公路勘測地面數據獲取方法的分析與探討

楊天宇

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041)

1 概述

公路設計所需的平、縱、橫斷面數據中，地面數據質量不僅影響公路路基和結構物的設計質量、土石方數量等，還可能影響到部分或整段路線方案的選擇。因此，如何快速、可靠、經濟地獲取地面數據對公路設計尤其是高等級公路施工圖設計具有非常重要的意義。通過對平原、山區等不同高速公路項目采用不同方法獲取的地面數據進行分析，探討如何高效、可靠地獲取公路施工圖設計所需縱橫地面數據。

2 地面數據的獲取方法

根據規范要求，公路施工圖設計階段須實地進行路線中樁放樣、中樁高程及橫斷面測量。筆者認為，進行上述外業工作獲取三維地面數據，本質上即為獲取既定路線中、邊樁地面高程(差)，其方法可以歸納為三種:常規測量法、GPS－RTK法、數字地面模型(DTM)法。

(1)常規測量法:即采用全站儀、光電測距儀、水準儀等常規測量手段進行路線中樁放樣、中樁高程測量和橫斷面測量;該方法方便、精確、可靠。

(2)GPS-RTK法:即全球定位系統實時動態測量技術，通過已知轉換參數，以不同的擬合方法進行高程擬合，從而得到中(邊)樁的正常高(我國采用的高程系統);該方法無需通視、速度快、精度高、全天候、經濟高效。

(3)數字地面模型(DTM)法:即利用數字地面模型進行任意點或斷面的地面高程插值計算，進而獲得公路施工圖設計所需的縱、橫地面數據;DTM的數據源有野外實測(可采用全站儀、三維激光掃描、GPSRTK等方式)、航空攝影、遙感、機載激光雷達、地形圖數字化等方法采集的數據。

3 不同方法采集地面數據的統計與分析

3.1 GPSRTK測量高程與水準測量高程的統計分析

GPS-RTK作業的主要原理是，在測區選擇一基準站并安置一臺GPS接收機，對所有可見衛星進行連續觀測，并將其觀測數據或改正數通過無線電傳輸設備實時地發送給流動站;流動站GPS接收機在接受GPS信號的同時，通過無線電接收設備接收基準站傳輸的數據，利用相對定位的原理將實時獲得的WGS84坐標轉換為工程坐標及相應的正常高。轉換方法主要分為七參數的三維坐標轉換方法和平面坐標由相似變換、高程由擬合得到的三維分離法［1］。

以我國華南平原地區及西南山區兩高速公路施工圖外業測量為例，其中樁地面高程分別實施了GPS RTK測量和水準測量，對這兩種方法獲得的中樁高程 進行統計與比較，比較情況見圖1。

圖1 不同地形路線中樁GPS RTK高程與水準高程值較差(單位:m)

由圖1數據知:

①在平原和山區分別統計的50個中樁高程數據中，其高程值較差(ΔH=HGPS－H水準)與高速公路、一二級公路中樁高程測量之相應限差(兩次測量之差≤0.05m)［3］相比，平原與山區超限個數均為15個，占30%;與三級及三級以下公路中樁高程測量之相應限差(兩次測量之差≤0.10m)［3］相比，平原區超限個數2個，占4%;山區超限個數7個，占14%。

②兩種測量方法施測的中樁高程值較差中，平原最小值0.01m、最大值0.12m，山區最小值0m、最大值－0.54m。GPS RTK中樁高程測量的中誤差:平原區±0.048m、山區±0.116m。據分析，該情況與山區植被茂密、GPS衛星信號差、高程異常差較大等因素有關，也說明山區尤其是GPS衛星信號差的地方GPS RTK方法獲取中樁地面高程值的可靠性較差;平原地區GPSRTK方法與水準測量方法獲得的高程較差值離散程度較小，獲取中樁地面高程值的可靠性好。

3.2 DTM內插高程與水準高程的統計分析

路線中樁DTM高程內插，即利用道路設計軟件，根據既定路線設計方案對已有公路數字地面模型(其數據源有ASC和POL格式、DWG和DXF格式、DGX和DLX格式、激光掃描數據LAS格式等)進行數模構建并進行縱(橫)斷面插值。

對西南某山區高速公路數模高程與水準實測高程進行比較分析，比較情況見表1。

表1 路線中樁數模高程與水準高程統計m

由表1知，在統計的60個中樁數模高程與實測水準高程值較差中，最小值－0.06m、最大值2.93m、中誤差±1.26m?？梢姡擁椖繑的８叱叹炔荒軡M足公路施工圖設計要求，若公路施工圖測設階段直接應用數字地面模型(DTM)內插地面高程數據時，則DTM自身精度應得到保證，而這勢必增加DTM成本。

3.3 不同軟件DTM內插高程的統計分析

對同一項目路線設計中線、同一DTM數據源，利用公路設計中常用兩種道路設計軟件進行高程插值比較與分析，比較情況見表2。

表2 不同道路設計軟件DTM內插高程統計 m

由表2數據可見，兩種道路設計軟件在相同條件下的內插地面高程值較差，最小值0m、最大值－1.48m，說明不同的道路設計軟件由于算(方)法不盡相同，導致其內插獲得的數模高程數據也有不同。根據作者多年經驗積累，相同條件下有時候某連續段落其差值會達到幾十米甚至上百米，這時肯定是某一軟件內插出錯誤數模高程，設計人員使用數模高程時必須對其準確性進行仔細核查。

以上數據分析中中誤差的計算公式為

式中:m為中誤差;Δν為GPS RTK(或數模)高程與水準高程的差值;n為中樁個數。

4 結論與建議

(1)隨著科學技術的不斷發展，公路施工圖測設階段獲取地面數據的方法已頗豐富，但最為可靠的方法還是常規測量(即水準儀或全站儀測量)法。

(2)GPS RTK方法獲取地面三維數據速度快、精度高，但其可靠性還不是很好。

(3)平原地區GPS RTK測量獲得的地面數據，其精度和可靠性均優于山區;采用GPSRTK方法測量中樁高程時，求解轉換參數采用的高程控制點不應少于4個，且應涵蓋整個中樁高程測量區域，流動站至基準站的距離應小于5 km，觀測點不宜外推。

(4)綜合當前勘測技術手段，全站儀(水準儀)配合GPSRTK法是目前高效、可靠、經濟地獲取公路施工圖設計所需縱橫地面數據的外業測量方法。

(5)數字地面模型應用于施工圖測設階段時，原始三維地面數據必須野外實測采集［4］。在保證DTM自身精度的前提下，設計人員須對其所使用道路設計軟件內插獲得的數模高程進行有效檢核，不同的設計軟件內插數模高程結果不同，盡量避免在內插環節出現差錯。

(6)高分辨率衛星影像數據、激光雷達數據等已經開始大規模應用于我國的工程建設之中，公路勘測設計同樣需要充分利用高精度的對地觀測數據和新的技術手段，并配合高質量的道路設計軟件，以提高我國公路勘測效率和設計水平。

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