探討公路工程測量中3S 測量技術的應用

吳興禮

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

為了確定道路建設地區最有利的方向，需要提前檢查路線，根據測量結果和地形圖數據選擇準確的路線，待路線規劃確定后，便可進行工程道路的設計和測量。3S 技術包括以下主要組成部分：全球定位衛星系統（global positioning system, GPS），遙感技術（remote sensing, RS），地理信息系統（geographic information system, GIS）。3S 技術憑借數據大、搜索快、準確率高等優勢，已廣泛應用于資源管理、骨干研究、城市規劃等諸多領域[1]。

1 現代測繪新技術

GPS：通過對衛星信號的實時、遠距離接收和計算，可以利用所有物體上的點坐標相對于地球上各點的坐標來查找信息源的位置。

RS：即可直接與人體紅外探測器探測和記錄目標電磁波傳輸的特定測量值和特性變化。其可以通過遙感直接檢測或與記錄的目標進行通信，無須使用人工設備和人員。通過分析紅外遙感影像，可以更好地了解這些遙感物體實際存在的各種基本屬性特征，特別是空間屬性和屬性特征的變化。

GIS：是利用當今先進的計算機軟硬件，全面有效地管理、監測和處理三維空間地理數據能力系統和實時智能監測分析系統，其具有許多重要功能，如模擬計算系統。

3S 技術可以為現代研究和公共管理提供新的研究領域和工具，即RS 和GPS 聯合系統可以及時為GIS 數據提供大量可靠的空間信息和對管理決策有用的信息技術參考[2]。

1.1 RS 與 GPS 的集成

GPS 技術具有強大的定位傳輸功能，能夠直接將與RS 技術相關的定位數據自動向本地GIS 應用系統數據庫進行實時傳輸，并通過保證傳輸兩種定位數據信號的實時協調性，對當地GIS 應用服務數據庫自動進行異常監測。結合RS 數據，相關工程可輕松查詢到與GPS 數據相關的定位服務信息。

1.2 GIS 與 RS 的集成

GIS 與RS 的完美結合有以下特征：GIS 數據信息主要取自RS 數據庫；GIS 實際上是對空間遙感數據信息的復雜處理進行技術支持。兩者結合使用，需要處理與柵格、矢量數據等相關系統的復雜接口問題：遙感系統數據格式基本為柵格格式，存儲數據格式為像素存儲格式；GIS 技術通常顯示為圖形矢量，一般情況下實時空間信息數據以矢量形式存儲，如作為點、線或面圖。兩者的關鍵區別在于圖像、制圖和數據以獨特的三維空間概念形式完成了現實世界信息數據實時視圖的存儲。

1.3 GIS 與 GPS 的集成

GPS 和GIS 之間的有效結合，能夠更加充分地發揮二者的優勢，同時也更能提供出更完善、先進、可靠的系統功能，以保證這兩項先進技術性能均能被提升并應用到更新、更好的平臺上。利用GIS 定位系統，可直接在地圖屏幕上快速呈現出GPS 實時定位數據信息，便于查詢全球漫游數據。

1.4 GIS、GPS 和 RS 的集成

3S 的集成主要有兩種實現方式：①以GPS 和RS 系統為實現中心。②完全以GIS 軟件為集成中心。前者可同時對數據信息實現同步處理。根據各種RS、GPS 相關數據信息，利用各種GIS 的數據庫資源和系統本身所具有的動態分析決策功能，為其他相關專業部門系統的信息動態化管理、決策優化等工作帶來了實際幫助[3]。

2 3S 技術在公路測量中的應用現狀

2.1 GPS 在公路測量中的應用

相較于其他傳統道路測量，GPS 主要具有如下技術優勢：定位高度精準、觀測數據快速、三維坐標、使用簡單方便以及不需要通視器等。由上述特點可知，GPS 在整個公路控制測量工程領域得到了更廣泛有效的商業運用。例如，對國道上重要控制點的信號進行數據加密和存儲、隧道測控；對主要公路和橋梁進行直接監測和測量等。公路路線一般處在一條帶狀走廊內，其平面控制測量往往采用導線形式，包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。對于重要構造物如大橋、特大橋、長大隧道等，可布設成三角網、線形鎖等形式。公路工程的測量主要應用了GPS 的兩大功能：靜態功能和動態功能。靜態功能是通過接收到的衛星信息，確定地面某點的三維坐標；動態功能是通過衛星系統，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。GPS 在公路測量中的應用如圖1所示。

圖1 GPS 在公路測量中的應用

2.2 RS 在公路建設中的應用

隨著空間探測技術的飛速發展，遙感影像所提供的豐富地理信息，為工程地址評價、工程研究、公路設計選線技術等提供了極大的信息幫助，在推進工程測量項目的同時，大大提高了測線選擇的質量，節省了工程測量和工程制圖的成本。在可鉆研的階段工作中，RS 憑借其能提供豐富準確的資料信息和完整可靠翔實的工程數據檔案等多種優勢，可進一步確定出合理有效的施工線路方案，節省地質勘探工程投資。此外，RS 還能提高讓現場設計勘測人員深入了解沿線地下材料埋藏的空間開挖現狀和空間分布規律狀況，為項目施工方案提供合理可靠的條件。RS 監理對象分類流程如圖2 所示。

圖2 RS 監理對象分類流程

2.3 GIS 在公路建設中的應用

當下，人類已經借助計算機GIS 軟件對各種信息資源進行整合，具有強大的實時采集、分析比較以及自動處理查詢等諸多功能，同時在社會資源綜合管理、環境智力開發以及各類政府資源決策研究等相關領域進行了相關實踐，并取得了較好效果。但要想積極促進計算機技術GIS 系統的進一步普及化、社會化，就必須力求在各種工程信息化建設應用領域上廣泛推廣與應用GIS 技術。此外，還借助與某一個平臺、GIS 軟件相關的專業模型，創建與道路工程規劃建設等相匹配的專業模型，為今后各種公路專業勘測、設計施工以及養護施工作業等實際操作提供便利。

從現實應用開發前景分析，GIS 技術能夠提供以下3 種功能：

（1）對于與現代公路網絡建設有關聯的公路幾何、屬性圖等相關數據及時予以集成分析。

（2）利用數據轉換、處理分析等各種相關服務功能，實時調整轉換數據的最大比例尺面積和實際投影面，為實際公路網絡化建設決策挑選出最適合的設計方案，并以此為線路的優化設計、施工決策等活動提供必要的依據。

（3）利用GIS 數據本身具備的大量資料統計、數據分析等功能，能夠更好地幫助公司做好公路房屋拆遷處理等服務工作。

在公路測量工程中，GIS 逐步應用于國內公路基礎建設各行業，切實保證了公路數據工作的全面規范化，改善了道路建設的整體效率[4]。BIM+GIS 模擬公路三維場景如圖3 所示。

圖3 BIM+GIS 模擬公路三維場景

3 3S 技術在公路測量應用中存在的主要問題

在平面控制測量與空間測量等研究領域，GPS方法已充分且成功有效地應用于過程較為復雜的系統，但同時也逐步暴露出其他問題。①坐標選擇系統。GPS 定位通常根據實際需要選擇WGS-84 大地坐標系，但實際上中國國家觀測點較多，大地坐標系只有兩種，且這兩種坐標系之間的數值可以獨立轉換，用戶可以直接或使用專業的計算軟件進行數值轉換計算。②投影面的問題。一些城市設計開發公司和城市建設部門有可能長期面臨類似的問題。根據國家民用公路全球動態導航及定位決策輔助設備系統技術規范準則（GPS）標準（JTJ/T 066-98）而制定出的相關數據規范：當系統采用WGS-84 大地坐標系和平面直角坐標系之間的坐標數據進行坐標轉換并校正偏移時，在測區范圍內產生的投影和長度變形的修正幅值偏差應由自動系統控制偏差范圍，一般在正負各2.5 cm/km 范圍以內。結合待測目標地區實際或自身所在環境區域的自然地理位置、高程及其變化程度等[5]，或者根據實際按如下標準選取的方法來分別確定自身所在相應環境區域內的基準坐標系統。

（1）當縱向應變值小于等于2.5 cm/km 時，可以直接選擇高斯投影3°坐標系（有平面直角）。

（2）當長度變形值超過2.5 cm/km 時，可相應選擇以下高速公路的債務清償對象坐標系：①1954 年北京坐標系和1980 年西安坐標系上所對應的坐標系。②補償等級坐標系按上述規則。③補償高度面對應的坐標系，根據上述規則，可以根據投影的變形值來確定相對投影。

在特定項目或建設的執行階段，為了方便實際的建設工作，有些建設部門可能期望在不進行常規計算的情況下接收控制數據。但是，該方式仍然難以充分保證GPS 數據跟蹤的可靠性。

因此，可以考慮選擇傳統的重新分析坐標結果的方法。在檢查公路測量的準確性時，可以根據沒有投影和校正測量的結果重新測量和設計。

4 結語

隨著科學技術的進步，測繪新技術領域有明顯大的進步，在公路現代化建設各個階段，測繪新技術起到了極為重要且關鍵的積極作用。借助3S 測量技術，可及時對公路走廊帶上公路的基本地質構造情況以及路面地形結構等工程狀況進行深入了解，為未來公路地質勘查項目規劃立項（預可階段）審批、工程研究設計評審等活動搭建堅實可靠、高效的信息化技術平臺，促進政府相關部門單位盡快做出全面且正確的項目決策，提出可行、合理、高效的工程設計和方案，并據此控制和管理好整個工程系統的項目投資建設成本。