測繪新技術(shù)促進土木工程測控技術(shù)自動化

 測繪新技術(shù)促進土木工程測控技術(shù)自動化

　　摘要：以“3S”為代表的現(xiàn)代測繪技術(shù)在各類土木工程的各階段中都有廣泛的應(yīng)用。充分有效地應(yīng)用測繪新技術(shù)，可以大大地提高土木工程測控技術(shù)的自動化程度，可以很好地控制施工質(zhì)量，保證施工進度和安全生產(chǎn)。

　　關(guān)鍵詞：現(xiàn)代測量儀器；測繪新技術(shù)；土木工程

　　1現(xiàn)代測量儀器與測繪新技術(shù)

　　一切土木工程，從勘測、設(shè)計、施工、竣工，到質(zhì)量管理、安全監(jiān)護，都離不開測繪。測繪技術(shù)先進與否，能否合理的應(yīng)用測繪技術(shù)，直接影響土木工程的進展速度。本文在總結(jié)現(xiàn)代測量儀器和測繪新技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討測繪新技術(shù)在各類現(xiàn)代土木工程中各階段的應(yīng)用。

　　1.1現(xiàn)代測量儀器的發(fā)展現(xiàn)狀

　　隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測量儀器向著自動化、數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，將淘汰傳統(tǒng)的光學(xué)測量儀器（水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、平板儀）。工程測量的代表儀器堪稱全站儀，它是電子經(jīng)緯儀、測距儀和計算機的集成。全站儀不僅具有測角、測距和測定坐標(biāo)（可達毫米級精度）的功能，而且具有自動記錄、存儲和運算能力，能進行大氣改正、儀器誤差改正和數(shù)據(jù)處理，有豐富的應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)采集、施工放樣、導(dǎo)線測量、偏心觀測、懸高測量、對邊測量、自由設(shè)站等等。目前推出的新型全站儀大都有以下新功能：自動調(diào)焦照準(zhǔn)目標(biāo)、無棱鏡合作測距（可達1200m）、測量軟件機內(nèi)操作、大容量測量數(shù)據(jù)存儲（5000個點以上）和操作菜單化（中文菜單提示）等。還有“自動目標(biāo)識別全站儀”——測量機器人，可以自動跟蹤反射器并實時得到三維坐標(biāo)。用于高精度定向的陀螺經(jīng)緯儀向激光陀螺定向發(fā)展。另外，將陀螺儀和全站儀集成就出現(xiàn)了陀螺全站儀。大面積的控制測量早已使用GlobalPositioningSystem∕GPS（全球定位系統(tǒng)）定位。目前，用于控制測量的靜態(tài)GPS接收機已實現(xiàn)天線、接收機和電源一體化，重量僅一公斤左右，操作完全自動化（精度可達毫米級）。用于圖根控制測量和碎部測量的實時動態(tài)GPS（RTKGPS）系統(tǒng)，需要兩臺GPS接收機和數(shù)據(jù)鏈協(xié)同作業(yè)，可以在15km范圍內(nèi)實時獲得優(yōu)于3厘米精度的地面點坐標(biāo)。近幾年，一些城市建立了連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS），以取代RTKGPS。CORS定位時不僅只需一臺流動站接收機，而且測定范圍大大擴展并能保證厘米級的定位精度。將全站儀和GPS集成一體，就出現(xiàn)了“超站儀”，它改變了工程測量外業(yè)的作業(yè)模式，實現(xiàn)控制測量、碎部測量和施工放樣的一體化和無縫銜接作業(yè)。

　　三維激光影像掃描儀可以快速、精確和可靠的獲得被識別物體三維空間數(shù)據(jù)，在橋梁變形、水壩監(jiān)測及建模、土石滑坡監(jiān)控、開挖容量測量、城市數(shù)字化測量等方面非常有用。

　　高精度高程測量方法目前還是采用幾何水準(zhǔn)測量，但水準(zhǔn)測量的儀器實現(xiàn)了數(shù)字化和自動化。數(shù)字水準(zhǔn)儀不僅實現(xiàn)了自動安平，還配合條碼標(biāo)尺，實現(xiàn)觀測自動化和測量結(jié)果數(shù)字化。現(xiàn)代的測量儀器內(nèi)部大都帶有存儲器，用于記錄存儲工程測量數(shù)據(jù)。若測量儀器沒有內(nèi)存儲器（這是今后發(fā)展的一個趨勢），可用通用的掌上計算機（PDA）實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、處理和實時傳輸一體化。掌上計算機無標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，通過筆或軟鍵盤進行輸入，操作系統(tǒng)有PalmOS和WindowsCE。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)記錄設(shè)備可直接通過電臺、GSM或全球星手機等進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.2現(xiàn)代測繪新技術(shù)

　　現(xiàn)代測繪技術(shù)向著高科技和數(shù)字化方向發(fā)展，其中“3S”技術(shù)是現(xiàn)代測繪技術(shù)的代表。“3S”是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的合稱。GPS是美國研制的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可向全球任何用戶全天候地提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時間信息。遙感（RS）是一種遠距離，大面積幾何形態(tài)、位置以及相關(guān)物理特性的傳感手段。廣義的遙感包含航空攝影測量�，F(xiàn)代航天遙感技術(shù)（RS）可提供小于1m分辨率的影像資料，航空遙感技術(shù)即全數(shù)字?jǐn)z影測量（DPS）可提供分米級甚至厘米級的影像資料。地理信息系統(tǒng)（GIS）是地球空間信息的集成表達、統(tǒng)計分析、管理的信息系統(tǒng)。前兩者是當(dāng)代最先進的能實時快速獲取數(shù)據(jù)和信息的采集工具，后者是地球空間數(shù)據(jù)和信息處理、分析乃至決策的平臺。利用當(dāng)代多種先進的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集工具到分析管理決策平臺之間的自動交換，就可形成一個從信息獲取到信息處理、分析決策，到最后實現(xiàn)反饋控制的自動控制綜合平臺。“3S”集成技術(shù)提供了對地球系統(tǒng)進行長期的立體的監(jiān)測能力，為收集、處理和分析地球系統(tǒng)變化的海量數(shù)據(jù)提供了工具。在大型土建工程中，如三峽工程、南水北調(diào)、西氣東送、青藏鐵路等，都具有施工范圍大、戰(zhàn)線長、物流量大、施工周期長、土方工程大等特點。“3S”技術(shù)為大型土木工程提供了最有效的數(shù)據(jù)和信息采集、分析處理、表達決策的工具。“3S”集成技術(shù)將在大型土木工程中貫穿從勘測、設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)控、安全監(jiān)控、竣工驗收到運行監(jiān)控管理的一切階段。在現(xiàn)代測繪中，內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)字測圖（簡稱數(shù)字測圖）也是一項重要的測繪新技術(shù)。野外數(shù)字測圖就是利用全站儀或RTKGPS接收機在野外采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機處理得到工程設(shè)計、施工及管理用圖。該技術(shù)在城市測量和中小范圍工程測量中有廣泛的應(yīng)用。以前數(shù)字測圖一般分為“數(shù)字測記式”和“電子平板式”兩種測圖模式，現(xiàn)已發(fā)展為用掌上電腦（DPA）現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)與成圖。數(shù)字測圖可實現(xiàn)工程勘測設(shè)計一體化和實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、更新、管理一體化和自動化。野外數(shù)字測圖現(xiàn)已成為GIS數(shù)據(jù)采集的一種手段。野外數(shù)字測圖的一個發(fā)展趨勢是多種傳感器組合全站儀、GPS接收機、數(shù)字相機、激光掃描儀等集成應(yīng)用，從而實現(xiàn)大比例尺測圖的自動化和向三維測圖方向發(fā)展，構(gòu)成三維模型和立體景觀，供設(shè)計、規(guī)劃、虛擬現(xiàn)實和電子商務(wù)等領(lǐng)域服務(wù)。

　　2現(xiàn)代測繪技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

　　2.1在土木工程勘察設(shè)計階段的應(yīng)用

　　勘測施工的坐標(biāo)框架即控制網(wǎng)的建立，已由GPS定位代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三角測量。目前除大范圍（400km2以上）控制測量以外，GPS定位從靜態(tài)定位后處理向?qū)崟r動態(tài)定位方向發(fā)展；從單純的精密定位處理向特定勘測施工坐標(biāo)系建立方向發(fā)展。為了減少重復(fù)，施工控制網(wǎng)還要求滿足未來精密監(jiān)控的要求。在大型的建設(shè)工程，如：南水北調(diào)工程，地形圖的測繪已完全采用全數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和野外數(shù)字測圖技術(shù)。在中、小型建設(shè)工程，主要用野外數(shù)字測圖技術(shù)測繪地形圖。目前，勘測技術(shù)開始向機載激光測量和CCD航攝集成技術(shù)過渡，以獲取真三維數(shù)字地形圖。利用數(shù)字地形圖可以實現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實，在三維可視化可量測景觀上呈現(xiàn)多種工程設(shè)計方案，實現(xiàn)各種工程設(shè)計仿真，并及時計算出相應(yīng)的土石方工程量，做出環(huán)境協(xié)調(diào)評估，以提供最優(yōu)化設(shè)計方案。又如，利用全數(shù)字?jǐn)z影測量或數(shù)字測圖技術(shù)建立的數(shù)字地面模型（DTM），應(yīng)用GIS的分析決策功能，可以方便快速地進行水庫大壩選址、庫容計算、引水渠修建、受益范圍等設(shè)計工作。為開發(fā)利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

　　2.2在土木工程施工階段的應(yīng)用

　　土木工程施工階段一方面是施工建設(shè)和現(xiàn)場管理，如土石方驗收、線路施測、工程定位、放樣等采取了大量的現(xiàn)代數(shù)字測繪手段。目前除大量采用全站儀數(shù)字測量外，還有三維近地激光影像掃描、RTKGPS實時測圖與施工放樣、航空攝影或地面攝影測量等方法可進行實時的工程進程管理，還可以輔以移動通信和網(wǎng)絡(luò)通信等手段，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。另一方面，利用智能全站儀或GPS與GIS集成技術(shù)可實現(xiàn)工程機械的自動化運行和工程安全及質(zhì)量監(jiān)控。智能全站儀可以控制機械掘進（隧道）的位置和方向，GPS可以實時定出施工車輛的位置和姿態(tài)，從而實現(xiàn)開挖和掘進的自動化。例如挖土機、推土機和壓土機，裝上精密實時GPS定位設(shè)備，配上裝有工程管理GIS的機載計算機，可實現(xiàn)現(xiàn)場土方自動填挖控制和工程量精密計算，科學(xué)、可靠，節(jié)約工程成本。如果這些設(shè)備安裝了相關(guān)工作控制器件和CCD攝像機，可像“自動控制玩具車”一樣實現(xiàn)遠程無人駕駛和工程量自動計算，大大提高了危險或有環(huán)境污染地區(qū)工程機械施工效率，有效保護了施工人員的安全健康。

　　2.3在工程竣工運行階段中的應(yīng)用

　　按照國家規(guī)范，所有大型建設(shè)項目竣工之后都要進行竣工測繪，同時還要提供多種工程運行期間的測試文檔、圖表資料。現(xiàn)代測繪技術(shù)能夠快速地獲取這些數(shù)據(jù)和信息，并實現(xiàn)數(shù)字化管理。例如，利用野外數(shù)字測圖、GPS測圖和DPS測圖技術(shù)進行竣工圖的測繪，并按數(shù)字工程的要求進入三維可視化、網(wǎng)絡(luò)化GIS工程管理信息系統(tǒng)，以作為工程驗收評估和今后長期安全運行的原始依據(jù)。

　　在公路、鐵路、水電站、大橋、摩天大樓等工程竣工后，穩(wěn)定、高效、安全的運行是第一位的�，F(xiàn)代測繪技術(shù)提供了連續(xù)、實時的運行安全監(jiān)控和工程病害監(jiān)控手段。例如，公路、鐵路的“3S”集成技術(shù)道路病害診斷車是當(dāng)前世界上正在興起的快速監(jiān)測技術(shù)。橋梁、高層建筑物、大壩、山體滑坡等的連續(xù)、實時變形監(jiān)測已開始采用GPS、智能全站儀（測量機器人）和數(shù)字垂線儀等技術(shù)，它們都具有全自動、全天候、無人值守的特點，綜合其他工業(yè)傳感器，可實現(xiàn)全自動、無人或少人值守的工程運行方式。又如，利用三維激光影像掃描儀可以對監(jiān)測對像（大壩、橋梁）進行全方位的監(jiān)測，幾秒鐘即可對上百萬個監(jiān)測點的掃描數(shù)據(jù)進行毫米級分析，可以隨時準(zhǔn)確了解觀測對象整體變形的情況。

　　2.4在城市建設(shè)中的應(yīng)用

　　在城市建設(shè)工程中（如：道路建設(shè)、建筑工程、勘察規(guī)劃）現(xiàn)已普遍應(yīng)用全站儀或GPS測控指揮施工，監(jiān)測施工安全。在城市地下管線的施工與管理，也與現(xiàn)代測繪技術(shù)密切相關(guān)。為了城市避免城市地面的開挖，安裝地下管道越來越多使用頂管技術(shù)。在地下管道頂管施工中，使用自動跟蹤全站儀可以應(yīng)用自動引導(dǎo)測量系統(tǒng)控制頂管掘進的位置和方向，從而實現(xiàn)掘進定位的自動化。

　　目前，大中城市都在用數(shù)字測圖技術(shù)或全數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)測繪城市數(shù)字地形圖及城市數(shù)字景觀圖，用于道路、城市功能區(qū)、各類管線的規(guī)劃、設(shè)計。為了使用、維護、管理好城市市政公共設(shè)施（如道路、各類地上、地下管線、電桿路燈、公交站臺、地下設(shè)施井蓋、公共服務(wù)網(wǎng)點等等）許多城市都在建立城市公共信息管理系統(tǒng)或城市地下管線管理系統(tǒng)。RTKGPS、全站儀、數(shù)字管線探測儀等是主要的數(shù)據(jù)采集工具，通用的地理信息系統(tǒng)GIS軟件（如MAPGIS）是主要的管理系統(tǒng)開發(fā)平臺。現(xiàn)代的城市市政工程管理已與“3S”技術(shù)密不可分。

　　3結(jié)語

　　現(xiàn)代測繪技術(shù)自動化、數(shù)字化的程度已經(jīng)很高，我們從事土木工程的建設(shè)者應(yīng)努力掌握現(xiàn)代測繪新技術(shù)，自覺地應(yīng)用現(xiàn)代測繪新技術(shù)，以促使土木工程測控技術(shù)自動化，使工程建設(shè)安全高效的進行。

　　參考文獻：

　　[1]劉經(jīng)南.“3S”技術(shù)在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用.武漢：學(xué)術(shù)論文摘要集，2001.10