高鐵測量中GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展分析

詹德勝、董康強、靳自強

（1.四川西南交大高鐵發(fā)展股份有限公司，四川 成都 610091；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著城市人口和交通需求的增長，高鐵建設(shè)更加重要。精確的高鐵測量是保證高鐵設(shè)計和施工質(zhì)量的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的測量方法在效率和準(zhǔn)確性方面存在一定的局限性。而全球定位系統(tǒng)（GPS）測繪技術(shù)的發(fā)展為高鐵測量帶來了革命性的變化。借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)和接收器設(shè)備，GPS 測繪技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地測量地球上的任意位置。因此，研究GPS 測繪技術(shù)在高鐵測量中的應(yīng)用有重要意義。

1 GPS 測繪技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

全球定位系統(tǒng)（GPS）測繪技術(shù)是現(xiàn)代大地測量學(xué)的重要組成部分。該技術(shù)自誕生以來，憑借獨特的優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在高鐵測量領(lǐng)域，該技術(shù)不僅提高了測量的精度和效率，而且改變了傳統(tǒng)測量模式，為我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特別是高鐵建設(shè)，提供了強大的技術(shù)支持。

1.1 高精度

GPS 測繪技術(shù)是一種基于衛(wèi)星的定位測量方法，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地獲取地面的三維坐標(biāo)信息。利用高精度的GPS 接收器和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以獲得厘米級甚至毫米級的測量精度。這種高精度的測量方法為高鐵的精確布局提供了有力支持，使高鐵設(shè)計和建設(shè)可以更好地適應(yīng)地形地貌，進而減少因地形原因?qū)е碌母哞F改造和修復(fù)，大大提高了建設(shè)效率。

1.2 適用性廣

傳統(tǒng)的測量方法受地形地貌、天氣條件等自然因素的影響較大，而GPS 測繪技術(shù)可以在任何天氣和環(huán)境條件下應(yīng)用。無論是城市高鐵還是山區(qū)高速公路，無論是平原草地還是丘陵沙漠，都可以應(yīng)用GPS 測繪技術(shù)進行高精度測量。這種廣泛的適用性使得GPS測繪技術(shù)在高鐵測量中的應(yīng)用更加靈活多樣。

1.3 數(shù)據(jù)處理能力強

在GPS 測繪工作中，系統(tǒng)能夠收集大量的原始數(shù)據(jù)，包括位置、時間、速度等信息。這些數(shù)據(jù)可以通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進行高效準(zhǔn)確的處理，從而獲得所需的測量結(jié)果。強大的數(shù)據(jù)處理能力使得GPS 測繪技術(shù)在高鐵測量中具備了更多的應(yīng)用潛力。通過對海量數(shù)據(jù)的處理和分析，測量人員可以獲取高鐵的幾何形狀、地形特征以及交通流量等重要信息。這些數(shù)據(jù)不僅可以用于高鐵設(shè)計和施工參考，還可以為交通規(guī)劃、高鐵管理和交通安全等提供有力支持。此外，GPS 測繪技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程還能夠進行誤差校正和數(shù)據(jù)驗證，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。采用精密的算法和模型，可以消除系統(tǒng)誤差、信號干擾和多路徑效應(yīng)等影響因素，提高數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性。

1.4 高效率

相比傳統(tǒng)測量方法，GPS 測繪技術(shù)的自動化操作使得測量過程更加迅捷和高效。借助GPS 接收器和相關(guān)設(shè)備，測量人員可以在較短的時間內(nèi)完成大面積區(qū)域的測量任務(wù)，從而提升工作效率[1]。高鐵作為一種高速、大容量的交通工具，對高鐵的準(zhǔn)確測量和規(guī)劃要求非常嚴(yán)格。借助GPS 測繪技術(shù)，測量人員能夠迅速獲取大量的測量數(shù)據(jù)，包括地形地貌、高鐵輪廓等關(guān)鍵信息，這不僅能減少測量時間，還能提高數(shù)據(jù)的精確性和一致性，為高鐵的設(shè)計、施工和運營提供可靠的依據(jù)。

2 高鐵測量中GPS 測繪技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高鐵設(shè)計和規(guī)劃階段的應(yīng)用

在高鐵設(shè)計和規(guī)劃階段，GPS 測繪技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。它能夠提供精確、實時的地理位置信息，為高鐵的設(shè)計和規(guī)劃提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

第一，進行高鐵設(shè)計和規(guī)劃前，設(shè)計人員需要進行一系列準(zhǔn)備工作，包括確定測量區(qū)域范圍和目標(biāo)，制訂測量計劃和測量路線，選擇合適的GPS 測繪設(shè)備和軟件，并進行設(shè)備校準(zhǔn)和測試，以確保后續(xù)測量工作的順利進行。

第二，實地測量階段。測量人員攜帶GPS 測繪設(shè)備，按照預(yù)定的測量路線進行測量。GPS 測繪設(shè)備通過接收衛(wèi)星信號，實時獲取自身的位置坐標(biāo)，并記錄測量點的經(jīng)緯度信息。同時，測量人員可以利用設(shè)備的附加功能，如高程測量和傾斜角測量，獲取更多的地理數(shù)據(jù)。在測量過程中，測量人員不僅需要采集高鐵線路的地理坐標(biāo)，還需要收集與高鐵設(shè)計相關(guān)的地理數(shù)據(jù)，如地形高程、高鐵輪廓、交叉口位置等。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性對高鐵規(guī)劃具有重要意義，因此測量人員需要保證測量的精度和數(shù)據(jù)的可靠性。

第三，完成數(shù)據(jù)采集后，測量人員將數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進行處理和分析。通過篩選、配準(zhǔn)和擬合測量數(shù)據(jù)，可以得到準(zhǔn)確的地形模型和高鐵輪廓圖。這些數(shù)據(jù)將成為高鐵設(shè)計人員進行高鐵規(guī)劃的重要依據(jù)，可以幫助其了解地形地貌、交通流量、交叉口位置等因素，進而制訂合理的高鐵線路和縱橫斷面設(shè)計[2]。

第四，在高鐵規(guī)劃階段，設(shè)計人員需要結(jié)合測量數(shù)據(jù)和規(guī)劃要求，確定和優(yōu)化高鐵線路。GPS 測繪技術(shù)提供的高精度定位數(shù)據(jù)能夠精確顯示高鐵的位置和走向，幫助設(shè)計人員考慮地形地貌、交通流量和環(huán)境要素等因素的影響，以制訂科學(xué)的高鐵線路。

第五，GPS 測繪技術(shù)還能提供高鐵規(guī)劃過程中的其他輔助信息，如高鐵標(biāo)志、交通設(shè)施、停車位等，有助于設(shè)計人員進行高鐵布局和交通組織的規(guī)劃，提高高鐵設(shè)計的安全性和通行效率。

第六，GPS 測繪技術(shù)可以應(yīng)用于高鐵設(shè)計過程中的地形分析和可行性研究。通過獲取準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，設(shè)計人員可以進行地形剖面分析，評估高鐵的坡度、曲線半徑和縱向坡度等參數(shù)，有助于設(shè)計人員在高鐵規(guī)劃階段預(yù)先識別潛在的地形問題，并制訂相應(yīng)的應(yīng)對方案。

2.2 高鐵施工階段的應(yīng)用

2.2.1 施工準(zhǔn)備階段

在高鐵施工準(zhǔn)備階段，需要進行工程測量的前期準(zhǔn)備工作，包括確定施工范圍、設(shè)置測量控制點和建立基準(zhǔn)點等。使用GPS 測繪儀器可以對控制點進行高精度的定位和測量，以確保施工的準(zhǔn)確性。例如，在高鐵路基施工前，可以利用GPS 測繪技術(shù)確定路基的坡度、坡高和曲線半徑等關(guān)鍵參數(shù)，以確保高鐵線路的設(shè)計符合要求。

2.2.2 實地測量階段

在高鐵施工現(xiàn)場，GPS 測繪技術(shù)可用于測量和記錄各種關(guān)鍵要素，如路基邊界、路線線形和橋梁位置等。測量人員使用GPS 測繪儀器通過接收衛(wèi)星信號進行實時定位，并利用測量軟件進行數(shù)據(jù)記錄和處理，可以獲得準(zhǔn)確的高鐵線路幾何信息和地理位置坐標(biāo)，為后續(xù)施工提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。例如，在高鐵橋梁施工過程中，利用GPS 測繪技術(shù)可以精確測量橋墩的位置和高程，確保橋梁安裝的準(zhǔn)確性。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理階段

數(shù)據(jù)采集完成后，測量人員將采集到的GPS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入測量軟件進行處理和分析。通過對數(shù)據(jù)進行校正、過濾和計算，可以得到更精確的高鐵線路幾何信息和地理數(shù)據(jù)，為高鐵施工提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。例如，路基挖填和路面鋪設(shè)材料的準(zhǔn)確定位以及路面高程的控制。在高鐵施工中，精確的數(shù)據(jù)處理可以確保路基和路面的平整度、坡度和曲線半徑符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 高鐵施工階段

利用GPS 測繪技術(shù)，施工人員可以根據(jù)設(shè)計要求對高鐵線路進行布置和定位。通過定位設(shè)備，施工人員可以確定高鐵線路的中心線和邊界，以及各種標(biāo)志物和設(shè)施的位置，有助于保證高鐵施工的準(zhǔn)確性和一致性，提高施工效率。例如，在高鐵鐵軌施工中，GPS測繪技術(shù)可以用于定位軌道的中心線，并確定軌道的縱向和橫向坡度，確保軌道精準(zhǔn)安裝。

在高鐵施工過程中，GPS 測繪技術(shù)還可以用于施工進度的監(jiān)控和管理。通過定期測量和記錄高鐵線路的施工進度和質(zhì)量，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施進行調(diào)整。例如，在高鐵隧道施工中，GPS 測繪技術(shù)可以用于監(jiān)測隧道的幾何形狀和位置偏移，確保隧道施工符合設(shè)計要求[4]。

此外，GPS 測繪技術(shù)還可以結(jié)合其他技術(shù)，如地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)，用于高鐵施工中的地質(zhì)勘察、地形分析和環(huán)境評估。通過對地形和地貌的測量和分析，可以為高鐵線路的選擇和設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)，也可以為施工過程中的土地利用和環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 高鐵維護與管理階段的應(yīng)用

高鐵維護與管理在城市和區(qū)域交通系統(tǒng)中至關(guān)重要，GPS 測繪技術(shù)憑借高精準(zhǔn)度和實時性等優(yōu)勢，成為高鐵維護與管理中不可或缺的工具。

2.3.1 GPS 測繪技術(shù)在高鐵維護中的應(yīng)用

高鐵維護主要包括檢查高鐵完整性、檢測和修復(fù)破損部分，以及定期翻新和更新高鐵。在這一過程中，GPS 測繪技術(shù)能夠提供精確的位置信息，使維護人員能夠快速、準(zhǔn)確地定位需要維修或檢查的區(qū)域。此外，GPS 測繪數(shù)據(jù)還可用于創(chuàng)建高精度的地形圖和地理信息系統(tǒng)（GIS），這對分析高鐵使用狀況、識別潛在問題區(qū)域以及優(yōu)化高鐵維護工作都至關(guān)重要。例如，通過分析GPS 數(shù)據(jù)，工作人員可以準(zhǔn)確了解高鐵的使用頻率，從而合理安排維修工作，避免在高峰期進行大規(guī)模的維修影響交通。

2.3.2 GPS 測繪技術(shù)在高鐵管理中的應(yīng)用

在高鐵管理方面，GPS 測繪技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。高鐵管理不僅包括日常維護，還包括交通流量管理以及交通狀況監(jiān)測和預(yù)測。通過實時獲取車輛的GPS 數(shù)據(jù)，交通管理部門可以實時監(jiān)測和分析交通流量，預(yù)測交通狀況，實現(xiàn)智能化的交通管理[5]。

3 高鐵測量中GPS 測繪技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 高精度定位技術(shù)

未來的GPS 測繪技術(shù)將持續(xù)提升定位精度。通過引入先進的接收器和天線技術(shù)，結(jié)合增強型衛(wèi)星信號和多頻率接收技術(shù)，GPS 測繪系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的定位精度。在高鐵建設(shè)中，高精度定位技術(shù)將為設(shè)計和施工提供更準(zhǔn)確的線路和軌道位置信息，確保高鐵線路的準(zhǔn)確布置和軌道的精確鋪設(shè)，提高高鐵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性。

3.2 實時動態(tài)監(jiān)測

未來的GPS 測繪技術(shù)將注重提升實時動態(tài)監(jiān)測能力。通過實時采集和處理GPS 數(shù)據(jù)，測繪系統(tǒng)將具備更強大的實時監(jiān)測能力。在高鐵施工和運營過程中，可以實時監(jiān)測高鐵的變形、位移和沉降等情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取相應(yīng)措施。在高鐵建設(shè)中，通過實時監(jiān)測，可以及時預(yù)警并處理地質(zhì)災(zāi)害、工程變形以及其他潛在風(fēng)險因素，確保高鐵線路的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 多傳感器融合技術(shù)

將GPS 測繪技術(shù)與其他傳感器技術(shù)（如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描儀等）相結(jié)合，可以構(gòu)建多傳感器綜合測量系統(tǒng)，實現(xiàn)更全面、準(zhǔn)確的高鐵測量。在高鐵建設(shè)中，多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。以隧道和橋梁為例，將GPS 測繪技術(shù)與激光掃描儀技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確測量和建模。激光掃描儀可以獲取高精度的點云數(shù)據(jù)，GPS 測繪技術(shù)則能提供位置和姿態(tài)信息，將兩者融合后可以實現(xiàn)對隧道內(nèi)部和橋梁結(jié)構(gòu)的三維重建和變形監(jiān)測。通過多傳感器融合技術(shù)，可以獲得更準(zhǔn)確和完整的高鐵測量結(jié)果，為高鐵建設(shè)提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和可靠的決策支持[6]。

3.4 無縫集成與云平臺應(yīng)用

未來的GPS 測繪技術(shù)將更加注重數(shù)據(jù)的無縫集成和云平臺應(yīng)用。將GPS 測繪數(shù)據(jù)與其他地理信息數(shù)據(jù)進行無縫集成，可以實現(xiàn)更全面的高鐵信息管理和應(yīng)用。同時，將GPS 測繪數(shù)據(jù)上傳到云平臺進行存儲和處理，可以實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)共享和協(xié)同分析。無縫集成與云平臺應(yīng)用將為高鐵建設(shè)提供更便捷、高效的高鐵測量解決方案。例如，將GPS 測繪數(shù)據(jù)與高鐵線路設(shè)計軟件集成，工程師可以直接獲取高精度的地理空間數(shù)據(jù)，從而更準(zhǔn)確地進行線路設(shè)計和優(yōu)化。同時，將測繪數(shù)據(jù)上傳到云平臺后，各相關(guān)部門和施工方可以實時共享數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息快速交流和決策協(xié)同，提高工作效率。

4 結(jié)語

GPS 測繪技術(shù)在高鐵建設(shè)和維護中發(fā)揮著重要作用，通過高精度定位、快速測量和數(shù)據(jù)集成等優(yōu)勢，為高鐵測量提供創(chuàng)新解決方案。隨著科技進步和需求變化，GPS 測繪技術(shù)還會不斷發(fā)展和創(chuàng)新，未來的發(fā)展方向涵蓋多傳感器融合技術(shù)、實時動態(tài)監(jiān)測、無縫集成與云平臺應(yīng)用等。此外，技術(shù)研究與工程實踐結(jié)合也至關(guān)重要，可推動GPS 測繪技術(shù)的進一步發(fā)展，為交通建設(shè)和交通安全提供更可靠的支持。