余興勝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 橋涵勘測技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前鐵路橋涵勘測技術(shù)領(lǐng)域多種測量技術(shù)并存，主要有以全站儀為代表的傳統(tǒng)測量技術(shù)，以GPS為主的衛(wèi)星測量技術(shù)，以及以飛機(jī)作為主要平臺的攝影測量技術(shù)［1］。衛(wèi)星測量技術(shù)和攝影測量技術(shù)因其具有快速、方便、高效的優(yōu)勢，越來越受到重視，發(fā)展迅速，并在一些領(lǐng)域成功應(yīng)用［2］，但同時(shí)它們又存在容易受植被、建筑物、電磁干擾等影響的缺點(diǎn)，不能完全滿足橋涵勘測的需要，需要借助傳統(tǒng)測量技術(shù)作補(bǔ)充［3］。

1.1 傳統(tǒng)測量技術(shù)

傳統(tǒng)測量設(shè)備可分為純光學(xué)和光學(xué)電子兩大類，目前純光學(xué)的經(jīng)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(tǒng)［4］。全站儀具有強(qiáng)大的運(yùn)算器和存儲(chǔ)器，能夠存儲(chǔ)采集的測量數(shù)據(jù)，通過通訊接口和通訊電纜可以與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸。用戶還可以為其開發(fā)專用程序，滿足特殊的測量用途。早期的全站儀需要設(shè)備廠家的授權(quán)才能導(dǎo)入自己開發(fā)的程序，新型全站儀多采用開放的系統(tǒng)，用戶可以像操作電腦一樣方便地安裝自己開發(fā)的程序。

1.2 衛(wèi)星測量技術(shù)

當(dāng)前衛(wèi)星測量領(lǐng)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(tǒng)。GPS技術(shù)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在測量領(lǐng)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(gè)方面［5-6］，目前使用的衛(wèi)星測量主要是以GPS系統(tǒng)為主，GLONESS和北斗系統(tǒng)作補(bǔ)充。GPS RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位)技術(shù)是GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的組合系統(tǒng)，是GPS技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要突破［7-9］。RTK技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測量出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，根據(jù)RTK測量使用統(tǒng)計(jì)，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(shí)是一個(gè)智能終端，用戶可以開發(fā)自己的專用程序，通過數(shù)據(jù)線、藍(lán)牙等直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

1.3 攝影測量技術(shù)［10-12］

攝影測量根據(jù)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(jī)以攝影方式記錄地物的反射光譜能量，獲取各種圖像數(shù)據(jù)，通過一定的相片重疊度(航向重疊、旁向重疊)實(shí)現(xiàn)立體觀測。遙感攝影機(jī)鏡頭比普通攝影機(jī)更為精密復(fù)雜，除了物鏡畸變小、分辨率高、透光力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定外，還具備攝影過程高度自動(dòng)化，可自動(dòng)連續(xù)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(diào)繪來測繪地形圖。目前鐵路地形圖多采用以飛機(jī)作為遙感平臺的航空攝影測量，航測地形圖包含三維點(diǎn)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(shù)據(jù)。

2 構(gòu)建橋涵勘測技術(shù)新體系

全站儀等傳統(tǒng)測量技術(shù)基于光電技術(shù)，要求測點(diǎn)間必須通視，這就要求橋涵勘測工作必須在線路完成導(dǎo)線點(diǎn)布設(shè)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(dǎo)線點(diǎn)或方樁。隨著GPS技術(shù)在線路控制測量中廣泛應(yīng)用，橋涵定測工作基本上是直接利用基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)和線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)點(diǎn)，而CPⅠ、CPⅡ點(diǎn)相互之間多不通視［1］，橋涵勘測全部采用全站儀等傳統(tǒng)技術(shù)手段完成是非常繁瑣的。

GPS RTK測量時(shí)測點(diǎn)間無需通視，中線測量和橋涵勘測可并行進(jìn)行。同時(shí)省略全站儀等傳統(tǒng)測量時(shí)頻繁的儀器架設(shè)、引高程、對線位等步驟［4］，每天只需1次基站架設(shè)(采用CORS系統(tǒng)則不需架設(shè)基站)即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作組并行、無間斷測量。GPS RTK測量時(shí)每個(gè)工作組只需配備2名測工即可，一名測工負(fù)責(zé)操作GPS手薄，另一名測工進(jìn)行一些輔助測量工作，如丈量水深等。而傳統(tǒng)測量時(shí)每個(gè)工作組必須配齊負(fù)責(zé)司鏡，前點(diǎn)、后點(diǎn)、輔助測量的測工。GPS RTK測量與傳統(tǒng)測量相比可大大減少外業(yè)工作量，降低外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，減少測量作業(yè)人數(shù)，因此首選GPS RTK測量。但是GPS技術(shù)容易受觀測時(shí)衛(wèi)星的空間分布、衛(wèi)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(wèi)星信號不受干擾，同時(shí)需避開信號發(fā)射塔等干擾源。由于橋涵斷面測點(diǎn)一般都是地面變化點(diǎn)，部分點(diǎn)位的測量難免會(huì)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(dá)不到測量精度，稱為GPS測量盲區(qū)?；贕PS技術(shù)自身存在的缺點(diǎn)，全站儀仍是當(dāng)前橋涵測量必不可少的設(shè)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(shù)據(jù)，無需到現(xiàn)場逐點(diǎn)測量［11］。但由于其受植被影響非常大，攝影測量技術(shù)目前還主要應(yīng)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(shù)可以發(fā)揮比較好的效果。

綜上所述，選擇以GPS為主，傳統(tǒng)測量、攝影測量為輔來構(gòu)建全方位的橋涵勘測技術(shù)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(tǒng)測量作補(bǔ)充的方式。對于GPS測量盲區(qū)需由橋涵技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場情況及設(shè)計(jì)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(diǎn)位的盲區(qū)，必須采用全站儀測量，其余盲區(qū)可采用鋼尺丈量。

GPS和全站儀作為通用測量設(shè)備，功能非常強(qiáng)大，但并不能完全滿足橋涵勘測的要求，同時(shí)如果不對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)作必要規(guī)定，也無法滿足重現(xiàn)外業(yè)勘測過程的目標(biāo)。因此必須制訂GPS和全站儀橋涵勘測技術(shù)規(guī)程，配套編制各自的橋涵勘測專用軟件，實(shí)施橋涵勘測過程控制，規(guī)范橋涵勘測作業(yè)流程，使測量儀器以規(guī)定的格式存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，包括測點(diǎn)描述、尺量數(shù)據(jù)等的輸入。同時(shí)配套編制GPS、全站儀測量數(shù)據(jù)接收處理軟件，規(guī)范測量數(shù)據(jù)的交接和歸檔，使橋涵勘測內(nèi)外業(yè)無紙化銜接，實(shí)現(xiàn)重現(xiàn)外業(yè)勘測過程及橋涵勘測一體化的目標(biāo)。對于攝影測量技術(shù)，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(shí)施橋涵勘測過程控制

橋涵勘測系統(tǒng)必須圍繞橋涵勘測工作內(nèi)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(shí)，應(yīng)考慮在橋址上下游3～10 m內(nèi)增加輔助縱斷面并根據(jù)需要增加輔助橫斷面。測量過程中根據(jù)需要測設(shè)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?？梢允侵苯又付ɡ锍毯徒嵌?，也可以在目標(biāo)斷面上測2個(gè)點(diǎn)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(diǎn)里程測量。

(4)鄰近點(diǎn)測量，在斷面測量過程中進(jìn)行線路附近壩頂、梁底、既有墩位、洪水位點(diǎn)等設(shè)計(jì)相關(guān)點(diǎn)或點(diǎn)系的位置高程測量。橋涵測點(diǎn)的平面檢測限差0.05 m，高程檢測限差0.1 m(山區(qū)涵洞可放寬至0.2 m)，橫向偏差 0.2 m［1］。

實(shí)施橋涵勘測過程控制必須在測量設(shè)備上開發(fā)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(yīng)的作業(yè)規(guī)程，規(guī)范測量作業(yè)過程，使其以規(guī)定格式存儲(chǔ)各類測量數(shù)據(jù)。下面分別就橋涵GPS和全站儀測量系統(tǒng)及三維地形圖切斷面程序的實(shí)現(xiàn)作簡要介紹。

3.1 GPS測量系統(tǒng)

GPS RTK可以實(shí)時(shí)測量出點(diǎn)位的WGS 84經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過校正參數(shù)轉(zhuǎn)換成工程坐標(biāo)，系統(tǒng)通過工程坐標(biāo)和線路數(shù)據(jù)解算出測點(diǎn)的里程、高程和偏距，實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。橋梁縱斷面測量可直接使用解算結(jié)果。輔助縱斷面測量通過線路中線的偏移，并標(biāo)記點(diǎn)位所在斷面來實(shí)現(xiàn)。線路中線測量則通過標(biāo)記該點(diǎn)類型為中線樁，增加樁位描述實(shí)現(xiàn)。橫斷面測量時(shí)用橫斷面庫管理橫斷面，橫斷面測量可轉(zhuǎn)換為某個(gè)里程與線路成一定角度的一條線段上的測量，測量時(shí)所有點(diǎn)位需增加斷面的ID、平距及垂距信息。鄰近點(diǎn)測量實(shí)質(zhì)與縱斷面測量一樣，得到測點(diǎn)與線路的位置關(guān)系和高程，標(biāo)記該點(diǎn)是鄰近點(diǎn)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(biāo)法反算相交物的交點(diǎn)和夾角。測量時(shí)需在相交物的一邊測點(diǎn)1和點(diǎn)2確定相交建筑物與線路的夾角和交點(diǎn)里程，然后在相交物的另一邊測點(diǎn)3確定相交物的寬度和該邊與線路的交點(diǎn)里程(也可直接輸入寬度)，如圖1所示。橫斷面測量時(shí)通過斷面上測2個(gè)點(diǎn)確定斷面位置時(shí)，計(jì)算原理和相交物測量一樣，通過點(diǎn)1、點(diǎn)2的坐標(biāo)計(jì)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(wèi)星狀態(tài)等的影響，測量點(diǎn)位的精度具有不確定性，所以必須對點(diǎn)位測量的精度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［9］。橋涵測量時(shí)有效衛(wèi)星顆數(shù)不得少于5顆，點(diǎn)位數(shù)據(jù)均必須采用多歷元平滑存儲(chǔ)，測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集有效歷元數(shù)均不少于5個(gè)，控制性的重要鐵路、公路、河道等的點(diǎn)位的有效歷元不少于60個(gè)，一般道路、河道等點(diǎn)位的有效歷元不少于10個(gè)。固定解狀態(tài)下，平面精度、豎向精度和空間精度在限值以內(nèi)的歷元方為有效歷元。當(dāng)天測量開始前及結(jié)束后必須找前一天的放樣點(diǎn)或另一觀測站的放樣點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，確保當(dāng)天測量資料準(zhǔn)確無誤。

3.2 全站儀測量系統(tǒng)

全站儀具備運(yùn)算處理功能，通過聯(lián)測現(xiàn)場已知坐標(biāo)點(diǎn)位后，系統(tǒng)可以根據(jù)線路資料計(jì)算出測點(diǎn)的里程和偏距［4］，可實(shí)現(xiàn)與上述GPS測量系統(tǒng)相同的坐標(biāo)法測量。同時(shí)作為傳統(tǒng)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(diǎn)定線以直代曲的近似方法。其勘測過程如下:首先根據(jù)通視條件選擇任意點(diǎn)置鏡，接著后視一個(gè)中樁確定里程基準(zhǔn)，程序自動(dòng)將該點(diǎn)作為后視點(diǎn)引高程，如果該點(diǎn)是扁樁則需要再從高程點(diǎn)引高程。然后再引一個(gè)中樁即可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)定線確定線位，在有條件的情況下還需再實(shí)測一個(gè)中樁作為復(fù)核，如果該中樁的橫向偏差在0.1 m以內(nèi)，縱向偏差在0.2 m以內(nèi)可認(rèn)為線位準(zhǔn)確［1］，才能進(jìn)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(yīng)超過確定線位的中樁點(diǎn)兩側(cè)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(jì)算確定。系統(tǒng)控制測量閉合限差，記錄勘測時(shí)的線位確定、引高程、轉(zhuǎn)點(diǎn)和閉合過程，以及測站的位置、后視點(diǎn)、測點(diǎn)與線路的偏差、棱鏡高等信息，達(dá)到通過數(shù)據(jù)重現(xiàn)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(shù)，其他數(shù)字化三維成圖技術(shù)也可以使用。系統(tǒng)讀取三維地形圖中含有高程信息的點(diǎn)和線，建立地形的三維點(diǎn)庫，使用這些三維點(diǎn)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(diǎn)即可作為橋址縱斷面點(diǎn)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(shù)據(jù)。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(diǎn)即可。相交物的測量與GPS系統(tǒng)類似，可采用坐標(biāo)法反算。點(diǎn)位里程還需考慮線路斷鏈的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

4 實(shí)現(xiàn)橋涵勘測一體化

對橋涵勘測作業(yè)過程進(jìn)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(chǔ)數(shù)據(jù)，主要有斷面數(shù)據(jù)文件和GPS的角度數(shù)據(jù)文件或全站儀的引高程閉合文件。橋涵測量數(shù)據(jù)接收處理程序負(fù)責(zé)從測量設(shè)備中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)作檢查、分析、轉(zhuǎn)換、歸檔、查詢，并將數(shù)據(jù)翻譯成設(shè)計(jì)程序所需要的格式，與設(shè)計(jì)程序無縫銜接。

當(dāng)日橋涵測量作業(yè)完成后，測量組長需將GPS手薄或全站儀直接交給內(nèi)業(yè)橋匯組，采用橋涵測量數(shù)據(jù)接收處理程序，雙方共同導(dǎo)入當(dāng)天的測量數(shù)據(jù)文件。程序自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，繪制斷面圖形。雙方對測量內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)和必要修正，系統(tǒng)自動(dòng)記錄所有的修改內(nèi)容，并生成測量內(nèi)容表及接收單，簽署歸檔，詳細(xì)流程如圖2所示。設(shè)計(jì)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(xiàn)外業(yè)勘測過程，實(shí)現(xiàn)橋涵勘測內(nèi)外業(yè)無紙化銜接。

圖2 橋涵測量數(shù)據(jù)接收處理流程

5 橋涵勘測技術(shù)展望

在當(dāng)前各種測量技術(shù)并存的條件下，構(gòu)建全面的橋涵勘測一體化體系必須涵蓋傳統(tǒng)測量、衛(wèi)星測量和攝影測量，測量時(shí)結(jié)合各種技術(shù)的特點(diǎn)選擇。未來測量技術(shù)的發(fā)展很可能是各種技術(shù)融合的過程［2］，如新一代的測量機(jī)器人在全站儀上配備電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和程序控制，結(jié)合激光、通訊和CCD技術(shù)，可自動(dòng)尋找并精確照準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)測量的全自動(dòng)化。

將GPS接收機(jī)與全站儀結(jié)合在一起，可以將GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標(biāo)定位技術(shù)完美結(jié)合。集激光、GPS和慣性測量單元(IMU)3種技術(shù)于一身的LIDAR系統(tǒng)不久將投入實(shí)用［10］，它可以高度準(zhǔn)確地定位地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，獲取地面的高清晰數(shù)碼影像。裝配有攝像機(jī)的測量機(jī)器人也可能很快將進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。橋涵勘測一體化體系要緊跟測量技術(shù)發(fā)展的步伐，適時(shí)調(diào)整，以求更好地服務(wù)于橋涵勘測工作。

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