GPS 技术在铁路工程测量中的应用探讨

白 帆

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

铁路工程测量工作的开展一直都是铁路工程设计施工的重难点，通过GPS（Global Positioning System，全球定位系统）技术能够快速完成铁路工程测量工作，有效的保证测量数据的精准性。

1 GPS 技术概述

GPS 技术也就是全球定位系统，一个典型的GPS系统分为空间部分、地面监控部分、用户接收部分。空间部分由24 颗GPS 工作卫星组成，其中3 颗为备用卫星，分布在6 个倾角为55°，约为20200 km 高的轨道上绕地球运行，每颗卫星都会发射用于导航定位的信号。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4 颗卫星。地面监控部分分为主控站、监控站和注入站，主要功能是计算卫星星历和卫星钟的改正参数，监控卫星状态，进行卫星调度与参数注入工作等。用户接收部分指一切具备GPS 信号接收能力的终端机，可以依据所观测信号计算得到自己某时刻所处的空间三维位置，且无须经过授意也无须就接受GPS 信号付费。将GPS 技术应用到铁路工程测量中不仅能够使得铁路工程测量工作开展得更加方便顺利，而且测量数据也极其精准可靠，其以铁路某一坐标位置为终端，测量人员便能够以终端位置为核心实现对目标区域距离以及地质情况的测量，从而以此来达到铁路工程测量的目的。

2 GPS 技术中的图像处理及测量数字化

2.1 遥感图像处理

铁路工程的测量需要涉及许多较为先进的技术，其中最具代表性的便是GPS 技术、遥感技术以及土地测绘技术等。通过这些技术的相互配合来对测量目标区域的所有相关图像等数据进行收集分析，而后再根据图像的生成情况进行几何精校正、配准，最后便能够达到实现铁路工程测量的目的。

2.1.1 多波段彩色合成

在进行铁路工程测量的时候需要根据地面的不同情况来采取不同的颜色进行区域的标识。根据GPS 技术和遥感技术对目标地域进行探查，能够将其绿色植被覆盖地区、水环境区域、城市区域以及农田区域等全部分析清楚，而后在铁路工程测量的时候，利用图像处理技术中的多波段彩色合成功能来将不同的区域波段按照红、绿、蓝等颜色来进行标明，这样测量人员便能够根据铁路工程测量数据结果的颜色划分便能够初步了解到目标区域的大致分布内容。除了根据地区内容进行铁路工程测量内容多波段彩色合成以外，还能够根据地面土壤的性质来进行彩色合成，例如如若是正常区域的话则在铁路工程测量内容中标识为白色，而如若是盐碱地的话则能够标识为红色，这样便能够通过GPS 技术应用来辅助相关单位进行铁路工程测量工作时开展得更加顺利。GPS 技术应用架构如图1 所示。

图1 GPS 技术应用架构

2.1.2 图像增强

在铁路工程测量中还能够通过图像处理技术来对地图中部分地物进行增强，一般情况下在测量铁路工程过程中使用图像处理技术进行图像增强的话，只需要对其进行灰度拉伸和直方图均衡化处理即可，其他的因素所能够造成的影响则是具有较大局限性的。GPS 技术能够将目标范围内的所有地物全部精准地体现到地图之中，而其中一些较为重要的地物则能够直接体现GPS 地图的整体质感，相比于其他较为简单的广泛地带，这些突出地物要进行进一步的增强处理，这样才能够更好地提升GPS 地图中重要地物的清晰度和精准度，使得测量人员在进行铁路工程测量的时候能够根据地物标志来快速地对目标位置进行辨别，进一步提升铁路工程测量的整体效率。

2.2 地图数字化

基于GPS 技术的铁路工程测量还需要实现测量数据的数字化转变，通过利用GPS 技术和遥感技术将铁路工程测量的目标区域进行探测之后，所有的测量数据都应当进行数字化的转变处理，将水渠、道路等非自然因素全部进行数字化转换，而后根据铁路工程测量需求情况来建立对应的数据库，使得数据库能够和GPS 测量图像的展示结合到一起，这样在进行铁路工程测量时只需要对数据库内的相关数据进行更改便能够实现图像的变化，从而以此来进一步提升铁路工程测量结果的精准度和可靠性。

2.2.1 原图清绘、扫描

铁路工程的测量不仅需要将实际地面特征全部有效地体现到GPS 地图中去，而且还需要将地形图和规模图结合到一起，并利用GPS 技术实现所有要素的数字化处理。而在对其进行数字化处理的时候，首先需要将所有图像特征全部清绘到地图用纸中，然后还需要将清绘后的图纸按照360DPI 分辨率、1∶1 比例来进行黑白二值扫描，这样能够使得清绘图纸形成栅格图像文件，从而以此来达到对底图进行保存的目的。清绘过的图纸在进行扫描后便能够将其作为数字化处理的工作底图，来实现对铁路工程测量内容的数字化处理。

2.2.2 栅格图像矢量化

在对原图进行清绘、扫描之后便能够形成栅格图像文件。而针对栅格图像文件，还需要对其进行矢量化处理，一般情况下栅格图像矢量化处理都是通过采取人机交互的方式来进行实现的，这主要是因为采取人机交互的方式虽然有可能无法保证栅格图像矢量化的效率，但是却可以根据具体情况来及时对出现的各种错误进行修改，确保栅格图像最终的矢量化质量。在进行栅格图像矢量化的时候还需要将不同的地理元素来进行分层处理，并且铁路工程测量人员还需要对地图内各种元素进行几何参数的定义，通过应用线型、颜色等标识来代表各种元素，以促进铁路工程测量工作更加顺利地进行。

2.2.3 建立拓扑关系

栅格图像的矢量化处理还离不开拓扑关系的建立，首先在收集到目标土地区域内的河流、道路等非自然元素数据之后，需要将原始数据进行保存和复制，使用复制的线数据来为拓扑关系的建立打下基础，这样即使出现问题也能够保证原始数据的安全性，从而达到避免数据丢失的目的。但是线数据存在线相交等问题，不能够直接在拓扑关系连接中进行应用，因此还需要根据提取的数据来生成弧段文件，将原始数据所复制的线数据转换为弧段数据，这样便能够更好地应用到拓扑建立过程中。最后则是需要将所有的弧段数据文件进行载入，确保弧段数据文件之间能够紧密地连接到一起，从而以此来达到建立拓扑关系、形成区域间空间关系的目的。

2.3 遥感图像几何精校正

在铁路工程测量过程中还需要对遥感图像进行几何精校正，首先对地面校正控制点进行采集，根据地图的大小来决定控制点的采集数量，并确保控制点全部处于均匀分布状态，而后在对控制点的坐标值进行明确，形成控制点文件，最后将控制点文件载入图像配准校正模块中便能够实现遥感图像几何精校正的目的，从而测量形成更加精准的数据内容。

3 GPS 技术在铁路工程测量中的具体应用

3.1 识别地物

GPS 技术能够在铁路工程测量中起到识别地物的重要应用，测量单位在开展铁路工程测量工作中进行地物寻找、识别的时候便能够充分应用GPS 技术，提高地物识别工作的开展质量和效率，通过GPS 技术将戈壁、流动沙丘等特殊的地形全部能够直观地展现出来。此外，铁路工程测量系统中图像与数据库结合的特点也使得其具有更多的功能，有利于促进铁路工程建设工作更加顺利地开展。

3.2 图面量算

依据GPS 技术进行的铁路工程测量数据精准性比较高，通过GPS 技术能够针对铁路工程实现地域情况进行比例缩小而后测量成样图，不仅将大多数标志性地形地物全部标明出来，而且还能够通过测量系统后台的数据库将有关信息一同进行存储。因此测量人员在进行铁路工程图面量核算工作的时候便能够直接利用GPS 技术进行开展，不管是计算某片区域的面积，还是对目标地理位置的坐标、距离等进行测算，都能够利用GPS 技术来实现。测量人员只需要根据图面量计算需求将铁路工程测量范围内的相关目标进行测量即可，例如在进行某区域范围面积计算的时候，测量人员只需要通过GPS 系统对图示上的目标范围面积进行测量计算，而后再通过特定的比例来将所计算出来的数值进行放大，便能够得到实际区域的面积大小，这样既够确保图面量算的精准度，还能够大幅度地提升其测量效率。

3.3 辅助规划设计

GPS 技术在铁路工程规划设计方面也能够起到较为重要的应用作用，铁路工程规划设计部门在对目标施工区域进行规划设计的时候，通过应用GPS 技术能够更加快速地掌握该地区的地形地势特征，从而为铁路工程规划设计工作的开展奠定下良好坚实的基础。利用GPS 系统能够为设计人员提供全面、精准的目标区域地形、地势、地貌等相关信息，而且测量人员还可以在铁路工程测量中对铁路工程进行模拟规划设计，以此来查看测量方案实施效果，既能够保证铁路工程测量数据的精准性和可靠性，又能够减少测量过程中所需消耗的时间及成本。

3.4 BIM 技术的应用

BIM 技术是铁路工程测量中应用最为普遍的一种信息技术，在铁路工程测量前，测量人员能够根据BIM技术对使用GPS 系统进行铁路工程测量的情况进行模拟，及时发现使用GPS 系统进行铁路工程测量过程中可能会出现的各种问题，并针对这些问题进行研究给出相应的解决对策。而且即使在铁路工程测量中出现未曾遇到过的问题时便能够根据BIM 技术对解决方案进行模拟，以此来判断解决效果。

4 结束语

铁路工程测量是一项较为庞大的工程，通过GPS技术的应用能够有效实现铁路工程测量的目的，降低人为因素、环境因素等对铁路工程测量造成的影响，提高铁路工程测量数据的精准性和可靠性，在保证铁路工程测量质量的同时提升其测量效率，为铁路工程设计提供数据支持。而且GPS 技术的应用还能够不断优化铁路工程的设计结构，进一步延长铁路工程的使用寿命，推动铁路工程相关行业的稳定发展。