吳興禮

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

為了確定道路建設(shè)地區(qū)最有利的方向，需要提前檢查路線，根據(jù)測量結(jié)果和地形圖數(shù)據(jù)選擇準(zhǔn)確的路線，待路線規(guī)劃確定后，便可進(jìn)行工程道路的設(shè)計(jì)和測量。3S 技術(shù)包括以下主要組成部分：全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)（global positioning system, GPS），遙感技術(shù)（remote sensing, RS），地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）。3S 技術(shù)憑借數(shù)據(jù)大、搜索快、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于資源管理、骨干研究、城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域[1]。

1 現(xiàn)代測繪新技術(shù)

GPS：通過對衛(wèi)星信號的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離接收和計(jì)算，可以利用所有物體上的點(diǎn)坐標(biāo)相對于地球上各點(diǎn)的坐標(biāo)來查找信息源的位置。

RS：即可直接與人體紅外探測器探測和記錄目標(biāo)電磁波傳輸?shù)奶囟y量值和特性變化。其可以通過遙感直接檢測或與記錄的目標(biāo)進(jìn)行通信，無須使用人工設(shè)備和人員。通過分析紅外遙感影像，可以更好地了解這些遙感物體實(shí)際存在的各種基本屬性特征，特別是空間屬性和屬性特征的變化。

GIS：是利用當(dāng)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件，全面有效地管理、監(jiān)測和處理三維空間地理數(shù)據(jù)能力系統(tǒng)和實(shí)時(shí)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)，其具有許多重要功能，如模擬計(jì)算系統(tǒng)。

3S 技術(shù)可以為現(xiàn)代研究和公共管理提供新的研究領(lǐng)域和工具，即RS 和GPS 聯(lián)合系統(tǒng)可以及時(shí)為GIS 數(shù)據(jù)提供大量可靠的空間信息和對管理決策有用的信息技術(shù)參考[2]。

1.1 RS 與 GPS 的集成

GPS 技術(shù)具有強(qiáng)大的定位傳輸功能，能夠直接將與RS 技術(shù)相關(guān)的定位數(shù)據(jù)自動向本地GIS 應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并通過保證傳輸兩種定位數(shù)據(jù)信號的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)性，對當(dāng)?shù)谿IS 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)庫自動進(jìn)行異常監(jiān)測。結(jié)合RS 數(shù)據(jù)，相關(guān)工程可輕松查詢到與GPS 數(shù)據(jù)相關(guān)的定位服務(wù)信息。

1.2 GIS 與 RS 的集成

GIS 與RS 的完美結(jié)合有以下特征：GIS 數(shù)據(jù)信息主要取自RS 數(shù)據(jù)庫；GIS 實(shí)際上是對空間遙感數(shù)據(jù)信息的復(fù)雜處理進(jìn)行技術(shù)支持。兩者結(jié)合使用，需要處理與柵格、矢量數(shù)據(jù)等相關(guān)系統(tǒng)的復(fù)雜接口問題：遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式基本為柵格格式，存儲數(shù)據(jù)格式為像素存儲格式；GIS 技術(shù)通常顯示為圖形矢量，一般情況下實(shí)時(shí)空間信息數(shù)據(jù)以矢量形式存儲，如作為點(diǎn)、線或面圖。兩者的關(guān)鍵區(qū)別在于圖像、制圖和數(shù)據(jù)以獨(dú)特的三維空間概念形式完成了現(xiàn)實(shí)世界信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)視圖的存儲。

1.3 GIS 與 GPS 的集成

GPS 和GIS 之間的有效結(jié)合，能夠更加充分地發(fā)揮二者的優(yōu)勢，同時(shí)也更能提供出更完善、先進(jìn)、可靠的系統(tǒng)功能，以保證這兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)性能均能被提升并應(yīng)用到更新、更好的平臺上。利用GIS 定位系統(tǒng)，可直接在地圖屏幕上快速呈現(xiàn)出GPS 實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)信息，便于查詢?nèi)蚵螖?shù)據(jù)。

1.4 GIS、GPS 和 RS 的集成

3S 的集成主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：①以GPS 和RS 系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)中心。②完全以GIS 軟件為集成中心。前者可同時(shí)對數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)同步處理。根據(jù)各種RS、GPS 相關(guān)數(shù)據(jù)信息，利用各種GIS 的數(shù)據(jù)庫資源和系統(tǒng)本身所具有的動態(tài)分析決策功能，為其他相關(guān)專業(yè)部門系統(tǒng)的信息動態(tài)化管理、決策優(yōu)化等工作帶來了實(shí)際幫助[3]。

2 3S 技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 GPS 在公路測量中的應(yīng)用

相較于其他傳統(tǒng)道路測量，GPS 主要具有如下技術(shù)優(yōu)勢：定位高度精準(zhǔn)、觀測數(shù)據(jù)快速、三維坐標(biāo)、使用簡單方便以及不需要通視器等。由上述特點(diǎn)可知，GPS 在整個(gè)公路控制測量工程領(lǐng)域得到了更廣泛有效的商業(yè)運(yùn)用。例如，對國道上重要控制點(diǎn)的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和存儲、隧道測控；對主要公路和橋梁進(jìn)行直接監(jiān)測和測量等。公路路線一般處在一條帶狀走廊內(nèi)，其平面控制測量往往采用導(dǎo)線形式，包括附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線等導(dǎo)線網(wǎng)形式。對于重要構(gòu)造物如大橋、特大橋、長大隧道等，可布設(shè)成三角網(wǎng)、線形鎖等形式。公路工程的測量主要應(yīng)用了GPS 的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點(diǎn)的三維坐標(biāo)；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上。GPS 在公路測量中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 GPS 在公路測量中的應(yīng)用

2.2 RS 在公路建設(shè)中的應(yīng)用

隨著空間探測技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感影像所提供的豐富地理信息，為工程地址評價(jià)、工程研究、公路設(shè)計(jì)選線技術(shù)等提供了極大的信息幫助，在推進(jìn)工程測量項(xiàng)目的同時(shí)，大大提高了測線選擇的質(zhì)量，節(jié)省了工程測量和工程制圖的成本。在可鉆研的階段工作中，RS 憑借其能提供豐富準(zhǔn)確的資料信息和完整可靠翔實(shí)的工程數(shù)據(jù)檔案等多種優(yōu)勢，可進(jìn)一步確定出合理有效的施工線路方案，節(jié)省地質(zhì)勘探工程投資。此外，RS 還能提高讓現(xiàn)場設(shè)計(jì)勘測人員深入了解沿線地下材料埋藏的空間開挖現(xiàn)狀和空間分布規(guī)律狀況，為項(xiàng)目施工方案提供合理可靠的條件。RS 監(jiān)理對象分類流程如圖2 所示。

圖2 RS 監(jiān)理對象分類流程

2.3 GIS 在公路建設(shè)中的應(yīng)用

當(dāng)下，人類已經(jīng)借助計(jì)算機(jī)GIS 軟件對各種信息資源進(jìn)行整合，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)采集、分析比較以及自動處理查詢等諸多功能，同時(shí)在社會資源綜合管理、環(huán)境智力開發(fā)以及各類政府資源決策研究等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐，并取得了較好效果。但要想積極促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)GIS 系統(tǒng)的進(jìn)一步普及化、社會化，就必須力求在各種工程信息化建設(shè)應(yīng)用領(lǐng)域上廣泛推廣與應(yīng)用GIS 技術(shù)。此外，還借助與某一個(gè)平臺、GIS 軟件相關(guān)的專業(yè)模型，創(chuàng)建與道路工程規(guī)劃建設(shè)等相匹配的專業(yè)模型，為今后各種公路專業(yè)勘測、設(shè)計(jì)施工以及養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)等實(shí)際操作提供便利。

從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)前景分析，GIS 技術(shù)能夠提供以下3 種功能：

（1）對于與現(xiàn)代公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有關(guān)聯(lián)的公路幾何、屬性圖等相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)予以集成分析。

（2）利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理分析等各種相關(guān)服務(wù)功能，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最大比例尺面積和實(shí)際投影面，為實(shí)際公路網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)決策挑選出最適合的設(shè)計(jì)方案，并以此為線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工決策等活動提供必要的依據(jù)。

（3）利用GIS 數(shù)據(jù)本身具備的大量資料統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等功能，能夠更好地幫助公司做好公路房屋拆遷處理等服務(wù)工作。

在公路測量工程中，GIS 逐步應(yīng)用于國內(nèi)公路基礎(chǔ)建設(shè)各行業(yè)，切實(shí)保證了公路數(shù)據(jù)工作的全面規(guī)范化，改善了道路建設(shè)的整體效率[4]。BIM+GIS 模擬公路三維場景如圖3 所示。

圖3 BIM+GIS 模擬公路三維場景

3 3S 技術(shù)在公路測量應(yīng)用中存在的主要問題

在平面控制測量與空間測量等研究領(lǐng)域，GPS方法已充分且成功有效地應(yīng)用于過程較為復(fù)雜的系統(tǒng)，但同時(shí)也逐步暴露出其他問題。①坐標(biāo)選擇系統(tǒng)。GPS 定位通常根據(jù)實(shí)際需要選擇WGS-84 大地坐標(biāo)系，但實(shí)際上中國國家觀測點(diǎn)較多，大地坐標(biāo)系只有兩種，且這兩種坐標(biāo)系之間的數(shù)值可以獨(dú)立轉(zhuǎn)換，用戶可以直接或使用專業(yè)的計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換計(jì)算。②投影面的問題。一些城市設(shè)計(jì)開發(fā)公司和城市建設(shè)部門有可能長期面臨類似的問題。根據(jù)國家民用公路全球動態(tài)導(dǎo)航及定位決策輔助設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范準(zhǔn)則（GPS）標(biāo)準(zhǔn)（JTJ/T 066-98）而制定出的相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)范：當(dāng)系統(tǒng)采用WGS-84 大地坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并校正偏移時(shí)，在測區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的投影和長度變形的修正幅值偏差應(yīng)由自動系統(tǒng)控制偏差范圍，一般在正負(fù)各2.5 cm/km 范圍以內(nèi)。結(jié)合待測目標(biāo)地區(qū)實(shí)際或自身所在環(huán)境區(qū)域的自然地理位置、高程及其變化程度等[5]，或者根據(jù)實(shí)際按如下標(biāo)準(zhǔn)選取的方法來分別確定自身所在相應(yīng)環(huán)境區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)。

（1）當(dāng)縱向應(yīng)變值小于等于2.5 cm/km 時(shí)，可以直接選擇高斯投影3°坐標(biāo)系（有平面直角）。

（2）當(dāng)長度變形值超過2.5 cm/km 時(shí)，可相應(yīng)選擇以下高速公路的債務(wù)清償對象坐標(biāo)系：①1954 年北京坐標(biāo)系和1980 年西安坐標(biāo)系上所對應(yīng)的坐標(biāo)系。②補(bǔ)償?shù)燃壸鴺?biāo)系按上述規(guī)則。③補(bǔ)償高度面對應(yīng)的坐標(biāo)系，根據(jù)上述規(guī)則，可以根據(jù)投影的變形值來確定相對投影。

在特定項(xiàng)目或建設(shè)的執(zhí)行階段，為了方便實(shí)際的建設(shè)工作，有些建設(shè)部門可能期望在不進(jìn)行常規(guī)計(jì)算的情況下接收控制數(shù)據(jù)。但是，該方式仍然難以充分保證GPS 數(shù)據(jù)跟蹤的可靠性。

因此，可以考慮選擇傳統(tǒng)的重新分析坐標(biāo)結(jié)果的方法。在檢查公路測量的準(zhǔn)確性時(shí)，可以根據(jù)沒有投影和校正測量的結(jié)果重新測量和設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測繪新技術(shù)領(lǐng)域有明顯大的進(jìn)步，在公路現(xiàn)代化建設(shè)各個(gè)階段，測繪新技術(shù)起到了極為重要且關(guān)鍵的積極作用。借助3S 測量技術(shù)，可及時(shí)對公路走廊帶上公路的基本地質(zhì)構(gòu)造情況以及路面地形結(jié)構(gòu)等工程狀況進(jìn)行深入了解，為未來公路地質(zhì)勘查項(xiàng)目規(guī)劃立項(xiàng)（預(yù)可階段）審批、工程研究設(shè)計(jì)評審等活動搭建堅(jiān)實(shí)可靠、高效的信息化技術(shù)平臺，促進(jìn)政府相關(guān)部門單位盡快做出全面且正確的項(xiàng)目決策，提出可行、合理、高效的工程設(shè)計(jì)和方案，并據(jù)此控制和管理好整個(gè)工程系統(tǒng)的項(xiàng)目投資建設(shè)成本。