地下建筑物測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)與三維數(shù)據(jù)的獲取問題研究

郭舜強(qiáng)

（寧夏回族自治區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘察院 寧夏 銀川 750021）

0 引言

目前對(duì)地下建筑物測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)比較新的測(cè)量技術(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域研究的很少，大部分的研究都集中在地下礦井、地下管道等的測(cè)量以及地下鐵路、地下隧道的施工測(cè)量，而對(duì)于我們常見的地下建筑物的測(cè)量技術(shù)的研究卻沒有一個(gè)比較系統(tǒng)的總結(jié)與實(shí)踐。

1 地下建筑物測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

1.1 全站儀測(cè)量技術(shù)

地下建筑物的數(shù)據(jù)可以由全站儀測(cè)量，全站儀測(cè)量技術(shù)可以獲取三維的空間數(shù)據(jù)(即包括Z坐標(biāo)值)，并且全站儀對(duì)于高程數(shù)據(jù)Z坐標(biāo)值的獲取精度較高。全站儀測(cè)量技術(shù)是采集地物特征點(diǎn)、線最理想的手段，且能夠測(cè)量地物的高度，它較適用于小范圍、大比例尺且精度要求高的地圖。全站儀定位測(cè)量有以下五點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

1.1.1 布點(diǎn)靈活:不像三角鎖/網(wǎng)要求良好的通視條件和有利的幾何圖形，因此適合地下建筑物、地下礦井等復(fù)雜條件下的定位測(cè)量；

1.1.2 精度高:全站儀比同等級(jí)的三角鎖/網(wǎng)的點(diǎn)位精度提高一倍，適用于小范圍、大比例尺且精度要求高的區(qū)域測(cè)量和空間數(shù)據(jù)更新；

1.1.3 可靠性高:由于全站儀測(cè)量對(duì)每條邊長(zhǎng)都要觀測(cè)，增加了多余觀測(cè)因而提高了抵抗粗差的能力；

1.1.4 效率高:所采集的全部測(cè)量數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上自動(dòng)成圖，相比原來(lái)人工采集方法大大提高了工作效率；

1.1.5 經(jīng)濟(jì)性好:實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的完成地表3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量，工作量提高的同時(shí)花費(fèi)較小。

由于地下建筑物的特殊條件，很大程度上要采用全站儀的優(yōu)勢(shì)，全站儀測(cè)量能滿足測(cè)量的精度以及需求。

1.2 勘丈法技術(shù)

勘丈法指利用鋼尺量測(cè)的距離及直線、直角的特性測(cè)算出待定點(diǎn)的坐標(biāo)。鋼尺的長(zhǎng)度宜用50m和30m，并且最好有毫米刻度。因?yàn)榈叵驴臻g的特殊條件影響，勘丈法技術(shù)在地下建筑物的測(cè)量中也占很大一部分。下面是我們經(jīng)常要用到的幾種常見方法:

1.2.1 直角坐標(biāo)法

直角坐標(biāo)法又稱為正交法，它是借助測(cè)線和垂直短邊支距測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)的方法。正交法使用鋼尺丈量距離，配以直角棱鏡作業(yè)。支距長(zhǎng)度不得超過一個(gè)尺長(zhǎng)。

1.2.2 距離交會(huì)法

圖1 距離交會(huì)法

如圖1所示。已知碎部點(diǎn)A、B欲測(cè)碎部點(diǎn)P，則可分別量取P至A、B點(diǎn)距離D1、D2，即可求得P點(diǎn)的坐標(biāo)。

先根據(jù)己知邊 DAB和 D1、D2，求出角 α、β。

1.2.3 距離直線交會(huì)法

圖2 直線交會(huì)法

如圖 2 所示，A、B、C 為已知碎部點(diǎn)。 欲測(cè) 1，2，3，…，i，量取C點(diǎn)至各待測(cè)點(diǎn)的距離，即可求出各點(diǎn)的坐標(biāo):

1.2.4 線內(nèi)插法

圖3 線內(nèi)插法

如圖 3所示，已知 A、B 兩點(diǎn)，欲測(cè)定 AB 直線上 1，2，3，…，i各點(diǎn)，可分別量取相鄰點(diǎn)間的距離 DAi、D12、D23……等，從而求出各內(nèi)插點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3 激光測(cè)量技術(shù)

隨著激光技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)量已經(jīng)從靜態(tài)的點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到動(dòng)態(tài)的跟蹤測(cè)量和3D立體測(cè)量領(lǐng)域。上個(gè)世紀(jì)末，美國(guó)的CYRA公司和法國(guó)的MENSI公司率先將激光技術(shù)發(fā)展到三維測(cè)量領(lǐng)域。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于其具有快速性，不接觸性，穿透性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，其應(yīng)用推廣很有可能會(huì)像GPS一樣引起測(cè)量技術(shù)的又一次革命。激光測(cè)量技術(shù)具有以下六方面優(yōu)勢(shì):

1.3.1 快速性:激光測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍內(nèi)目標(biāo)空間數(shù)據(jù)的快速采集，測(cè)得地物目標(biāo)的空間立體結(jié)構(gòu)。

1.3.2 不接觸性:能夠不接觸測(cè)量的目標(biāo)對(duì)象就實(shí)現(xiàn)其空間信息的獲取，解決測(cè)量人員難以到達(dá)的區(qū)域、高危險(xiǎn)區(qū)域的測(cè)量困難。

1.3.3 穿透性:激光掃描技術(shù)能夠在一瞬間獲取某區(qū)域大量的采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)能夠反映目標(biāo)地物不同層面上的采樣信息。

1.3.4 實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性:激光測(cè)量技術(shù)通過探測(cè)自身發(fā)射出的光的反射來(lái)獲取目標(biāo)地物的空間信息，不受時(shí)間和空間的限制。

1.3.5 高精度、高密度:激光掃描技術(shù)通過直接掃描地物目標(biāo)來(lái)獲取其空間信息特征，得到的采樣點(diǎn)不僅十分密集而且采樣點(diǎn)點(diǎn)距很小。

1.3.6 數(shù)字化、自動(dòng)化:激光掃描技術(shù)采用全數(shù)字特征，可靠性良好。

1.4 地下建筑物測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

在地面上，三維數(shù)字地形圖受環(huán)境影響相對(duì)來(lái)說較小，而地下建筑物的測(cè)量的起始數(shù)據(jù)是由地面上引過來(lái)，因此精度已經(jīng)較低，而且在用儀器測(cè)量碎步點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，受條件限制(很多地下建筑物形狀曲折)，沒有較寬闊的視野，對(duì)采集三維數(shù)據(jù)造成了很大的困難。因此，地下建筑物三維空間數(shù)據(jù)具有以下的特點(diǎn):

1.4.1 相對(duì)狹窄的地下空間測(cè)量環(huán)境不同于地面，比如不能接受到GPS信號(hào)使得測(cè)量技術(shù)應(yīng)用受到限制；

1.4.2 不受天氣影響；

1.4.3 測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大，因此對(duì)精度要求降低；

1.4.4 地下建筑物的底面高程注記應(yīng)加圓括號(hào)；

1.4.5 需要測(cè)量地下建筑物的高度。

2 三維數(shù)據(jù)的獲取

2.1 地面控制測(cè)量

地面控制測(cè)量的基本任務(wù)是根據(jù)地下工程的特點(diǎn)和需要，在地面布設(shè)一定形狀的控制網(wǎng)，并且精密其地面位置，地面控制測(cè)量的目的是為地下控制測(cè)量傳遞地面坐標(biāo)，建立整體控制基礎(chǔ)。

2.1.1 地下建筑物的地面平面控制測(cè)量

根據(jù)地下工程的特點(diǎn)、范圍、地形條件，采取精密導(dǎo)線、三角測(cè)量以及GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。地下空間建筑物的控制測(cè)量根據(jù)其工程范圍(或者長(zhǎng)度)、工程類型、工程的施工方法可以分為三類:

①直接法

②精密導(dǎo)線法

③GPS定位技術(shù)

2.1.2 地下建筑物的地面高程控制測(cè)量

高程控制測(cè)量的任務(wù)是在出入口(洞口)附近設(shè)立2到3個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，以便于向入口或傳遞高程，高程控制測(cè)量方法可以采用等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量、光電測(cè)距三角高程測(cè)量。一般在地勢(shì)較平坦的地區(qū)采取等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量，在地勢(shì)復(fù)雜的地區(qū)采用光電測(cè)距三角高程測(cè)量。

2.2 聯(lián)系測(cè)量

在城市地下鐵道、地下建筑物工程以及各種地下采礦工程中，應(yīng)該通過平硐、斜井以及立井將地面的平面坐標(biāo)系統(tǒng)以及高程系統(tǒng)傳遞到地下，使地面與地下建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，該項(xiàng)工作成為聯(lián)系測(cè)量。通過平硐、斜井的聯(lián)系測(cè)量可以采用導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量完成、而立井的聯(lián)系測(cè)量分為平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量。平面聯(lián)系測(cè)量分為一井定向和兩井定向和陀螺經(jīng)緯儀定向。立井平面聯(lián)系測(cè)量的任務(wù)是測(cè)定地下導(dǎo)線起始邊的坐標(biāo)方位角和地下導(dǎo)線地算點(diǎn)的平面坐標(biāo)。高程聯(lián)系測(cè)量的任務(wù)是確定地下高程測(cè)量的任務(wù)是確定地下高程基點(diǎn)的高程。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，建立城市地下建筑物測(cè)繪信息管理系統(tǒng)是提高城市地下空間資源規(guī)劃、開發(fā)和管理能力和決策效率的必要途徑。在對(duì)地下空間測(cè)量技術(shù)的研究條件下，對(duì)地下建筑物實(shí)現(xiàn)可視化和信息化，并對(duì)勘察、設(shè)計(jì)、施工及城市規(guī)劃、管理中各種地下空間地理分布信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理和分析，能夠?qū)嬰s的工程資料進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)管理，提高數(shù)據(jù)可視化程度，為建筑、城市規(guī)劃及巖土工程勘察等相關(guān)領(lǐng)域提供有力的決策依據(jù)。

［1］王超領(lǐng)，岳東杰，王瑞，等.城市地下空間三維地籍的建立研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，11.

［2］鄭文華.地下工程測(cè)量[M].煤炭工業(yè)出版社，2007.