公路工程测量

【摘 要】所有工程建设项目都必须以社会与经济效益为依据,按照自然条件和预期目的,进行规划设计,测量工作是工程建设中的一项最基础的工作,在道路、桥梁、隧道工程建设中起着重要的作用,为选取一条最经济、最合理的路线,首先要进行路线勘测,绘制带状地形图,进行纵、横断面测量,进行纸上定线和路线设计,并将设计好的路线平面位置、纵坡及路基边坡在地面上标定出来,以指导施工,当路线跨越河流时,拟设置桥梁跨越之前,应测绘河流及两岸地形图,测定桥轴线的长度及桥位处的河床断面,桥位处的河流比降,为桥梁方案选择及结构设计提供必要的依据,当路线纵坡受地形限制,采用避让山岭绕线平面线形不能满足规范要求,而选用隧道方案时,测定隧道进出口大比例尺地形图,为隧道洞口布置选择提供必要的数据.

【关 键 词】公路测量测量方法应用原理

【中图分类号】U412.24【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2012）11-0163-03

1、公路工程测量不同阶段的工作

1.1初步设计阶段的测量工作

初步设计根据批准的设计任务书和初测资料编制,主要拟定修建原则,选定设计方案计算主要工程数量,提出施工方案意见,编制设计概算,提供方案说明及图表资料,初测阶段为初设提供平面、高程控制、地形图、特殊地段的控制桩及纵、横断面资料.初步设计比选方案一般在1：10000地形图上做多个比选方案,纸上布线后,对各方案进行1：2000地形图测量,在1：2000地形图上进行纸上定线,布置桥涵、通道、隧道等,实地调查计算工程数量,编制概算文件,特殊复杂困难地段,为加深勘探调查及分析比例,实地放桩,进行平、纵、横测量.①平面高程控制测量②地形图测量③必要的平纵横测量.

1.2施工图设计阶段的测量工作

施工图设计根据批准的初步设计文件,在1：2000图上进行方案比选,确定路线方案,进行施工图详测.

①中线放样

②纵断面测量

③横断面测量

④主要工点地形图测量

⑤主要控制地物高等控制测量

2、控制测量的目的、坐标系统的选择、建立方法、独立高等控制网的建设方法

2.1控制测量的目的

控制测量一般是指在工程建设地区的地面布设一系列的控制网点,并精确地确定这些点的位置,以便为后期地形测图和各种工程建设测量放样打好基础.控制测量是一切后续测量工作的基础,没有控制测量,往后的测图和放样等工作是不可想象的.控制网把测区各部分的测量工件联系起来,即起骨架作用,又起限制误差传递和累积作用,控制网在勘测设计阶段的作用是：①各设计阶段需要适当比例尺地形图作依据,而地形图测绘又必须依靠控制网点来确定地形图中各部分地貌地物之间的相对位置和保证地形图的精度；②各设计阶段必须以控制网为基础将路线、桥梁、隧道等设计的位置精确地放样在地面上,搜集相应的路基、构造物用于设计阶段的各种资料.

2.2坐标系统的选择

坐标系统的选择是我们经常碰到,也是一些作业人员难以理解的问题.

2.2.1大地水准面、参考椭球、坐标系国家大地测量和工程控制测量工作都是在地面上进行的,而地球的自然表面又是一个有山、谷、江、湖、海洋等起伏的复杂曲面.它是一个不规则的、不能用简单的数学公式来表达的曲面,因此,不能在这个曲面上来解算测量学中所产生的几何问题,为便于计算控制网点的位置和测绘地形,应选择一个形状和大小都很接近于地球而其数学运算又很方便的体形,来代替地球的形体,以便把观测结果归化到此体形的表面上进行计算.

由力学知识可知,地球上任何一个质点都同时受到两个力的作用：一个是地球质心对该质点的引力F,另一个是地球自转所产生的离心力P,这两个力的合力,就是作用于该质点的重力G,重力G的方向就是众所周知的铅垂线的方向,即G等于P+F.

曲面上每一点均与铅垂线方向垂直的曲面叫做水准面,水准面有无穷多个,我们可以选择一个与平静的海水面相重合的水准面（平均水准面）来代替地球的表面,通常把这个与平均海水面相重合的水准面叫大地水准面.大地水准面是接近于地球的自然表面,但它仍是一个不规则的曲面,因而有必要选择一个形状和大小都与大地体接近,面且能用简单数学式表示的体形来代替大地体.

参考椭球面是一国家（或者一区域）大地测量计算的参考面,该椭球面上各点与大地水准面上各相应点之间的高差的平方和为最小,参考椭球中心与地球质心重合,旋转轴与地球自转轴重合,赤道面重合,两者体积相等,总质量与地球总质量相等,自转角速度相等.

2.2.2高斯平面直角坐标系

公路线路尤其是高速公路一般跨越多个地区,绵延数百里,为了坐标系统的统计以及与国家其它工程衔接,目前普遍采用国家坐标系换带计算方法,即高斯正形投影平面直角坐标系.

①高斯正形投影的实质设想将一个截面为椭圆的横柱（简称圆柱）面套在地球椭球面上,使横圆柱面与椭球面的一个子午椭圆相切,横圆柱的轴与地球椭球的轴互相垂直,这样将靠近子午椭圆的那部分地球表面的图形投影到圆柱面上,再将圆柱面展开就得到平面上的图形.这种投影,实际上就是将地球椭球面上与柱面相切的子午线两旁的一条带状区域按正形规律投影到平面上,投影后,只有相切的这条子午线上的长度比等于1,而离开这条子线愈远,长度变形愈大,相切的子午线称为子午线,这一带区两旁边缘上的子午线叫分界子午线,地球上的D点投影到平面上成为d点,d点的坐标可用x和y表示.

②坐标分带为了不使这种变形过大,每一个带的宽度不能太大,一般每带分界子午线问的经度分为60（或3°）为便于设计施工放样,使坐标反算长度与实地长度差不超过规范要求而不影响施工质量时,采用平移子午线的方式进行坐标换带计算,这一点在公路工程测量中是经常遇到的,通常称坐标系统的选择.2.3控制网建立方法

平面：采用先四等控制,后一级导线公路为线状物,四等控制普遍采用GPS测量,它的特点是：①定位精度高②观测时间短③测站间无需通视④可提供三维坐标⑤操作简便⑤全天候作业.

GPS采用测距后方交会的原理,接收机接收卫星测距信号,只需同时获得3颗以J～GPS卫星信号,就可利用后方交会的原理解算的绝对坐标,当有两台接收机同时观测相同3颗以上卫星信号时,其基线解算可达106精度,然后通过点或边连接,联测到已知高等控点上,经平差计算得到各未知点的坐标.四等点一般以5km左右一对为宜,5km一对是为便于一级导线加密时附合到已知边上,为便于设计及施工放样,一般采用常规仪器（全站仪或测距仪配经纬仪）进行.

高程：采用水准仪进行四等高程施测,也可采用严格按规范施行的三角高程代替四等水准方法,附合到三等以上高程控制点.

2.4独立高等控制

公路工程中首级控制网常采用GPS进行四等控制,为方便施工再利用常规方法进行一级导线的加密,首级控制网往往采用与国家点联测分带换算得到实地任意坐标系统,以控制整体系统的连接及与已有线路进行衔接继而在线路主要控制物如特大桥、长隧道等,为便于施工需进行控制网的布设,这类控制网内部精度要求较线路首级控制高,这时多采用独立网的形式,这种独立网不同于其它独立工程如大坝、枢纽、厂房等一般独立控制网,作为线路整体的一部分,需要与路线进行坐标衔接,坐标系统一致,以便施工过程中保持线路的连续性,控制平差采用独立网自由平差求定长基线后再进行约束平差,然后再对两端一级导线重平差方法.

3.地形图的航空摄影测量方法

根据公路工程的特点,长线路普遍采用航空摄影的方法,用安装在飞机或其它飞行工具上的摄影机,对观测地区按一定要求进行摄影,根据摄影瞬间得到的航空像片,读取各种信息资料和编制地形图的技术,叫做航空摄影测量.

尽管航空像片上详尽而准确地摄录了地面上的实际情况,它却不能直接作为地形图使用其主要原因就是航空像片是中心投影,而地形图是垂直投影（或称正射投影）.

航摄比例尺：航摄比例尺分母不能大于成图比例尺的4倍.

航摄外业：①像控点的布设像控点是在实地选定符合要求的明显地物棱角（在航片上清晰可变）的点测定其平面、高程三维坐标,以便在内业成图时确定相对位置,对航片进行纠正；②像片调绘航片上不明确或遗漏的如地面、地下及架空管线、路堤、陡坎、农田、植被等均应调绘.

4.数字地面模型

数字地面模型是利用由不同的地形数据采集设备采集的大量地形点的三维坐标按照一定的数学模型分析和联网,使这些空间点按照此数字模型采用规律来描述地形起伏的数字模型.

DTM是描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列,若仅是将高程或海拔分布作为地面特性的描述称为数字高程模型,数字地面模型可以是每三个三维坐标值为一组元的散点结构,也可以是多项式或傅立叶级数确定的曲面方程.

4.1数字地面模型在公路勘察设计中的应用

数字地形模型是一个数字模拟的过程,用于模拟地形的大量的采样点的三维坐标是按照一定的精度要求进行采集的,这时,地形表面被一组数字数据来进行表达.如果需要该数字模型表面上其它位置处的属性信息,可以利用一种内插方法来处理该组采集的地面数据,利用内插的方法,就可以根据DTM得到任何位置处的地面属性值.根据目前数字地面模型的精度,可用于公路初步设计.

4.2数字地面模型的原理

DEM是地形表面的一个数学或数字模型,根据不同数据采集的不同方式,DEM可能使用一个或多个数学函数来对地表进行表示.这样的数学函数通常被认为是内插函数,对地形表面进行表达的各种处理可称为表面重建或表面建模.地形表面重建实际上就是DEM表面重建或DEM表面生成.当DEM表面建模后,模型上任一点的高程信息就可以从DEM表面上获得.

4.3建立DEM表面模型的各种方法数字表面建模的各种方法

4.3.1基于点的表面建模

如果只使用多项式的零次项来建立DEM表面,则对每一数据点都可建立一水平面,检测设使用单个数据点建立的平面表示此点周围的一小块区域,则整个DEM表面可由一系列相邻的不连续表面构成,由于其所建立表面的不连续性,因此并不是一种真正实用的方法.

4.3.2基于三角形的表面建模

分析多项式的前三项（两个一次项和一个零次项）,可以发现它们能生成一平面,最少需要三个点生成一平面三角形,从而此三角形决定了一个倾斜的表面,由于三角形在形状和大小方面有很大的灵活性,所以这种建模方法也能容易地融合断裂线、地形特征线或其他任何数据,它已成为表面建模的主要方法之一.

4.3.3基于格网的建模

如果通用多项式中的前三项与a3xy项一起使用,则至少需要4个点以确定一个表面,这种表面称为双线性表面.正方形格网为最佳的选择,在基于格网建模的情况下,最终表面将包含一系列衔接的双线性表面.应当指出,高项多项式也可用于建立DEM,但它的一个主要问题是如果对范围较大的区域使用高次多项函数则可导致DEM表面出现无法预料的抖动,为减少这种情况的发生,在实际应用中通常只使用二次或三次项.

4.3.4混合表面的建模

对格网网络来说,可将其分解为三角形网络,以形成一线性的连续表面；反之,对不规三角网进行内插处理,也可形成格网网络.

4.4建模方法的选择

前面提到了四种主要建模方法,分别对应于某一特点的数据结构,在实际应用中,由于基于点的建模并不适用而混合表面往往也转换为三角形网络,因此基于三角形和格网的建模方法使用较多,被认为是两种基本建模方法.实际上,从建立数字地面模型表面时的数据来源而言,上述建模方法可分为两种类型,即根据高程量测数据直接建立和根据派生数据间接建立,而根据派生数据间接建产DEM表面的方法是首先根据原始量测数据内插高程点,然后建立DEM表面.

5.GPS在公路工程测量中的应用

5.1GPS原理及测量摸式

5.1.1GPS原理

24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星.

由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星就可以组N3个方程式,解出观测点的位置（x,Y,z）.考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,x、Y、z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程.

事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度.

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米.为提高定位精度,普遍采用差分GPS（DGPS）技术,建立基准站（差分台）进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一个修正数,并对外发布.接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置.实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米.

5.1.2GPS测量模式

随着GPs技术的进步和接收机的迅速发展,GPS在测量定位领域已得到了较为广泛的应用.但是,针对不同的领域和用户的不同要求,需要采用的具体测量方法是不一样的.一般来说,GPS测量模式可分为静态测量和动态测量两种模式,而静态测量模式又分常规静态测量模式和快速静态测量模式,动态测量模式分准动态测量模式（后处理动态,走走停停）和实时动态测量模式,实时动态测量模式分DCPSNRTI（方式.下面分别介绍如下：

1.常规静态测量

这种模式采用两台（或两台以上）GPS接收机,分别安置在一条或数条基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间.这种模式一般可以达到5mm+1ppm的相对定位精度.常规静态测量常用于建立全球性或国家级大地控制网,建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等.

2.快速静态测量

这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星.移动站接收机依次到各待测测站,每测站观测数分钟.这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等.需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km.

3.准动态测量

这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星.移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站,每测站观测几个历元数据.这种方法不同于快速静态,除了观测时间不一样外,它要求移动站在搬站过程中不能失锁,并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化（采用有OTF功能的软件处理时例外）.

这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等.需要注意的是这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测；流动点与基准点相距应不超过20km.

另外,有一种连续动态测量,也属于这种模式.这种测量是在一个基准点安置接收机连续跟踪所有可见卫星.流动接收机在初始化后开始连续运动,并按指定的时间间隔自动记录数据.这种方法常用于精密测定运动目标的轨迹、测定道路的中心线、剖面测量、航道测量等.

4.实时动态测量：DGPS和RTK

前面讲述的测量方法都是在采集完数据后用特定的后处理软件进行处理,然后才能得到精度较高的测量结果.而实时动态测量则是实时得到高精度的测量结果.这种模式具体方法是：在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链,连续跟踪所有可见卫星,并通过数据链向移动站发送数据.移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据,并在机进行处理,从而实时得到移动站的高精度位置.

DGPS通常叫做实时差分测量,精度为亚米级到米级,这种方式是基准站将基准站上测量得到的RTCM数据通过数据链传输到移动站,移动站接收到RTCM数据后,自动进行解算,得到经差分改正以后的坐标.

RTK则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量,它是GPS测量技术发展中的一个新突破.它的工作思路与DGPS相似,只不过是基准站将观测数据发送到移动站（而不是发射RTCM数据）,移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理,从而得到精度EBDGPS高得多的实时测量结果.这种方法的精度一般为2厘米左右.

5.2GPS网的构网设计及选点

5.2.1网形设计

GPS网的图形设计就是根据用户要求,确定具体的布网观测方案,其核心是如何高质量低成本地完成既定的测量任务.通常在进行GPS网没计时,必须顾及测站选址、卫星选择、仪器设备装置与后勤交通保障等因素；当网点位置、接收机数量确定以后,网的设计就主要体现在观测时间的确定、网形构造及各点设站观测的次数等方面.

一般GPS网应根据同一时间段内观测的基线边,即同步观测边构成闭合图形（称同步环）,例如三角形（需三台接收机,同步观测三条边,其中两条是独立边）.四边形（需四台接收机）或多边形等,以增加检核条件,提高网的可靠性；然后,可按点连式、边连式和网连式这三种基本构网方法,将各种独立的同步环有机地连接成一个整体.由不同的网方式,又可额外地增加若干条复测基线闭合条件（即对某一基线多次观测之差）和非同步图形（异步环）闭合条件（即用不同时段观测的独立基线联合推算异步环中的某一基线,将推算结果与直接解算的该基线结果进行比较,所得到的坐标差闭合条件）,从而进一步提高了GPS网的几何强度及其可靠性.关于各点观测次数的确定,通常应遵循“网中每点必须至少独立设站观测两次”的基本原则.应当指出,布网方案不是唯一的,工作中可根据实际情况灵活布网.5.2.2选点与建立标志

由于GPS测量观测站之间不要求通视,而且网形结构灵活,故选点工作远较常规大地测量简便；并且省去了建立高标的费用,降低了成本.但GPS测量又有其自身的特点：

1.测站之间无需通视.测站间相互通视一直是测量学的难题.GPSA—特点,使得选点更加灵活方便,但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰.

2.定位精度高.—般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,GPS测量精度与红外仪相当,但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出.大量实验证明,在小于50公里的基线上,其相对定位精度可达12×10-6,而在100～500公里的基线上可达10-6～10-7.

5.3GPS在公路工程测量中的应用

公路路线一般处在一条带状走廊内.其平面控制测量往往采用导线形式,这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式.对于重要构造物如大桥、特大桥、长大隧道等,也有布设成三角网、线形锁等形式.

常规测量方法的缺陷：

1.规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线问长度等有严格规定,一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求.这样,导线附合或闭合长度最长不得超过10公里,结点导线结点间距不能超过附合导线长度的0.7倍.这种要求一般在实际作业中难以达到,往往出现超规范作业.

2.搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统,往往国测、军测、城市控制点混杂一起,这就存在系统间的兼容性问题,如果用不兼容的起算点,势必影响测量质量.

3.国家大地点破坏严重,影响测量作业.由于国家基础控制点,大多为五六十年代完成,经过30多年,有些点由于经济建设的需要被破坏,有些点则由于人们缺乏知识遭人为破坏.在这些地区进行路线测量作业,往往在50公里以上均找不到导线的联测点,这样路线控制测量的质量得不到保证.

4.地面通视困难往往影响常规测量的实施.一般路线的控制点要求布设在距路线的300米范围内.由于通视的原因,这一条件难以满足,甚至在大范围密林、密灌及青纱帐地区,根本无法实施常规控制测量.

对于长大隧道,特大桥用常规测量有下列局限：

1.长大隧道、特大桥等构造物一般要求测量等级在四等以上.用常规测量方法,往往采用增加测回数,延长观测时间等费时、费工的方法来设法提高精度.

2.长大隧道、特大桥多为地形复杂困难地带,进行常规控制测量,为通视和网形,往往砍伐工作量相当大,这样测设费用很大,作业艰苦.

3.长大隧道及特大桥的控制网高精度及与路线网的低精度衔接,虽说用平差方法可以得到克服,但由于地形条件困难,其联结的测量工作量很大,且不太方便.实际工作中,构造物的控制测量与路线的控制测量经常出现脱节现象.利用GPS测量能克服上述列举的缺陷,并提高作业的效率,减轻劳动强度,保证了高等级公路测设质量.GPS测量用于加密国家控制点：

例如：京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段路线长约60公里,所处地形为重丘区,路线设计为6车道.

该段有11个各种系统的平面控制点,经过实地寻找,找出了7个,有4个被破坏,破坏中有2个国家Ⅱ等点.在已找出的的7个控制点中,国家测绘局系统I等点1个,Ⅲ等点1个；城市测量系统点2个；总参军控点3个.这些平面控制点分属不同测量系统,且等级不同.