数字化测绘技术在公路设计中的应用

周开礼

(贵州省遵义市交通勘察设计有限公司，贵州 遵义563000)

随着计算机及数字化技术的发展，数字化测图因为测图精确度高、数据采集迅速、使用方法简单、维护较为方便等优势，在城市规划、土地建设与管理中得到广泛应用。因此，数字化地形图成为新一代方便、快捷、直观的地形图而被应用于社会生活的方方面面。

1 数字化测绘技术

数字化测绘技术是指以计算机为核心，以全站性电子测速仪、GPS、数字摄影测量仪、数字化仪等为数据采集工具，在外界输入、输出设备软、硬件的支持下，对地形的数字空间数据进行采集、输入、成图、输出、管理的测绘技术。数字化测绘技术的系统组成如图1所示。下面将重点介绍数字测绘系统中的GPS技术和激光跟踪仪技术。

图1 数字化测绘技术的系统组成

1.1 GPS技术

室内GPS的激光发射器发出两个呈扇形的激光面，这两个激光扇面与垂直平面的夹角分别为+30°和－30°（如图2a）所示），扇面的俯仰覆盖范围也为±30°（如图2b）所示）。

图2 激光发射器两个扇形激光发射面范围

在工程测量中，区域内激光发射器分别向两个角度发射信息，即方位角和仰角，任何一个接收器都只能从这两个方向接受。方位角和仰角都是通过时间差计算获得的。其中，通过两个扇面扫触时间的平均值和闸门脉冲信号扫触时间的时间差可获得方位角，通过GPS激光发射器发射出来的两个扇面分别扫触到接收器的时间差则可获得仰角。此外还需要一个激光发射器，因为只通过方位角和仰角不能够得出接收器的控制位置，只有利用三点的三角形原理才能得到（如图3所示）。

图3 三角形测量原理示意图

1.2 激光跟踪仪技术

激光跟踪测量系统的基本测量原理，是通过激光绝对测距系统和自身的测角系统，通过激光跟踪目标反射器确定目标反射器球心的空间位置的坐标，再通过气象补偿参数和仪器自身的校准参数对测量过程中产生的误差进行补偿，从而得到空间点的坐标（如图4所示）。

图4 激光跟踪测量系统及激光跟踪仪测量原理图

设定被测靶镜的中心为P点，跟踪器的旋转中心为O点。用激光干涉仪测量O点到P点的距离d，再用两个角度编码器分别测量出P点的垂直方位角α和水平方位角β，则P点坐标（x，y，z）很容易由α、β和d计算得出。测量点坐标计算公式为：

2 数字化测绘技术的特点

2.1 自动化程度高

数字测图技术是通过计算机软件自动计算、识别、连接以及调用图示和符号等一系列自动处理功能来绘出地形图，不仅精确美观，而且出错率也非常小。数字测图还能够自动提取测量的信息，比如距离、坐标和面积等。

2.2 测图精度高

数字化测图拥有精度高的优势，距离300m内物点测定误差大约是±2mm，地形点高差约是±18mm。而且电子格式的测量数据还能自动记录、传输、存储、处理并成图，没有传统测图的视觉、方向、展点的误差，全程对原始数据的精确度将毫无影响。

2.3 图形属性信息丰富

数字测图要求不仅是对点的坐标进行测量，还要明确所测点的属性，在场记录该点的编码及连接信息，这样在显示成图时，只需利用编码，就可从图式符号库中调出对应的测绘图。可见，数字化测绘技术便于检索数字测图所应用的包括点的定位、连接与属性信息在内的图形信息。

2.4 图形编辑方便

数字化的测图是通过分层的方式进行存放，所以没有图面负载量限制，对于测图成果的加工利用较为方便。

3 数字化测绘技术在公路设计中的运用

在没有符合要求的大比例尺地图的地区，可直接采用地面数字化测绘技术，该技术也称为内外业一体化数字测图，是我国目前各测绘单位用得最多的数字测图方法。采用该方法所得到的数字地图的特点是精度高，只要采取一定的措施，重要地物相对于邻近控制点的精度控制在5cm内是可以做到的。下面将重点分析目前数字化测绘技术在公路设计中的运用。

3.1 监理GPS控制网

以边连式连接的单频GPS接收机施测为例。在公路设计之前对其进行测绘，首先布设测量的首级GPS控制点，采用GPS卫星定位系统，点位埋设永久性的标石以便测量。然后在测站上架设4台GPS接收机，量取仪器高两次，精确对中整平，精确至毫米，采用中数，较差应小于规范的规定。

每观测一个时段，以两台接收机作为固定站，另外的两台作为移动站，每个点应观测45～70min。循环往复，直至观测完所有点。卫星观测数不小于4，卫星截止高度角设置为不小于15°，数据采集间隔为15s，对中误差不大于2mm，PDDP不大于6mm，天线高差值不大于3mm。所有基线解都为固定解，按照独立基线使用平差软件解算，得出基线情况良好后，平差观测出GPS点的坐标。

3.2 建立导线控制网

二级导线组成结点网，布设于GPS点之间。布设二级导线，在四等GPS点的基础上埋设标石或铺装路面钉，点位布设于可永久保存地段，然后对二级导线点编号。二级导线观测水平角采用方向观测法，边长单程观测两测回，所用测距仪均为Ⅰ级，每测回边长读数四次，MD≤5mm。

现场在规定格式的表格上用铅笔记录二级导线，外业记录纸应统一编号，做到字迹清楚、美观整齐。观测工作结束后检查外业记录，及时整理，确保记录计算正确，检查观测成果是否满足限差要求。

对于二级导线应先验算测角中误差、导线相对闭合差、方位角闭合差。当各项限差满足规范规定后，使用测量控制网平差系统，按结点网输入计算机，平差后，详定精度，提供导线网最弱点精度数据以及精度指标。

3.3 高程控制网的布设

高程控制网将平面控制点布设成四等水准网，以已知水准点起算，进行观测。i角误差小于20″，则检测仪器满足四等水准测量要求。观测直读距离，采用中丝读数法；观测时无固定点时，应使用尺垫，观测顺序为后前、前后。在适当的位置安置水准仪，在同一测站观测时，精确整平圆水准器，每测段测站数宜为偶数，不得两次调焦。

按结点网输入计算机，当各项限差满足规定后，使用测量控制网平差系统，平差后评定精度，最后打印出高程控制点成果。

3.4 野外碎部点数据采集

公路设计中的数字化测绘基本上由两个人完成，一人跑尺并做内业绘图，一个观测并在全站仪上作业和编码。在公路设计数字化测绘中，碎部测量的主要方法为极坐标法，在实测碎部点的坐标后，利用测绘软件中的编辑功能，取得其余各点的坐标，可利用软件中的十字尺测量法、交会方法等方法，最后得到公路设计的测绘图形。

3.5 内业数据处理，图形编辑，制图输出

公路工程设计中，数字化测绘的重要内容之一是测量数据的处理。无论是不同工程的测量工作，还是工程进程中各阶段的测量工作，都需要选择适当的测量手段，根据测量平差理论和误差分析，对测量成果进行处理和分析。

将外业采集的数据通过全站仪或GPS与计算机用专用电缆连接起来，传输到计算机。首先修改外业采集数据的各种可能的错误，同时将野外采集的数据格式转换成图形编辑系统要求的格式，即进行数据的预处理。接着生成平面图形，对外业数据进行分幅处理，建立图形文件等操作，生成自动勾绘等高线、三角网数字高程模型等，即进行等高线数据处理。利用测绘软件对经过内业处理的图形数据进行编辑修改，最后用绘图仪输出图件。

4 结语

公路工程设计中，测绘单位技术创新的任务和方向之一是开展大量的数字化测绘技术实例工程测量。随着数字工程的深入发展以及数字化测绘技术的不断成熟，这也是提高测绘单位经济效益的重要手段以及自身实力的体现。在测绘领域中，数字化测绘技术占据主导地位。为了适应新技术的发展，未来数字化测绘技术方法和手段将会不断丰富和更新，得到更积极的推动和更大的发展。

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