數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)

隨著計算機及數字化技術的發展，數字化測圖因為測圖精確度高、數據采集迅速、使用方法簡單、維護較為方便等優勢，在城市規劃、土地建設與管理中得到廣泛應用。因此，數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 數字化測繪技術

數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、數字攝影測量儀、數字化儀等為數據采集工具，在外界輸入、輸出設備軟、硬件的支持下，對地形的數字空間數據進行采集、輸入、成圖、輸出、管理的測繪技術。數字化測繪技術的系統組成如圖1所示。下面將重點介紹數字測繪系統中的GPS技術和激光跟蹤儀技術。

圖1 數字化測繪技術的系統組成

1.1 GPS技術

室內GPS的激光發射器發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 激光發射器兩個扇形激光發射面范圍

在工程測量中，區域內激光發射器分別向兩個角度發射信息，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激光發射器發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

激光跟蹤測量系統的基本測量原理，是通過激光絕對測距系統和自身的測角系統，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和儀器自身的校準參數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 數字化測繪技術的特點

2.1 自動化程度高

數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

數字化測圖擁有精度高的優勢，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據還能自動記錄、傳輸、存儲、處理并成圖，沒有傳統測圖的視覺、方向、展點的誤差，全程對原始數據的精確度將毫無影響。

2.3 圖形屬性信息豐富

數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，數字化測繪技術便于檢索數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，可直接采用地面數字化測繪技術，該技術也稱為內外業一體化數字測圖，是我國目前各測繪單位用得最多的數字測圖方法。采用該方法所得到的數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字化測繪技術在公路設計中的運用。

3.1 監理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衛星定位系統，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，較差應小于規范的規定。

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。循環往復，直至觀測完所有點。衛星觀測數不小于4，衛星截止高度角設置為不小于15°，數據采集間隔為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，每測回邊長讀數四次，MD≤5mm。

現場在規定格式的表格上用鉛筆記錄二級導線，外業記錄紙應統一編號，做到字跡清楚、美觀整齊。觀測工作結束后檢查外業記錄，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。當各項限差滿足規范規定后，使用測量控制網平差系統，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據以及精度指標。

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。在適當的位置安置水準儀，在同一測站觀測時，精確整平圓水準器，每測段測站數宜為偶數，不得兩次調焦。

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

3.4 野外碎部點數據采集

公路設計中的數字化測繪基本上由兩個人完成，一人跑尺并做內業繪圖，一個觀測并在全站儀上作業和編碼。在公路設計數字化測繪中，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 內業數據處理，圖形編輯，制圖輸出

公路工程設計中，數字化測繪的重要內容之一是測量數據的處理。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，都需要選擇適當的測量手段，根據測量平差理論和誤差分析，對測量成果進行處理和分析。

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

4 結語

公路工程設計中，測繪單位技術創新的任務和方向之一是開展大量的數字化測繪技術實例工程測量。隨著數字工程的深入發展以及數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。在測繪領域中，數字化測繪技術占據主導地位。為了適應新技術的發展，未來數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展。

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

[2]賀麗娟，曹振一.數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.現代數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.數字化地籍調查與測繪技術探討[J].價值工程，2010，（28）：119.