數(shù)字化測繪技術在公路設計中的應用

周開禮

(貴州省遵義市交通勘察設計有限公司，貴州 遵義563000)

隨著計算機及數(shù)字化技術的發(fā)展，數(shù)字化測圖因為測圖精確度高、數(shù)據(jù)采集迅速、使用方法簡單、維護較為方便等優(yōu)勢，在城市規(guī)劃、土地建設與管理中得到廣泛應用。因此，數(shù)字化地形圖成為新一代方便、快捷、直觀的地形圖而被應用于社會生活的方方面面。

1 數(shù)字化測繪技術

數(shù)字化測繪技術是指以計算機為核心，以全站性電子測速儀、GPS、數(shù)字攝影測量儀、數(shù)字化儀等為數(shù)據(jù)采集工具，在外界輸入、輸出設備軟、硬件的支持下，對地形的數(shù)字空間數(shù)據(jù)進行采集、輸入、成圖、輸出、管理的測繪技術。數(shù)字化測繪技術的系統(tǒng)組成如圖1所示。下面將重點介紹數(shù)字測繪系統(tǒng)中的GPS技術和激光跟蹤儀技術。

圖1 數(shù)字化測繪技術的系統(tǒng)組成

1.1 GPS技術

室內GPS的激光發(fā)射器發(fā)出兩個呈扇形的激光面，這兩個激光扇面與垂直平面的夾角分別為+30°和－30°（如圖2a）所示），扇面的俯仰覆蓋范圍也為±30°（如圖2b）所示）。

圖2 激光發(fā)射器兩個扇形激光發(fā)射面范圍

在工程測量中，區(qū)域內激光發(fā)射器分別向兩個角度發(fā)射信息，即方位角和仰角，任何一個接收器都只能從這兩個方向接受。方位角和仰角都是通過時間差計算獲得的。其中，通過兩個扇面掃觸時間的平均值和閘門脈沖信號掃觸時間的時間差可獲得方位角，通過GPS激光發(fā)射器發(fā)射出來的兩個扇面分別掃觸到接收器的時間差則可獲得仰角。此外還需要一個激光發(fā)射器，因為只通過方位角和仰角不能夠得出接收器的控制位置，只有利用三點的三角形原理才能得到（如圖3所示）。

圖3 三角形測量原理示意圖

1.2 激光跟蹤儀技術

激光跟蹤測量系統(tǒng)的基本測量原理，是通過激光絕對測距系統(tǒng)和自身的測角系統(tǒng)，通過激光跟蹤目標反射器確定目標反射器球心的空間位置的坐標，再通過氣象補償參數(shù)和儀器自身的校準參數(shù)對測量過程中產生的誤差進行補償，從而得到空間點的坐標（如圖4所示）。

圖4 激光跟蹤測量系統(tǒng)及激光跟蹤儀測量原理圖

設定被測靶鏡的中心為P點，跟蹤器的旋轉中心為O點。用激光干涉儀測量O點到P點的距離d，再用兩個角度編碼器分別測量出P點的垂直方位角α和水平方位角β，則P點坐標（x，y，z）很容易由α、β和d計算得出。測量點坐標計算公式為：

2 數(shù)字化測繪技術的特點

2.1 自動化程度高

數(shù)字測圖技術是通過計算機軟件自動計算、識別、連接以及調用圖示和符號等一系列自動處理功能來繪出地形圖，不僅精確美觀，而且出錯率也非常小。數(shù)字測圖還能夠自動提取測量的信息，比如距離、坐標和面積等。

2.2 測圖精度高

數(shù)字化測圖擁有精度高的優(yōu)勢，距離300m內物點測定誤差大約是±2mm，地形點高差約是±18mm。而且電子格式的測量數(shù)據(jù)還能自動記錄、傳輸、存儲、處理并成圖，沒有傳統(tǒng)測圖的視覺、方向、展點的誤差，全程對原始數(shù)據(jù)的精確度將毫無影響。

2.3 圖形屬性信息豐富

數(shù)字測圖要求不僅是對點的坐標進行測量，還要明確所測點的屬性，在場記錄該點的編碼及連接信息，這樣在顯示成圖時，只需利用編碼，就可從圖式符號庫中調出對應的測繪圖。可見，數(shù)字化測繪技術便于檢索數(shù)字測圖所應用的包括點的定位、連接與屬性信息在內的圖形信息。

2.4 圖形編輯方便

數(shù)字化的測圖是通過分層的方式進行存放，所以沒有圖面負載量限制，對于測圖成果的加工利用較為方便。

3 數(shù)字化測繪技術在公路設計中的運用

在沒有符合要求的大比例尺地圖的地區(qū)，可直接采用地面數(shù)字化測繪技術，該技術也稱為內外業(yè)一體化數(shù)字測圖，是我國目前各測繪單位用得最多的數(shù)字測圖方法。采用該方法所得到的數(shù)字地圖的特點是精度高，只要采取一定的措施，重要地物相對于鄰近控制點的精度控制在5cm內是可以做到的。下面將重點分析目前數(shù)字化測繪技術在公路設計中的運用。

3.1 監(jiān)理GPS控制網

以邊連式連接的單頻GPS接收機施測為例。在公路設計之前對其進行測繪，首先布設測量的首級GPS控制點，采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，點位埋設永久性的標石以便測量。然后在測站上架設4臺GPS接收機，量取儀器高兩次，精確對中整平，精確至毫米，采用中數(shù)，較差應小于規(guī)范的規(guī)定。

每觀測一個時段，以兩臺接收機作為固定站，另外的兩臺作為移動站，每個點應觀測45～70min。循環(huán)往復，直至觀測完所有點。衛(wèi)星觀測數(shù)不小于4，衛(wèi)星截止高度角設置為不小于15°，數(shù)據(jù)采集間隔為15s，對中誤差不大于2mm，PDDP不大于6mm，天線高差值不大于3mm。所有基線解都為固定解，按照獨立基線使用平差軟件解算，得出基線情況良好后，平差觀測出GPS點的坐標。

3.2 建立導線控制網

二級導線組成結點網，布設于GPS點之間。布設二級導線，在四等GPS點的基礎上埋設標石或鋪裝路面釘，點位布設于可永久保存地段，然后對二級導線點編號。二級導線觀測水平角采用方向觀測法，邊長單程觀測兩測回，所用測距儀均為Ⅰ級，每測回邊長讀數(shù)四次，MD≤5mm。

現(xiàn)場在規(guī)定格式的表格上用鉛筆記錄二級導線，外業(yè)記錄紙應統(tǒng)一編號，做到字跡清楚、美觀整齊。觀測工作結束后檢查外業(yè)記錄，及時整理，確保記錄計算正確，檢查觀測成果是否滿足限差要求。

對于二級導線應先驗算測角中誤差、導線相對閉合差、方位角閉合差。當各項限差滿足規(guī)范規(guī)定后，使用測量控制網平差系統(tǒng)，按結點網輸入計算機，平差后，詳定精度，提供導線網最弱點精度數(shù)據(jù)以及精度指標。

3.3 高程控制網的布設

高程控制網將平面控制點布設成四等水準網，以已知水準點起算，進行觀測。i角誤差小于20″，則檢測儀器滿足四等水準測量要求。觀測直讀距離，采用中絲讀數(shù)法；觀測時無固定點時，應使用尺墊，觀測順序為后前、前后。在適當?shù)奈恢冒仓盟疁蕛x，在同一測站觀測時，精確整平圓水準器，每測段測站數(shù)宜為偶數(shù)，不得兩次調焦。

按結點網輸入計算機，當各項限差滿足規(guī)定后，使用測量控制網平差系統(tǒng)，平差后評定精度，最后打印出高程控制點成果。

3.4 野外碎部點數(shù)據(jù)采集

公路設計中的數(shù)字化測繪基本上由兩個人完成，一人跑尺并做內業(yè)繪圖，一個觀測并在全站儀上作業(yè)和編碼。在公路設計數(shù)字化測繪中，碎部測量的主要方法為極坐標法，在實測碎部點的坐標后，利用測繪軟件中的編輯功能，取得其余各點的坐標，可利用軟件中的十字尺測量法、交會方法等方法，最后得到公路設計的測繪圖形。

3.5 內業(yè)數(shù)據(jù)處理，圖形編輯，制圖輸出

公路工程設計中，數(shù)字化測繪的重要內容之一是測量數(shù)據(jù)的處理。無論是不同工程的測量工作，還是工程進程中各階段的測量工作，都需要選擇適當?shù)臏y量手段，根據(jù)測量平差理論和誤差分析，對測量成果進行處理和分析。

將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)通過全站儀或GPS與計算機用專用電纜連接起來，傳輸?shù)接嬎銠C。首先修改外業(yè)采集數(shù)據(jù)的各種可能的錯誤，同時將野外采集的數(shù)據(jù)格式轉換成圖形編輯系統(tǒng)要求的格式，即進行數(shù)據(jù)的預處理。接著生成平面圖形，對外業(yè)數(shù)據(jù)進行分幅處理，建立圖形文件等操作，生成自動勾繪等高線、三角網數(shù)字高程模型等，即進行等高線數(shù)據(jù)處理。利用測繪軟件對經過內業(yè)處理的圖形數(shù)據(jù)進行編輯修改，最后用繪圖儀輸出圖件。

4 結語

公路工程設計中，測繪單位技術創(chuàng)新的任務和方向之一是開展大量的數(shù)字化測繪技術實例工程測量。隨著數(shù)字工程的深入發(fā)展以及數(shù)字化測繪技術的不斷成熟，這也是提高測繪單位經濟效益的重要手段以及自身實力的體現(xiàn)。在測繪領域中，數(shù)字化測繪技術占據(jù)主導地位。為了適應新技術的發(fā)展，未來數(shù)字化測繪技術方法和手段將會不斷豐富和更新，得到更積極的推動和更大的發(fā)展。

[1]曹志剛.數(shù)字化測繪技術在地籍測量中的應用與實施[J].河北職業(yè)技術師范學院學報，2000，（4）：46-48.

[2]賀麗娟，曹振一.數(shù)字化測繪技術在工程測量中的應用[J].西北水電，2002，（2）：28-31.

[3]張燕龍.現(xiàn)代數(shù)字化地圖測繪技術的應用[J].國土資源導刊（湖南），2004，（5）：46-48.

[4]崔學敏，趙雪松，劉法軍，等.數(shù)字化地籍調查與測繪技術探討[J].價值工程，2010，（28）：119.