shù)適應(yīng)性欠佳，例如植被過于茂密，遮擋物覆蓋，GPS接收機無法準(zhǔn)備定位精度;懸崖陡壁或者條件極差的地方，人員無法到達(dá)，此時RTK技術(shù)也無法進(jìn)行。

2.2 全站儀測量

全站儀是一種電子、機械及光學(xué)器械構(gòu)成的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、斜距、平距和高差測量等功能于一體的測繪儀器。免棱鏡全站儀測量最明顯的特征就是可以測量射程內(nèi)通視的地物，不受信號影響，無需人員到達(dá)地物現(xiàn)場，所以在高原地區(qū)對于一些陡崖、陡坡，人員無法到達(dá)的地方，全站儀測量能起到很好的輔助配合作用。

2.3 點云數(shù)據(jù)的利用

在現(xiàn)代公路設(shè)計測量中，一般都是帶狀大面積地形測圖，為了節(jié)省時間，提高效率和精度，直觀形象，常常會使用機載航空測量和車載雷達(dá)測量獲得點云融合數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)計人員需要的與現(xiàn)實地形地貌匹配度非常高的三維模型。

點云數(shù)據(jù)一般會在初步設(shè)計階段就形成成果資料提供給設(shè)計人員和業(yè)主，在施工圖設(shè)計階段，設(shè)計人員充分利用點云數(shù)據(jù)，參考初步設(shè)計線路，設(shè)計最終線路。在這個階段，常常會綜合考慮各方面因素，完善和調(diào)整設(shè)計線路，從而需要補測局部地形圖，可以選擇小型無人機進(jìn)行測量，帶像控點較免像控點測量精度要高些。但是，目前獲得的點云數(shù)據(jù)成果精度不是很高，往往會出現(xiàn)在過濾植被、地表覆蓋層等方面出現(xiàn)問題。所以我們常常會將中線放樣和橫斷面測量中實際測量的碎部點與點云數(shù)據(jù)對比，獲得一個樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)吻合度高，則可以利用點云數(shù)據(jù)，反之則不能利用點云數(shù)據(jù)，直接使用人工測量數(shù)據(jù)。對于設(shè)計來說，在點云數(shù)據(jù)樣本中，誤差在20 cm之內(nèi)的點云數(shù)據(jù)幾乎都是可用的，可以將人工測量數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)融合，得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);但是也有誤差幾米甚至更大的數(shù)據(jù)，對于誤差較大的數(shù)據(jù)，則需將人工測量數(shù)據(jù)替換點云數(shù)據(jù)，這樣也可以減少測量人員很多工作，最終得到吻合度很高的三維模型。

2.4 水下測量

水下測量是一種特殊的測量方法，因為肉眼無法觀測，人員無法到達(dá)，必須借助專門的儀器才能測量。設(shè)計一條高速公路，會經(jīng)常遇到很多穿洞架橋的情況，遇到水體時，就需要測量水下地形，獲得縱地面線、邊線和橫斷面，可選擇回聲測深儀進(jìn)行測量?；芈暅y深儀的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物而反射回?fù)Q能器時，根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離。聲波在水中的傳播速度，隨水體的溫度、鹽度和水中壓強而變化，這些物理量越大，聲速也越大。常溫時水體的聲速的典型值為1 500 m/s左右。所以在使用回聲測深儀之前，應(yīng)對儀器進(jìn)行率定，計算值要加以校正。

3 多種技術(shù)相結(jié)合在高速公路設(shè)計測量中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某沿江高速公路路線全長為451 km，總投資826億，是國家戰(zhàn)略“一帶一路”的重大項目，是“長江經(jīng)濟帶”的重大支撐項目，是服務(wù)烏蒙山區(qū)、大小涼山彝族聚居區(qū)經(jīng)濟開發(fā)、脫貧致富奔小康的重要民生工程，是中國高速史上又一個超級工程。路線為東西走向，沿線絕大多數(shù)地段處于沿江高原地區(qū)，具有地形復(fù)雜，植被茂盛，通視困難，環(huán)境惡劣，工期較短等特點。在施工圖設(shè)計階段，如果采用單一的測量技術(shù)，是不可能完成整個項目的測量任務(wù)的，需采用多種技術(shù)相結(jié)合，配合使用，得到最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果。

3.2 工程技術(shù)要求

整個測量階段都必須嚴(yán)格按照《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）和《公路工程測量規(guī)范》（GB 526—2007）來開展工作，測量時需使用經(jīng)檢定且都在有效期之內(nèi)的儀器。定線放樣之前需收集初設(shè)時的控制點、航測地形圖和點云數(shù)據(jù)，并對控制點的平面和高程都進(jìn)行復(fù)測，控制點點位平面相對誤差小于1/10000，高程較差不超過30 mm（L為路線長度，單位km）?？刂泣c無誤后才可以進(jìn)行定線放樣，定線放樣的相對中誤差不大于1/5000，中樁放樣時路基直線段一般按照20 m/樁，曲線半徑為30 m～60 m，或緩和曲線長度為30 m～50 m，或互通處需加密成10 m/樁，曲線半徑小于30 m，隧道口需加密成5 m/樁，并測量洞口大比例尺地形圖，在地形變化較大的地方，特殊地應(yīng)加密中樁，加樁的位置和數(shù)量必須滿足路線、構(gòu)造物、沿線設(shè)施等專業(yè)勘測調(diào)查的需要。中樁樁位測量平面誤差，應(yīng)滿足表1的規(guī)定，高程誤差，應(yīng)滿足表2的規(guī)定，測站變化時，應(yīng)檢核1～2個上次測站的中樁數(shù)據(jù)。

每放樣一個中樁，需對應(yīng)測量其橫斷面，橫斷面寬度要大于用地線邊界，橫斷面測量的距離和高差應(yīng)讀至0.1 m，檢測互差限差應(yīng)滿足表3 的規(guī)定。

3.3 多技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行中樁放樣和橫斷面測量

目前，在整個中樁放樣和橫斷面測量工作中，我們主要使用的儀器為合眾思壯G990GPS接收機，根據(jù)設(shè)計提供的線路直曲表制作*.RP文件，導(dǎo)入儀器手簿中，并檢查RP文件正確與否，主要包括交點坐標(biāo)、緩和曲線長度和半徑等，RP文件見表4。

準(zhǔn)備工作做好后，開始外業(yè)定線放樣工作。先架設(shè)GPS基站，根據(jù)控制點的平面坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)，獲得全線的一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)校正，再到測區(qū)附近選取一個控制點進(jìn)行單點校正，即得到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)，然后，可以再放樣另外一個控制點，以檢查坐標(biāo)轉(zhuǎn)換校正操作的正確性。校正做好后正式開始中樁放樣、橫斷面測量和其他測量。

中樁放樣和橫斷面測量可以同步進(jìn)行，也可以先后進(jìn)行。隧道和橋梁設(shè)計一般是線路的控制性工作，中樁放樣和橫斷面測量可以以同步進(jìn)行為主，路基會隨橋隧變化而變化，所以可以先放中樁，橫斷面先用點云數(shù)據(jù)，待線路基本穩(wěn)定后，再實測橫斷面。中樁放樣和橫斷面測量分工協(xié)作，一人負(fù)責(zé)中樁放樣，兩人負(fù)責(zé)橫斷面測量，中樁放樣選擇“線路施工放樣”，根據(jù)設(shè)計需求和地形變化逐一放樣，橫斷面測量則選擇“測橫斷面”，根據(jù)實放中樁，逐一測量橫斷面，橫斷面寬度以設(shè)計要求為主。

GPS RTK技術(shù)是首選技術(shù)，具有精度高、效率快等特點，可以完成線路中樁放樣和橫斷面測量工作的80%以上，但是也有少數(shù)情況，RTK技術(shù)是無法完成。例如隧道連接橋梁的時候，會經(jīng)常遇到陡崖、陡坎、水域的情況，此時靠人工拿著RTK去測量，幾乎是不可能的，這時，我們就需要借助免棱鏡全站儀進(jìn)行中樁放樣了。全站儀中樁放樣常用的是坐標(biāo)法，即將全站儀架設(shè)在一個已知點上，后視定向后，輸入（或?qū)耄┰O(shè)計提供的待放樣的坐標(biāo)，逐一放樣，而橫斷面數(shù)據(jù)，則可以先使用點云數(shù)據(jù)，或者測繪隧道口1∶500地形圖，在地形圖上切取斷面。

除此以外，還有極少數(shù)情況，人員無法到達(dá)，全轉(zhuǎn)儀架站也無法看到，這就需要借助初設(shè)階段的點云數(shù)據(jù)，在使用點云數(shù)據(jù)之前，要對其準(zhǔn)確度有個評估，不是所有的點云數(shù)據(jù)都是很準(zhǔn)的。評估的方法做一個樣本比對，即使用前面2種方法實測的碎部點與對應(yīng)坐標(biāo)下的點云數(shù)據(jù)對比，如果誤差在20 cm之內(nèi)的點云數(shù)據(jù)超過了80%，證明樣本數(shù)據(jù)的可用度還是很高的，隧道口的橫斷面就可以暫用點云數(shù)據(jù)提取，如果可用度不高，甚至在隧道口的點云數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，那就需要進(jìn)行局部地形重新測量，這里我們首選大疆無人機測量。為了提高無人機測量成果的精度，我們可以選擇在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)像控點，布設(shè)像控點的原則是控制測區(qū)范圍內(nèi)平面和高程精度。外業(yè)飛行時，需要注意操控手的位置、飛行行高的設(shè)置，航線的優(yōu)化、飛行時間的控制、像素的選擇等因素。內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)時，需使用Pix4dmapper軟件處理正射影像，使用Globalmapper軟件進(jìn)行影像分塊，使用QTR軟件獲取點云的三維坐標(biāo)。處理正射影像時，需注意坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇，像控點刺點的準(zhǔn)確度，影像分塊是為方便數(shù)字線化圖，獲取點云三維坐標(biāo)，是與實測的坐標(biāo)對比，以檢查外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作的準(zhǔn)確性[2]。

以上4種方法可以完成陸域條件下的中樁放樣和橫斷面測量工作，當(dāng)遇到水域架橋或者地勘分析時，這些方法則無法完成，我們需要使用回聲測深儀進(jìn)行水下測量，即使用GPS和測深儀配合使用，GPS定位，測深儀測深，從而獲取水下地形地貌。測量之前可將設(shè)計線路和橫斷面線以DXF的格式導(dǎo)入GPS手簿中，測量時指揮船工行駛，以獲取中樁和橫斷面數(shù)據(jù)。

通過探索，以上5種技術(shù)相融合幾乎可以完成整條高速公路施工圖階段的測量工作，也能很好地控制測量精度，為設(shè)計人員準(zhǔn)確計算土石方量、優(yōu)化線路提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

3.4 測量時應(yīng)注意的問題

以上多種技術(shù)相結(jié)合，需要注意以下問題：GPS測量時，一定要注意坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的使用，桿高的輸入，檢查點的測量;全站儀測量時，要注意后視定向、坐標(biāo)輸入和儀器的穩(wěn)定性;點云數(shù)據(jù)的使用時，要做一個樣本分析，以確定點云是否能使用;無人機測量時，要合理布設(shè)像控點，內(nèi)業(yè)處理要合理利用不同的軟件，正確選擇坐標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)字線化圖要盡可能準(zhǔn)確，要有檢查點比對，成果出來后要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)繪等;水下測量時，要注意GPS與測深儀聯(lián)機、吃水改正、測程設(shè)置和聲數(shù)控制等。

4 結(jié)語

綜上所述，該文對多種測量技術(shù)相結(jié)合在新建高速公路施工圖設(shè)計階段測量中的應(yīng)用進(jìn)行探究，使用了RTK、全站儀、無人機測量和水下測量等多種技術(shù)，并對這些技術(shù)的原理和特點以及優(yōu)勢和不足進(jìn)行了簡單的分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體公路測量工程，探討了多種技術(shù)相結(jié)合的具體應(yīng)用，為設(shè)計提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊明，石小偉，葛浩然.無人機空地一體三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用研究[J].測繪通報，2020（3）：94.