楊天宇

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041)

1 概述

公路設(shè)計(jì)所需的平、縱、橫斷面數(shù)據(jù)中，地面數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅影響公路路基和結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)質(zhì)量、土石方數(shù)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(jīng)濟(jì)地獲取地面數(shù)據(jù)對(duì)公路設(shè)計(jì)尤其是高等級(jí)公路施工圖設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。通過對(duì)平原、山區(qū)等不同高速公路項(xiàng)目采用不同方法獲取的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討如何高效、可靠地獲取公路施工圖設(shè)計(jì)所需縱橫地面數(shù)據(jù)。

2 地面數(shù)據(jù)的獲取方法

根據(jù)規(guī)范要求，公路施工圖設(shè)計(jì)階段須實(shí)地進(jìn)行路線中樁放樣、中樁高程及橫斷面測(cè)量。筆者認(rèn)為，進(jìn)行上述外業(yè)工作獲取三維地面數(shù)據(jù)，本質(zhì)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(guī)測(cè)量法、GPS－RTK法、數(shù)字地面模型(DTM)法。

(1)常規(guī)測(cè)量法:即采用全站儀、光電測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀等常規(guī)測(cè)量手段進(jìn)行路線中樁放樣、中樁高程測(cè)量和橫斷面測(cè)量;該方法方便、精確、可靠。

(2)GPS-RTK法:即全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，通過已知轉(zhuǎn)換參數(shù)，以不同的擬合方法進(jìn)行高程擬合，從而得到中(邊)樁的正常高(我國(guó)采用的高程系統(tǒng));該方法無(wú)需通視、速度快、精度高、全天候、經(jīng)濟(jì)高效。

(3)數(shù)字地面模型(DTM)法:即利用數(shù)字地面模型進(jìn)行任意點(diǎn)或斷面的地面高程插值計(jì)算，進(jìn)而獲得公路施工圖設(shè)計(jì)所需的縱、橫地面數(shù)據(jù);DTM的數(shù)據(jù)源有野外實(shí)測(cè)(可采用全站儀、三維激光掃描、GPSRTK等方式)、航空攝影、遙感、機(jī)載激光雷達(dá)、地形圖數(shù)字化等方法采集的數(shù)據(jù)。

3 不同方法采集地面數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 GPSRTK測(cè)量高程與水準(zhǔn)測(cè)量高程的統(tǒng)計(jì)分析

GPS-RTK作業(yè)的主要原理是，在測(cè)區(qū)選擇一基準(zhǔn)站并安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)或改正數(shù)通過無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站;流動(dòng)站GPS接收機(jī)在接受GPS信號(hào)的同時(shí)，通過無(wú)線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，利用相對(duì)定位的原理將實(shí)時(shí)獲得的WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)及相應(yīng)的正常高。轉(zhuǎn)換方法主要分為七參數(shù)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和平面坐標(biāo)由相似變換、高程由擬合得到的三維分離法［1］。

以我國(guó)華南平原地區(qū)及西南山區(qū)兩高速公路施工圖外業(yè)測(cè)量為例，其中樁地面高程分別實(shí)施了GPS RTK測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)這兩種方法獲得的中樁高程 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)高程值較差(單位:m)

由圖1數(shù)據(jù)知:

①在平原和山區(qū)分別統(tǒng)計(jì)的50個(gè)中樁高程數(shù)據(jù)中，其高程值較差(ΔH=HGPS－H水準(zhǔn))與高速公路、一二級(jí)公路中樁高程測(cè)量之相應(yīng)限差(兩次測(cè)量之差≤0.05m)［3］相比，平原與山區(qū)超限個(gè)數(shù)均為15個(gè)，占30%;與三級(jí)及三級(jí)以下公路中樁高程測(cè)量之相應(yīng)限差(兩次測(cè)量之差≤0.10m)［3］相比，平原區(qū)超限個(gè)數(shù)2個(gè)，占4%;山區(qū)超限個(gè)數(shù)7個(gè)，占14%。

②兩種測(cè)量方法施測(cè)的中樁高程值較差中，平原最小值0.01m、最大值0.12m，山區(qū)最小值0m、最大值－0.54m。GPS RTK中樁高程測(cè)量的中誤差:平原區(qū)±0.048m、山區(qū)±0.116m。據(jù)分析，該情況與山區(qū)植被茂密、GPS衛(wèi)星信號(hào)差、高程異常差較大等因素有關(guān)，也說明山區(qū)尤其是GPS衛(wèi)星信號(hào)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(qū)GPSRTK方法與水準(zhǔn)測(cè)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(nèi)插高程與水準(zhǔn)高程的統(tǒng)計(jì)分析

路線中樁DTM高程內(nèi)插，即利用道路設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)既定路線設(shè)計(jì)方案對(duì)已有公路數(shù)字地面模型(其數(shù)據(jù)源有ASC和POL格式、DWG和DXF格式、DGX和DLX格式、激光掃描數(shù)據(jù)LAS格式等)進(jìn)行數(shù)模構(gòu)建并進(jìn)行縱(橫)斷面插值。

對(duì)西南某山區(qū)高速公路數(shù)模高程與水準(zhǔn)實(shí)測(cè)高程進(jìn)行比較分析，比較情況見表1。

表1 路線中樁數(shù)模高程與水準(zhǔn)高程統(tǒng)計(jì)m

由表1知，在統(tǒng)計(jì)的60個(gè)中樁數(shù)模高程與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)高程值較差中，最小值－0.06m、最大值2.93m、中誤差±1.26m。可見，該項(xiàng)目數(shù)模高程精度不能滿足公路施工圖設(shè)計(jì)要求，若公路施工圖測(cè)設(shè)階段直接應(yīng)用數(shù)字地面模型(DTM)內(nèi)插地面高程數(shù)據(jù)時(shí)，則DTM自身精度應(yīng)得到保證，而這勢(shì)必增加DTM成本。

3.3 不同軟件DTM內(nèi)插高程的統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)同一項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)中線、同一DTM數(shù)據(jù)源，利用公路設(shè)計(jì)中常用兩種道路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行高程插值比較與分析，比較情況見表2。

表2 不同道路設(shè)計(jì)軟件DTM內(nèi)插高程統(tǒng)計(jì) m

由表2數(shù)據(jù)可見，兩種道路設(shè)計(jì)軟件在相同條件下的內(nèi)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(shè)計(jì)軟件由于算(方)法不盡相同，導(dǎo)致其內(nèi)插獲得的數(shù)模高程數(shù)據(jù)也有不同。根據(jù)作者多年經(jīng)驗(yàn)積累，相同條件下有時(shí)候某連續(xù)段落其差值會(huì)達(dá)到幾十米甚至上百米，這時(shí)肯定是某一軟件內(nèi)插出錯(cuò)誤數(shù)模高程，設(shè)計(jì)人員使用數(shù)模高程時(shí)必須對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行仔細(xì)核查。

以上數(shù)據(jù)分析中中誤差的計(jì)算公式為

式中:m為中誤差;Δν為GPS RTK(或數(shù)模)高程與水準(zhǔn)高程的差值;n為中樁個(gè)數(shù)。

4 結(jié)論與建議

(1)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，公路施工圖測(cè)設(shè)階段獲取地面數(shù)據(jù)的方法已頗豐富，但最為可靠的方法還是常規(guī)測(cè)量(即水準(zhǔn)儀或全站儀測(cè)量)法。

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

(3)平原地區(qū)GPS RTK測(cè)量獲得的地面數(shù)據(jù)，其精度和可靠性均優(yōu)于山區(qū);采用GPSRTK方法測(cè)量中樁高程時(shí)，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)采用的高程控制點(diǎn)不應(yīng)少于4個(gè)，且應(yīng)涵蓋整個(gè)中樁高程測(cè)量區(qū)域，流動(dòng)站至基準(zhǔn)站的距離應(yīng)小于5 km，觀測(cè)點(diǎn)不宜外推。

(4)綜合當(dāng)前勘測(cè)技術(shù)手段，全站儀(水準(zhǔn)儀)配合GPSRTK法是目前高效、可靠、經(jīng)濟(jì)地獲取公路施工圖設(shè)計(jì)所需縱橫地面數(shù)據(jù)的外業(yè)測(cè)量方法。

(5)數(shù)字地面模型應(yīng)用于施工圖測(cè)設(shè)階段時(shí)，原始三維地面數(shù)據(jù)必須野外實(shí)測(cè)采集［4］。在保證DTM自身精度的前提下，設(shè)計(jì)人員須對(duì)其所使用道路設(shè)計(jì)軟件內(nèi)插獲得的數(shù)模高程進(jìn)行有效檢核，不同的設(shè)計(jì)軟件內(nèi)插數(shù)模高程結(jié)果不同，盡量避免在內(nèi)插環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)。

(6)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)的工程建設(shè)之中，公路勘測(cè)設(shè)計(jì)同樣需要充分利用高精度的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)和新的技術(shù)手段，并配合高質(zhì)量的道路設(shè)計(jì)軟件，以提高我國(guó)公路勘測(cè)效率和設(shè)計(jì)水平。

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