測(cè)繪“3S”技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用與展望

蘭斌

摘 要：本文結(jié)合“3S”技術(shù)的最新發(fā)展，介紹其在工程測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景，結(jié)合實(shí)例分析當(dāng)前應(yīng)用中存在的問題，并做出展望。

關(guān)鍵詞：GPS；GIS；RS；工程測(cè)量；應(yīng)用

一、“3S”技術(shù)的概念

“3S”技術(shù)是GPS、GIS、RS三門測(cè)繪學(xué)科的統(tǒng)稱，分別指的是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感。GPS獲得的精確位置信息可以幫助遙感影像和航攝像片的幾何校正和鑲嵌，GPS和RS技術(shù)為GIS空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新提供了重要手段，而GIS的應(yīng)用也提高了RS的數(shù)據(jù)提取和分析能力。“3S”技術(shù)的集成為工程測(cè)量提供了全新的測(cè)量手段、思維工具以及描述語言，將三種技術(shù)進(jìn)行有效整合，揚(yáng)長避短。

二、GPS技術(shù)

（一）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展概況

從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功開始，人類在空間科學(xué)這一領(lǐng)域取得了很多重大突破。得益于其高精度、高效率、多功能、全天候、應(yīng)用廣泛、易于操作等特點(diǎn)，GPS定位技術(shù)在測(cè)繪學(xué)、導(dǎo)航、遙感、土地資源管理、軍事及氣象等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如今，GPS已成為測(cè)繪領(lǐng)域中一種極為重要的測(cè)量定位方法。近年隨著RTK技術(shù)功能的不斷完善，其在工程放樣中得到了廣泛應(yīng)用，大大降低了放樣的計(jì)算工作量和外業(yè)觀測(cè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

（二）GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的新應(yīng)用

1、線路勘測(cè)及隧道貫通測(cè)量

線路的勘察測(cè)設(shè)、管線量測(cè)以及隧道貫通測(cè)量等都是公路、鐵路、水利、電力、通信等工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，由于這類帶狀地形的控制網(wǎng)往往以狹長形式布設(shè)，又常常穿過山區(qū)、樹林，通視條件受山林、高差起伏較大等情況所限，傳統(tǒng)控制測(cè)量作業(yè)模式建立控制網(wǎng)，無論是前期的網(wǎng)形設(shè)計(jì)、選點(diǎn)、埋石，還是后期的施測(cè)都會(huì)遇到很多問題，控制測(cè)量的精度也難以達(dá)到要求。即便克服重重困難達(dá)到了要求，其耗費(fèi)的成本也會(huì)很高。同時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量方法作業(yè)時(shí)間較長，直接影響了工程建設(shè)的工期。從GPS技術(shù)引入該領(lǐng)域以來，其測(cè)量效率及測(cè)量精度得到了極大提高。例如，我公司張呼鐵路一分部的東土村隧道，全長為4.56km，且地形條件復(fù)雜，所以隧道洞外平面控制測(cè)量采用GPS進(jìn)行測(cè)量。按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10601-2009）的要求，當(dāng)隧道長度在4～6km之間時(shí)，按照二等GPS測(cè)量的要求進(jìn)行控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)。該隧道是利用復(fù)測(cè)成果穩(wěn)定的CPI和CPII控制點(diǎn)與加密控制點(diǎn)，在隧道進(jìn)出口組成大地四邊形或三角形。隧道洞外控制網(wǎng)的布設(shè)形式如下：

（1）隧道進(jìn)口控制點(diǎn)布設(shè)

東土村隧道進(jìn)口共設(shè)置平面控制點(diǎn)3個(gè)（加密點(diǎn)2個(gè)，CPI點(diǎn)1個(gè)）分別為JM5101、JM5102、CPI6023；高程控制點(diǎn)4個(gè)（加密點(diǎn)3個(gè)，CPI點(diǎn)1個(gè)）分別為JM5101、JM5102、JM5103、CPI6023，具體詳見圖1。

（2）隧道出口控制點(diǎn)布設(shè)

東土村隧道出口共設(shè)置平面控制點(diǎn)3個(gè)（加密點(diǎn)3個(gè)）分別為JM5107、JM5109、JM5110；高程控制點(diǎn)3個(gè)（加密點(diǎn)3個(gè)）分別為JM5108、JM5109、JM5110，具體詳見圖2。

（3）洞外控制測(cè)量橫向貫通誤差估算

在GPS控制測(cè)量前，應(yīng)按下式估算測(cè)量設(shè)計(jì)的驗(yàn)前橫向貫通中誤差 式中后兩項(xiàng)可由式計(jì)算得到洞外定向誤差

L—相向開挖隧道計(jì)算設(shè)計(jì)長度，考慮到洞外GPS控制點(diǎn)位布設(shè)離洞口有一定距離的因素，取隧道線路長度加1km。

mJ、mC—進(jìn)、出口 GPS控制點(diǎn)的 Y坐標(biāo)誤差，根據(jù)復(fù)測(cè)成果分析CPI控制點(diǎn)Y坐標(biāo)誤差均小于10mm，所以Y坐標(biāo)誤差均取10mm。

LJ、LC—進(jìn)、出口GPS控制點(diǎn)至貫通點(diǎn)的長度；貫通面擬選在隧道中點(diǎn)。

mαJ、mαc—進(jìn)、出口 GPS聯(lián)系邊的方位中誤差；

θ、φ—進(jìn)、出口控制點(diǎn)至貫通點(diǎn)連線與貫通點(diǎn)線路切線的夾角。

—GPS測(cè)量定向聯(lián)系邊方向中誤差（″），二等GPS規(guī)范要求取1.3″限差，ρ=206265″

則由上述計(jì)算式可得：

洞外橫向貫通誤差的限差為40mm，顯然28.5mm<40mm，所以滿足規(guī)范中的限差要求。

2、CORS系統(tǒng)

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System）簡稱CORS，是現(xiàn)代GPS技術(shù)發(fā)展的熱門。CORS系統(tǒng)是一種集衛(wèi)星定位技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)多學(xué)科融合的測(cè)量新技術(shù)。CORS系統(tǒng)在城市工程測(cè)量中有很好的應(yīng)用及發(fā)展前景，它可以提高速度與效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，省去測(cè)量標(biāo)志保護(hù)和修復(fù)的費(fèi)用，節(jié)省各項(xiàng)測(cè)繪工程和實(shí)施過程中45%的控制費(fèi)用。

CORS系統(tǒng)在城市工程測(cè)量應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）CORS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷地工作，且用戶無需架設(shè)基站，只需準(zhǔn)備終端，即GPS-RTK接收機(jī)即可進(jìn)行實(shí)時(shí)的快速定位。

（2）覆蓋范圍廣，CORS系統(tǒng)覆蓋的半徑為30km，遠(yuǎn)大于常規(guī)RTK基站幾公里的工作半徑。且使用CORS系統(tǒng)時(shí)無需考慮差分和差分站的質(zhì)量，使用起來更加方便靈活。

（3）精度可靠，在CORS系統(tǒng)的覆蓋半徑內(nèi)，數(shù)據(jù)的精度大致均勻，不會(huì)存在因支站引起的起算數(shù)據(jù)精度低的影響，且沒有誤差累積。

CORS系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)化概念引入到了大地測(cè)量應(yīng)用中，該系統(tǒng)的建立不僅為測(cè)繪行業(yè)帶來了深刻的變革，也將為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中的空間信息服務(wù)帶來新的思維和模式，該系統(tǒng)使得測(cè)區(qū)內(nèi)每個(gè)用戶都能實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的精度，這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業(yè)效率和質(zhì)量，對(duì)于用戶來說，它不再要求建立臨時(shí)參考基站，從而節(jié)省了時(shí)間，最大限度地提高了作業(yè)效率，節(jié)約了成本。

近幾年，國內(nèi)不同行業(yè)已經(jīng)陸續(xù)簡歷了一些專業(yè)性衛(wèi)星定位運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)和站點(diǎn)，同時(shí)在一大批城市、省區(qū)以及企業(yè)、行業(yè)還在籌劃建立相應(yīng)的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)連續(xù)的運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)項(xiàng)目正在籌建中。我國第一個(gè)連續(xù)性的運(yùn)行參考站系統(tǒng)由深圳市建立（SZ-CORS），已實(shí)現(xiàn)全面地投入測(cè)量應(yīng)用。我國的部分省市也初步建成或正在建立類似CORS系統(tǒng)，例如廣東、浙江、北京、福建、上海、成都、武漢、重慶和哈爾濱等。

我公司近幾年的業(yè)務(wù)發(fā)展范疇也正從常規(guī)的公路、鐵路項(xiàng)目擴(kuò)展到市政、軌道交通等項(xiàng)目，隨著CORS系統(tǒng)的發(fā)展完善及應(yīng)用的普及，相信不久的將來，CORS系統(tǒng)會(huì)在市政項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮巨大的作用。其不需架設(shè)參考站、真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)，也會(huì)為項(xiàng)目施工建設(shè)控制成本、提高效率、節(jié)約費(fèi)用。

（三）GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用展望

1、應(yīng)用中存在的問題與對(duì)策

雖然GPS發(fā)展到今天，各項(xiàng)技術(shù)已日趨完善，定位的精度與可靠性也在不斷地提高，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問題。

（1）在峽谷、樹木茂密的低區(qū)，可見衛(wèi)星數(shù)受到限制，影響了GPS系統(tǒng)定位的精確性，有時(shí)甚至需要選擇適宜的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。

（2）強(qiáng)發(fā)射物體對(duì)信號(hào)的折射，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，多路徑效應(yīng)的改正一直是GPS數(shù)據(jù)處理的一大難題。

（3）太陽黑子等太陽或月亮的活動(dòng)對(duì)精密定位測(cè)量存在一定誤差，如果做高等級(jí)GPS靜態(tài)控制測(cè)量時(shí)遇到太陽黑子，數(shù)據(jù)處理后的成果很可能會(huì)超限。

（4）和大多電子設(shè)備一樣，GPS接收機(jī)，尤其是液晶顯示屏和電池在極低或極高的溫度下使用都會(huì)受影響。

所以說，GPS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展既受GPS系統(tǒng)本身及開發(fā)的制約，也受使用單位技術(shù)條件的支持。為此，要全面推進(jìn)GPS在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，還應(yīng)重視下述問題：

①重視應(yīng)用理論與技術(shù)研究，尋求新的數(shù)據(jù)處理方法，開發(fā)新的實(shí)用軟件。

②采取切實(shí)可行的措施進(jìn)行技術(shù)和設(shè)備創(chuàng)新，如采用可同時(shí)接收美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟Galileo系統(tǒng)信號(hào)的接收機(jī)，改善GPS系統(tǒng)的有效性、完整性和定位精度，從而保證在有障礙環(huán)境中的定位精度。

③建立獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（中國北斗系統(tǒng)），完全擺脫對(duì)美國GPS系統(tǒng)的依賴，這在國防軍事領(lǐng)域有著重要的意義。

2、應(yīng)用前景

隨著GPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，能夠一次性確定三維坐標(biāo)的高速度、高效率、高精度的GPS技術(shù)正在逐漸取代長期使用的以測(cè)角、測(cè)距、測(cè)水準(zhǔn)為主體的常規(guī)工程測(cè)量技術(shù)。相信不久的將來，GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大跨度斜拉橋自振特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，甚至GPS水上打樁定位系統(tǒng)都會(huì)日益普及，它們最大的優(yōu)勢(shì)是不受通視條件和雨、霧等自然條件的影響，運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、提高效率，且基本可以實(shí)現(xiàn)全天候工作。

三、GIS技術(shù)

（一）GIS的定義

GIS即地理信息系統(tǒng)，主要涉及地理學(xué)、測(cè)量學(xué)、制圖學(xué)、攝影測(cè)量與遙感、計(jì)算機(jī)科學(xué)。特別是計(jì)算機(jī)制圖、數(shù)據(jù)庫管理、遙感和地理學(xué)構(gòu)成了GIS的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)支持下，GIS系統(tǒng)對(duì)有關(guān)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、檢索、更新、顯示、制圖、綜合分析和應(yīng)用，實(shí)時(shí)提高多種時(shí)間空間的地理信息，并以多種形式輸出圖形產(chǎn)品或數(shù)據(jù)，為工程建設(shè)研究和方案決策服務(wù)。目前，GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、城市規(guī)劃、土地資源管理、林業(yè)、水利、氣象等諸多領(lǐng)域。

（二）GIS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

近年來，利用GIS具有的對(duì)大量信息的采集、處理、分析與統(tǒng)計(jì)功能，將其廣泛應(yīng)用于區(qū)域規(guī)劃、資源管理、環(huán)境治理和輔助決策等。以交通工程為例，其應(yīng)用前景主要包括：對(duì)各種與交通工程有關(guān)的幾何和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，為交通工程方案的選擇、工程的設(shè)計(jì)和施工過程中的動(dòng)態(tài)管理服務(wù)。利用GIS緩沖區(qū)分析功能和對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的統(tǒng)計(jì)功能，可以為交通工程的征地拆遷統(tǒng)計(jì)工作服務(wù)。總之，將GIS用于交通建設(shè)可以保持各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、規(guī)范，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，便于提高交通工程的效率。

四、RS技術(shù)

（一）RS的定義

遙感泛指通過非接觸傳感器遙測(cè)物體的幾何與物理特征的技術(shù)。應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)地面物體進(jìn)行探測(cè)，是以地物波普特性為基礎(chǔ)進(jìn)行的。地物波普特性是指地面物體具有的輻射、吸收、反射和透射一定波長范圍電磁波的特性。通過對(duì)遙感圖像的解譯，可獲取三方面的信息：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布特點(diǎn)，目標(biāo)地物的屬性特點(diǎn)，目標(biāo)地物的變化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。根據(jù)影像特征的差異可以識(shí)別和區(qū)分不同的地物，從中提取地物的幾何或物理信息并加以數(shù)據(jù)分析，可對(duì)地物的性質(zhì)、類型或狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（二）RS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感圖像宏觀、直觀、逼真、豐富的信息為工程設(shè)計(jì)、工程可行性研究、路線工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和工程初步設(shè)計(jì)提供了有利條件。遙感技術(shù)猶如軍事領(lǐng)域的“數(shù)字沙盤”，將野外現(xiàn)場(chǎng)搬到室內(nèi)進(jìn)行分析研究，不但能提高工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且能夠加快勘測(cè)設(shè)計(jì)速度，減少勘測(cè)費(fèi)用，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。特別是在調(diào)研階段，RS以其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和全面性為選擇最佳設(shè)計(jì)方案提供了巨大的便利，大大節(jié)約了時(shí)間，節(jié)省工程勘探費(fèi)用，還能幫助設(shè)計(jì)人員了解沿線建筑材料的分布、儲(chǔ)量、運(yùn)距等情況，為施工創(chuàng)造良好的便利條件。

近幾年來，隨著無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得RS平臺(tái)投入生產(chǎn)應(yīng)用的成本大大降低。以內(nèi)蒙古省道203線AA-4標(biāo)為例，如對(duì)全線16.5km施工便道臨時(shí)征地的草場(chǎng)面積進(jìn)行確認(rèn)，若直接根據(jù)線路長度對(duì)草場(chǎng)面積進(jìn)行估算，則所得數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確；若使用GPS采集便道兩側(cè)點(diǎn)位，后經(jīng)內(nèi)業(yè)將采集的點(diǎn)展繪在CAD上最終求得其面積，所得數(shù)據(jù)雖然準(zhǔn)確，但會(huì)耗費(fèi)大量人力物力以及時(shí)間；若以無人機(jī)為平臺(tái)，獲取帶狀影像，再經(jīng)ArcGIS、CAD等內(nèi)業(yè)處理軟件將柵格數(shù)據(jù)矢量化，描繪出便道的邊界并計(jì)算其面積，從外業(yè)獲取影像數(shù)據(jù)到內(nèi)業(yè)處理及分析，不到一天的時(shí)間即可完成，既可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又大大節(jié)省了時(shí)間和人力，提高了效率。

五、測(cè)繪“3S”技術(shù)的集成

測(cè)繪“3S”技術(shù)的集成，顧名思義，是針對(duì)三種技術(shù)的一個(gè)功能集成的集合體。具體來說就是用GPS獲取精準(zhǔn)位置，用RS獲取或更新空間數(shù)據(jù)，用GIS分析與表現(xiàn)。利用 GPS 技術(shù)的空間定位功能和 RS 技術(shù)的區(qū)域信息提供功能，以及 GIS 技術(shù)的空間分析功能，來有效獲取信息并對(duì)信息進(jìn)行綜合集成，最終為工程決策提供有效依據(jù)。如今，“3S”技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于諸如工程建設(shè)、城市規(guī)劃、土地資源管理、漁業(yè)以及環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域之中。可以預(yù)見，“3S”技術(shù)集成將會(huì)在城市和工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，將為“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字工程”、“數(shù)字工業(yè)”等提供重要的技術(shù)支撐。

六、結(jié)語

現(xiàn)代工程測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，主要為測(cè)量工作的內(nèi)、外業(yè)一體化，數(shù)據(jù)的獲取、處理自動(dòng)化，測(cè)量成果的可視化，測(cè)量過程控制的智能化以及測(cè)量信息管理的高效化。測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)主要向快速、動(dòng)態(tài)以及實(shí)時(shí)的方向發(fā)展。同時(shí)，國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也對(duì)工程測(cè)量提出了新的要求。“3S”技術(shù)與通迅技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效結(jié)合，將從根本上改變傳統(tǒng)測(cè)繪學(xué)科的內(nèi)涵。

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