構建橋涵勘測技術新體系的研究

余興勝

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 橋涵勘測技術現狀

當前鐵路橋涵勘測技術領域多種測量技術并存，主要有以全站儀為代表的傳統測量技術，以GPS為主的衛星測量技術，以及以飛機作為主要平臺的攝影測量技術［1］。衛星測量技術和攝影測量技術因其具有快速、方便、高效的優勢，越來越受到重視，發展迅速，并在一些領域成功應用［2］，但同時它們又存在容易受植被、建筑物、電磁干擾等影響的缺點，不能完全滿足橋涵勘測的需要，需要借助傳統測量技術作補充［3］。

1.1 傳統測量技術

傳統測量設備可分為純光學和光學電子兩大類，目前純光學的經緯儀、水平儀在作者單位已很少采用，基本被全站儀所取代。全站儀即全站型電子速測儀(Electronic Total Station)，是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統［4］。全站儀具有強大的運算器和存儲器，能夠存儲采集的測量數據，通過通訊接口和通訊電纜可以與計算機實現雙向信息傳輸。用戶還可以為其開發專用程序，滿足特殊的測量用途。早期的全站儀需要設備廠家的授權才能導入自己開發的程序，新型全站儀多采用開放的系統，用戶可以像操作電腦一樣方便地安裝自己開發的程序。

1.2 衛星測量技術

當前衛星測量領域有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯(GLONESS)、歐洲的伽利略(Galileo)以及我國的北斗系統。GPS技術已遍及國民經濟的各個領域，在測量領域，GPS已廣泛用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個方面［5-6］，目前使用的衛星測量主要是以GPS系統為主，GLONESS和北斗系統作補充。GPS RTK(實時動態定位)技術是GPS技術與數據傳輸技術相結合的組合系統，是GPS技術發展中的一個重要突破［7-9］。RTK技術能夠實時測量出點位的三維坐標，根據RTK測量使用統計，RTK的平面誤差一般約為±2.5 cm，高程誤差約為±(3～5)cm。GPS的操作手薄同時是一個智能終端，用戶可以開發自己的專用程序，通過數據線、藍牙等直接與計算機進行數據通訊。

1.3 攝影測量技術［10-12］

攝影測量根據遙感平臺不同分為地面攝影、航空攝影以及航天攝影。它通過遙感平臺上的攝影機以攝影方式記錄地物的反射光譜能量，獲取各種圖像數據，通過一定的相片重疊度(航向重疊、旁向重疊)實現立體觀測。遙感攝影機鏡頭比普通攝影機更為精密復雜，除了物鏡畸變小、分辨率高、透光力強、結構穩定外，還具備攝影過程高度自動化，可自動連續攝影。測繪人員通過對相片的立體觀察、立體量測以及像片判讀和調繪來測繪地形圖。目前鐵路地形圖多采用以飛機作為遙感平臺的航空攝影測量，航測地形圖包含三維點位信息，條件允許的情況下橋涵測量可直接利用航測圖獲取橫縱斷面數據。

2 構建橋涵勘測技術新體系

全站儀等傳統測量技術基于光電技術，要求測點間必須通視，這就要求橋涵勘測工作必須在線路完成導線點布設和中交測量的情況下才能開展，且要求具有足夠多的滿足通視條件的導線點或方樁。隨著GPS技術在線路控制測量中廣泛應用，橋涵定測工作基本上是直接利用基礎平面控制網(CPⅠ)和線路平面控制網(CPⅡ)點，而CPⅠ、CPⅡ點相互之間多不通視［1］，橋涵勘測全部采用全站儀等傳統技術手段完成是非常繁瑣的。

GPS RTK測量時測點間無需通視，中線測量和橋涵勘測可并行進行。同時省略全站儀等傳統測量時頻繁的儀器架設、引高程、對線位等步驟［4］，每天只需1次基站架設(采用CORS系統則不需架設基站)即可實現多個工作組并行、無間斷測量。GPS RTK測量時每個工作組只需配備2名測工即可，一名測工負責操作GPS手薄，另一名測工進行一些輔助測量工作，如丈量水深等。而傳統測量時每個工作組必須配齊負責司鏡，前點、后點、輔助測量的測工。GPS RTK測量與傳統測量相比可大大減少外業工作量，降低外業作業強度，減少測量作業人數，因此首選GPS RTK測量。但是GPS技術容易受觀測時衛星的空間分布、衛星信號、電磁干擾等影響，GPS測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾，同時需避開信號發射塔等干擾源。由于橋涵斷面測點一般都是地面變化點，部分點位的測量難免會受電磁干擾、植被及房屋、橋梁等建筑物的影響，造成無法觀測或達不到測量精度，稱為GPS測量盲區。基于GPS技術自身存在的缺點，全站儀仍是當前橋涵測量必不可少的設備。

攝影測量可以快速生成地面的三維地形圖，橋涵測量可以直接利用三維地形圖獲得橋涵橫縱斷面數據，無需到現場逐點測量［11］。但由于其受植被影響非常大，攝影測量技術目前還主要應用在地形測量方面［12］，橋涵測量很少直接采用。在可行性研究階段，或是沙漠、戈壁等植被覆蓋較少地帶，攝影測量技術可以發揮比較好的效果。

綜上所述，選擇以GPS為主，傳統測量、攝影測量為輔來構建全方位的橋涵勘測技術體系。除沙漠、戈壁等植被覆蓋較少地帶或可以降低勘測精度的可行性研究階段，可以選擇攝影測量外，其余均選用以GPS為主，傳統測量作補充的方式。對于GPS測量盲區需由橋涵技術人員根據現場情況及設計要求，選用鋼尺丈量或全站儀測量。一般情況下，長度超過100 m或者有重要地形變化及公路、鐵路、河流等控制點位的盲區，必須采用全站儀測量，其余盲區可采用鋼尺丈量。

GPS和全站儀作為通用測量設備，功能非常強大，但并不能完全滿足橋涵勘測的要求，同時如果不對數據存儲作必要規定，也無法滿足重現外業勘測過程的目標。因此必須制訂GPS和全站儀橋涵勘測技術規程，配套編制各自的橋涵勘測專用軟件，實施橋涵勘測過程控制，規范橋涵勘測作業流程，使測量儀器以規定的格式存儲測量數據，包括測點描述、尺量數據等的輸入。同時配套編制GPS、全站儀測量數據接收處理軟件，規范測量數據的交接和歸檔，使橋涵勘測內外業無紙化銜接，實現重現外業勘測過程及橋涵勘測一體化的目標。對于攝影測量技術，需要編制三維地形圖切斷面程序，滿足直接采用攝影測量成果獲取橋涵橫縱斷面的需要。

3 實施橋涵勘測過程控制

橋涵勘測系統必須圍繞橋涵勘測工作內容和精度要求展開。橋涵勘測工作主要可歸納為以下4類。

(1)縱斷面測量，即鐵路或公路橋梁橋址縱斷面和輔助縱斷面測量。地面橫坡大于1∶3時，應考慮在橋址上下游3～10 m內增加輔助縱斷面并根據需要增加輔助橫斷面。測量過程中根據需要測設線路中線樁。

(2)橫斷面測量，即涵洞、小型公跨鐵、墩臺輔助斷面、河床坡、河槽流量斷面等的任意角度和里程的橫斷面測量。可以是直接指定里程和角度，也可以在目標斷面上測2個點確定斷面的里程和角度。

(3)相交物測量，即相交鐵路、道路或河流的相交角度和交點里程測量。

(4)鄰近點測量，在斷面測量過程中進行線路附近壩頂、梁底、既有墩位、洪水位點等設計相關點或點系的位置高程測量。橋涵測點的平面檢測限差0.05 m，高程檢測限差0.1 m(山區涵洞可放寬至0.2 m)，橫向偏差 0.2 m［1］。

實施橋涵勘測過程控制必須在測量設備上開發滿足上述功能要求和精度要求的專用軟件，并配套編制對應的作業規程，規范測量作業過程，使其以規定格式存儲各類測量數據。下面分別就橋涵GPS和全站儀測量系統及三維地形圖切斷面程序的實現作簡要介紹。

3.1 GPS測量系統

GPS RTK可以實時測量出點位的WGS 84經緯度坐標，通過校正參數轉換成工程坐標，系統通過工程坐標和線路數據解算出測點的里程、高程和偏距，實時顯示測量結果。橋梁縱斷面測量可直接使用解算結果。輔助縱斷面測量通過線路中線的偏移，并標記點位所在斷面來實現。線路中線測量則通過標記該點類型為中線樁，增加樁位描述實現。橫斷面測量時用橫斷面庫管理橫斷面，橫斷面測量可轉換為某個里程與線路成一定角度的一條線段上的測量，測量時所有點位需增加斷面的ID、平距及垂距信息。鄰近點測量實質與縱斷面測量一樣，得到測點與線路的位置關系和高程，標記該點是鄰近點即可。對于相交物測量，由于GPS不具備角度測量功能，只能通過坐標法反算相交物的交點和夾角。測量時需在相交物的一邊測點1和點2確定相交建筑物與線路的夾角和交點里程，然后在相交物的另一邊測點3確定相交物的寬度和該邊與線路的交點里程(也可直接輸入寬度)，如圖1所示。橫斷面測量時通過斷面上測2個點確定斷面位置時，計算原理和相交物測量一樣，通過點1、點2的坐標計算出橫斷面的里程和角度。

圖1 角度測量示意

由于GPS RTK測量容易受到植被、建筑物、電磁干擾、衛星狀態等的影響，測量點位的精度具有不確定性，所以必須對點位測量的精度進行實時控制［9］。橋涵測量時有效衛星顆數不得少于5顆，點位數據均必須采用多歷元平滑存儲，測點數據采集有效歷元數均不少于5個，控制性的重要鐵路、公路、河道等的點位的有效歷元不少于60個，一般道路、河道等點位的有效歷元不少于10個。固定解狀態下，平面精度、豎向精度和空間精度在限值以內的歷元方為有效歷元。當天測量開始前及結束后必須找前一天的放樣點或另一觀測站的放樣點進行復核，確保當天測量資料準確無誤。

3.2 全站儀測量系統

全站儀具備運算處理功能，通過聯測現場已知坐標點位后，系統可以根據線路資料計算出測點的里程和偏距［4］，可實現與上述GPS測量系統相同的坐標法測量。同時作為傳統光電測量儀器，在直線或曲線半徑大于1 000 m的地段，線路已作中線測量的情況下，可以直接采用兩點定線以直代曲的近似方法。其勘測過程如下:首先根據通視條件選擇任意點置鏡，接著后視一個中樁確定里程基準，程序自動將該點作為后視點引高程，如果該點是扁樁則需要再從高程點引高程。然后再引一個中樁即可實現兩點定線確定線位，在有條件的情況下還需再實測一個中樁作為復核，如果該中樁的橫向偏差在0.1 m以內，縱向偏差在0.2 m以內可認為線位準確［1］，才能進行測量。直線地段確定線位的兩中樁距離不宜小于50 m，測量范圍不應超過確定線位的中樁點兩側各250 m。曲線地段可按滿足橫向偏差不超過0.2 m的要求計算確定。系統控制測量閉合限差，記錄勘測時的線位確定、引高程、轉點和閉合過程，以及測站的位置、后視點、測點與線路的偏差、棱鏡高等信息，達到通過數據重現勘測過程的目的。

3.3 三維地形圖切斷面程序

基于三維地形圖獲取橋涵橫縱斷面，并不局限于攝影測量技術，其他數字化三維成圖技術也可以使用。系統讀取三維地形圖中含有高程信息的點和線，建立地形的三維點庫，使用這些三維點形成由眾多小三角形組成的三維地表曲面。利用線路曲線作為剖面線，剖面線與三維地表曲面上各三角形邊的交點即可作為橋址縱斷面點使用。將線路曲線偏移到輔助縱斷面的位置即可獲得輔助縱斷面數據。對于橫斷面測量，可以以橫斷面軸線作為剖面線，同樣求出剖面線與三維地表曲面上各三角形邊的交點即可。相交物的測量與GPS系統類似，可采用坐標法反算。點位里程還需考慮線路斷鏈的設置進行調整。

4 實現橋涵勘測一體化

對橋涵勘測作業過程進行控制，用全站儀或GPS程序按約定的格式以文本文件形式存儲數據，主要有斷面數據文件和GPS的角度數據文件或全站儀的引高程閉合文件。橋涵測量數據接收處理程序負責從測量設備中導入數據，對數據作檢查、分析、轉換、歸檔、查詢，并將數據翻譯成設計程序所需要的格式，與設計程序無縫銜接。

當日橋涵測量作業完成后，測量組長需將GPS手薄或全站儀直接交給內業橋匯組，采用橋涵測量數據接收處理程序，雙方共同導入當天的測量數據文件。程序自動進行數據檢查，轉換數據格式，繪制斷面圖形。雙方對測量內容進行確認和必要修正，系統自動記錄所有的修改內容，并生成測量內容表及接收單，簽署歸檔，詳細流程如圖2所示。設計者通過查詢功能可以清楚知道全站儀的置鏡位置、引高程閉合過程及GPS的測量精度等信息，重現外業勘測過程，實現橋涵勘測內外業無紙化銜接。

圖2 橋涵測量數據接收處理流程

5 橋涵勘測技術展望

在當前各種測量技術并存的條件下，構建全面的橋涵勘測一體化體系必須涵蓋傳統測量、衛星測量和攝影測量，測量時結合各種技術的特點選擇。未來測量技術的發展很可能是各種技術融合的過程［2］，如新一代的測量機器人在全站儀上配備電動馬達驅動和程序控制，結合激光、通訊和CCD技術，可自動尋找并精確照準目標，實現測量的全自動化。

將GPS接收機與全站儀結合在一起，可以將GPS的實時動態定位技術與全站儀靈活的三維極坐標定位技術完美結合。集激光、GPS和慣性測量單元(IMU)3種技術于一身的LIDAR系統不久將投入實用［10］，它可以高度準確地定位地面目標的三維坐標，獲取地面的高清晰數碼影像。裝配有攝像機的測量機器人也可能很快將進入實用領域。橋涵勘測一體化體系要緊跟測量技術發展的步伐，適時調整，以求更好地服務于橋涵勘測工作。

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