GPS 技術在鐵路工程測量中的應用探討

白 帆

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

鐵路工程測量工作的開展一直都是鐵路工程設計施工的重難點，通過GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）技術能夠快速完成鐵路工程測量工作，有效的保證測量數(shù)據的精準性。

1 GPS 技術概述

GPS 技術也就是全球定位系統(tǒng)，一個典型的GPS系統(tǒng)分為空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶接收部分?？臻g部分由24 顆GPS 工作衛(wèi)星組成，其中3 顆為備用衛(wèi)星，分布在6 個傾角為55°，約為20200 km 高的軌道上繞地球運行，每顆衛(wèi)星都會發(fā)射用于導航定位的信號。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4 顆衛(wèi)星。地面監(jiān)控部分分為主控站、監(jiān)控站和注入站，主要功能是計算衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，進行衛(wèi)星調度與參數(shù)注入工作等。用戶接收部分指一切具備GPS 信號接收能力的終端機，可以依據所觀測信號計算得到自己某時刻所處的空間三維位置，且無須經過授意也無須就接受GPS 信號付費。將GPS 技術應用到鐵路工程測量中不僅能夠使得鐵路工程測量工作開展得更加方便順利，而且測量數(shù)據也極其精準可靠，其以鐵路某一坐標位置為終端，測量人員便能夠以終端位置為核心實現(xiàn)對目標區(qū)域距離以及地質情況的測量，從而以此來達到鐵路工程測量的目的。

2 GPS 技術中的圖像處理及測量數(shù)字化

2.1 遙感圖像處理

鐵路工程的測量需要涉及許多較為先進的技術，其中最具代表性的便是GPS 技術、遙感技術以及土地測繪技術等。通過這些技術的相互配合來對測量目標區(qū)域的所有相關圖像等數(shù)據進行收集分析，而后再根據圖像的生成情況進行幾何精校正、配準，最后便能夠達到實現(xiàn)鐵路工程測量的目的。

2.1.1 多波段彩色合成

在進行鐵路工程測量的時候需要根據地面的不同情況來采取不同的顏色進行區(qū)域的標識。根據GPS 技術和遙感技術對目標地域進行探查，能夠將其綠色植被覆蓋地區(qū)、水環(huán)境區(qū)域、城市區(qū)域以及農田區(qū)域等全部分析清楚，而后在鐵路工程測量的時候，利用圖像處理技術中的多波段彩色合成功能來將不同的區(qū)域波段按照紅、綠、藍等顏色來進行標明，這樣測量人員便能夠根據鐵路工程測量數(shù)據結果的顏色劃分便能夠初步了解到目標區(qū)域的大致分布內容。除了根據地區(qū)內容進行鐵路工程測量內容多波段彩色合成以外，還能夠根據地面土壤的性質來進行彩色合成，例如如若是正常區(qū)域的話則在鐵路工程測量內容中標識為白色，而如若是鹽堿地的話則能夠標識為紅色，這樣便能夠通過GPS 技術應用來輔助相關單位進行鐵路工程測量工作時開展得更加順利。GPS 技術應用架構如圖1 所示。

圖1 GPS 技術應用架構

2.1.2 圖像增強

在鐵路工程測量中還能夠通過圖像處理技術來對地圖中部分地物進行增強，一般情況下在測量鐵路工程過程中使用圖像處理技術進行圖像增強的話，只需要對其進行灰度拉伸和直方圖均衡化處理即可，其他的因素所能夠造成的影響則是具有較大局限性的。GPS 技術能夠將目標范圍內的所有地物全部精準地體現(xiàn)到地圖之中，而其中一些較為重要的地物則能夠直接體現(xiàn)GPS 地圖的整體質感，相比于其他較為簡單的廣泛地帶，這些突出地物要進行進一步的增強處理，這樣才能夠更好地提升GPS 地圖中重要地物的清晰度和精準度，使得測量人員在進行鐵路工程測量的時候能夠根據地物標志來快速地對目標位置進行辨別，進一步提升鐵路工程測量的整體效率。

2.2 地圖數(shù)字化

基于GPS 技術的鐵路工程測量還需要實現(xiàn)測量數(shù)據的數(shù)字化轉變，通過利用GPS 技術和遙感技術將鐵路工程測量的目標區(qū)域進行探測之后，所有的測量數(shù)據都應當進行數(shù)字化的轉變處理，將水渠、道路等非自然因素全部進行數(shù)字化轉換，而后根據鐵路工程測量需求情況來建立對應的數(shù)據庫，使得數(shù)據庫能夠和GPS 測量圖像的展示結合到一起，這樣在進行鐵路工程測量時只需要對數(shù)據庫內的相關數(shù)據進行更改便能夠實現(xiàn)圖像的變化，從而以此來進一步提升鐵路工程測量結果的精準度和可靠性。

2.2.1 原圖清繪、掃描

鐵路工程的測量不僅需要將實際地面特征全部有效地體現(xiàn)到GPS 地圖中去，而且還需要將地形圖和規(guī)模圖結合到一起，并利用GPS 技術實現(xiàn)所有要素的數(shù)字化處理。而在對其進行數(shù)字化處理的時候，首先需要將所有圖像特征全部清繪到地圖用紙中，然后還需要將清繪后的圖紙按照360DPI 分辨率、1∶1 比例來進行黑白二值掃描，這樣能夠使得清繪圖紙形成柵格圖像文件，從而以此來達到對底圖進行保存的目的。清繪過的圖紙在進行掃描后便能夠將其作為數(shù)字化處理的工作底圖，來實現(xiàn)對鐵路工程測量內容的數(shù)字化處理。

2.2.2 柵格圖像矢量化

在對原圖進行清繪、掃描之后便能夠形成柵格圖像文件。而針對柵格圖像文件，還需要對其進行矢量化處理，一般情況下柵格圖像矢量化處理都是通過采取人機交互的方式來進行實現(xiàn)的，這主要是因為采取人機交互的方式雖然有可能無法保證柵格圖像矢量化的效率，但是卻可以根據具體情況來及時對出現(xiàn)的各種錯誤進行修改，確保柵格圖像最終的矢量化質量。在進行柵格圖像矢量化的時候還需要將不同的地理元素來進行分層處理，并且鐵路工程測量人員還需要對地圖內各種元素進行幾何參數(shù)的定義，通過應用線型、顏色等標識來代表各種元素，以促進鐵路工程測量工作更加順利地進行。

2.2.3 建立拓撲關系

柵格圖像的矢量化處理還離不開拓撲關系的建立，首先在收集到目標土地區(qū)域內的河流、道路等非自然元素數(shù)據之后，需要將原始數(shù)據進行保存和復制，使用復制的線數(shù)據來為拓撲關系的建立打下基礎，這樣即使出現(xiàn)問題也能夠保證原始數(shù)據的安全性，從而達到避免數(shù)據丟失的目的。但是線數(shù)據存在線相交等問題，不能夠直接在拓撲關系連接中進行應用，因此還需要根據提取的數(shù)據來生成弧段文件，將原始數(shù)據所復制的線數(shù)據轉換為弧段數(shù)據，這樣便能夠更好地應用到拓撲建立過程中。最后則是需要將所有的弧段數(shù)據文件進行載入，確?；《螖?shù)據文件之間能夠緊密地連接到一起，從而以此來達到建立拓撲關系、形成區(qū)域間空間關系的目的。

2.3 遙感圖像幾何精校正

在鐵路工程測量過程中還需要對遙感圖像進行幾何精校正，首先對地面校正控制點進行采集，根據地圖的大小來決定控制點的采集數(shù)量，并確?？刂泣c全部處于均勻分布狀態(tài)，而后在對控制點的坐標值進行明確，形成控制點文件，最后將控制點文件載入圖像配準校正模塊中便能夠實現(xiàn)遙感圖像幾何精校正的目的，從而測量形成更加精準的數(shù)據內容。

3 GPS 技術在鐵路工程測量中的具體應用

3.1 識別地物

GPS 技術能夠在鐵路工程測量中起到識別地物的重要應用，測量單位在開展鐵路工程測量工作中進行地物尋找、識別的時候便能夠充分應用GPS 技術，提高地物識別工作的開展質量和效率，通過GPS 技術將戈壁、流動沙丘等特殊的地形全部能夠直觀地展現(xiàn)出來。此外，鐵路工程測量系統(tǒng)中圖像與數(shù)據庫結合的特點也使得其具有更多的功能，有利于促進鐵路工程建設工作更加順利地開展。

3.2 圖面量算

依據GPS 技術進行的鐵路工程測量數(shù)據精準性比較高，通過GPS 技術能夠針對鐵路工程實現(xiàn)地域情況進行比例縮小而后測量成樣圖，不僅將大多數(shù)標志性地形地物全部標明出來，而且還能夠通過測量系統(tǒng)后臺的數(shù)據庫將有關信息一同進行存儲。因此測量人員在進行鐵路工程圖面量核算工作的時候便能夠直接利用GPS 技術進行開展，不管是計算某片區(qū)域的面積，還是對目標地理位置的坐標、距離等進行測算，都能夠利用GPS 技術來實現(xiàn)。測量人員只需要根據圖面量計算需求將鐵路工程測量范圍內的相關目標進行測量即可，例如在進行某區(qū)域范圍面積計算的時候，測量人員只需要通過GPS 系統(tǒng)對圖示上的目標范圍面積進行測量計算，而后再通過特定的比例來將所計算出來的數(shù)值進行放大，便能夠得到實際區(qū)域的面積大小，這樣既夠確保圖面量算的精準度，還能夠大幅度地提升其測量效率。

3.3 輔助規(guī)劃設計

GPS 技術在鐵路工程規(guī)劃設計方面也能夠起到較為重要的應用作用，鐵路工程規(guī)劃設計部門在對目標施工區(qū)域進行規(guī)劃設計的時候，通過應用GPS 技術能夠更加快速地掌握該地區(qū)的地形地勢特征，從而為鐵路工程規(guī)劃設計工作的開展奠定下良好堅實的基礎。利用GPS 系統(tǒng)能夠為設計人員提供全面、精準的目標區(qū)域地形、地勢、地貌等相關信息，而且測量人員還可以在鐵路工程測量中對鐵路工程進行模擬規(guī)劃設計，以此來查看測量方案實施效果，既能夠保證鐵路工程測量數(shù)據的精準性和可靠性，又能夠減少測量過程中所需消耗的時間及成本。

3.4 BIM 技術的應用

BIM 技術是鐵路工程測量中應用最為普遍的一種信息技術，在鐵路工程測量前，測量人員能夠根據BIM技術對使用GPS 系統(tǒng)進行鐵路工程測量的情況進行模擬，及時發(fā)現(xiàn)使用GPS 系統(tǒng)進行鐵路工程測量過程中可能會出現(xiàn)的各種問題，并針對這些問題進行研究給出相應的解決對策。而且即使在鐵路工程測量中出現(xiàn)未曾遇到過的問題時便能夠根據BIM 技術對解決方案進行模擬，以此來判斷解決效果。

4 結束語

鐵路工程測量是一項較為龐大的工程，通過GPS技術的應用能夠有效實現(xiàn)鐵路工程測量的目的，降低人為因素、環(huán)境因素等對鐵路工程測量造成的影響，提高鐵路工程測量數(shù)據的精準性和可靠性，在保證鐵路工程測量質量的同時提升其測量效率，為鐵路工程設計提供數(shù)據支持。而且GPS 技術的應用還能夠不斷優(yōu)化鐵路工程的設計結構，進一步延長鐵路工程的使用壽命，推動鐵路工程相關行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。