测绘“3S”技术在工程测量中的应用与展望

兰斌

摘 要：本文结合“3S”技术的最新发展，介绍其在工程测量中的应用现状和前景，结合实例分析当前应用中存在的问题，并做出展望。

关键词：GPS；GIS；RS；工程测量；应用

一、“3S”技术的概念

“3S”技术是GPS、GIS、RS三门测绘学科的统称，分别指的是全球卫星定位系统、地理信息系统和遥感。GPS获得的精确位置信息可以帮助遥感影像和航摄像片的几何校正和镶嵌，GPS和RS技术为GIS空间数据的实时动态更新提供了重要手段，而GIS的应用也提高了RS的数据提取和分析能力。“3S”技术的集成为工程测量提供了全新的测量手段、思维工具以及描述语言，将三种技术进行有效整合，扬长避短。

二、GPS技术

（一）GPS卫星定位系统的发展概况

从1957年第一颗人造地球卫星发射成功开始，人类在空间科学这一领域取得了很多重大突破。得益于其高精度、高效率、多功能、全天候、应用广泛、易于操作等特点，GPS定位技术在测绘学、导航、遥感、土地资源管理、军事及气象等诸多领域得到了广泛应用，如今，GPS已成为测绘领域中一种极为重要的测量定位方法。近年随着RTK技术功能的不断完善，其在工程放样中得到了广泛应用，大大降低了放样的计算工作量和外业观测强度，提高了作业效率。

（二）GPS技术在工程测量中的新应用

1、线路勘测及隧道贯通测量

线路的勘察测设、管线量测以及隧道贯通测量等都是公路、铁路、水利、电力、通信等工程建设中的重要环节，由于这类带状地形的控制网往往以狭长形式布设，又常常穿过山区、树林，通视条件受山林、高差起伏较大等情况所限，传统控制测量作业模式建立控制网，无论是前期的网形设计、选点、埋石，还是后期的施测都会遇到很多问题，控制测量的精度也难以达到要求。即便克服重重困难达到了要求，其耗费的成本也会很高。同时，传统测量方法作业时间较长，直接影响了工程建设的工期。从GPS技术引入该领域以来，其测量效率及测量精度得到了极大提高。例如，我公司张呼铁路一分部的东土村隧道，全长为4.56km，且地形条件复杂，所以隧道洞外平面控制测量采用GPS进行测量。按照《高速铁路工程测量规范》（TB 10601-2009）的要求，当隧道长度在4～6km之间时，按照二等GPS测量的要求进行控制网的设计。该隧道是利用復测成果稳定的CPI和CPII控制点与加密控制点，在隧道进出口组成大地四边形或三角形。隧道洞外控制网的布设形式如下：

（1）隧道进口控制点布设

东土村隧道进口共设置平面控制点3个（加密点2个，CPI点1个）分别为JM5101、JM5102、CPI6023；高程控制点4个（加密点3个，CPI点1个）分别为JM5101、JM5102、JM5103、CPI6023，具体详见图1。

（2）隧道出口控制點布设

东土村隧道出口共设置平面控制点3个（加密点3个）分别为JM5107、JM5109、JM5110；高程控制点3个（加密点3个）分别为JM5108、JM5109、JM5110，具体详见图2。

（3）洞外控制测量横向贯通误差估算

在GPS控制测量前，应按下式估算测量设计的验前横向贯通中误差 式中后两项可由式计算得到洞外定向误差

L—相向开挖隧道计算设计长度，考虑到洞外GPS控制点位布设离洞口有一定距离的因素，取隧道线路长度加1km。

mJ、mC—进、出口 GPS控制点的 Y坐标误差，根据复测成果分析CPI控制点Y坐标误差均小于10mm，所以Y坐标误差均取10mm。

LJ、LC—进、出口GPS控制点至贯通点的长度；贯通面拟选在隧道中点。

mαJ、mαc—进、出口 GPS联系边的方位中误差；

θ、φ—进、出口控制点至贯通点连线与贯通点线路切线的夹角。

—GPS测量定向联系边方向中误差（″），二等GPS规范要求取1.3″限差，ρ=206265″

则由上述计算式可得：

洞外横向贯通误差的限差为40mm，显然28.5mm<40mm，所以满足规范中的限差要求。

2、CORS系统

连续运行卫星定位服务系统（Continuous Operational Reference System）简称CORS，是现代GPS技术发展的热门。CORS系统是一种集卫星定位技术、数字通讯技术、计算机网络技术多学科融合的测量新技术。CORS系统在城市工程测量中有很好的应用及发展前景，它可以提高速度与效率，降低劳动强度和成本，省去测量标志保护和修复的费用，节省各项测绘工程和实施过程中45%的控制费用。

CORS系统在城市工程测量应用中的优势主要体现在以下几个方面：

（1）CORS系统能够实现全天候不间断地工作，且用户无需架设基站，只需准备终端，即GPS-RTK接收机即可进行实时的快速定位。

（2）覆盖范围广，CORS系统覆盖的半径为30km，远大于常规RTK基站几公里的工作半径。且使用CORS系统时无需考虑差分和差分站的质量，使用起来更加方便灵活。

（3）精度可靠，在CORS系统的覆盖半径内，数据的精度大致均匀，不会存在因支站引起的起算数据精度低的影响，且没有误差累积。

CORS系统将网络化概念引入到了大地测量应用中，该系统的建立不仅为测绘行业带来了深刻的变革，也将为现代网络社会中的空间信息服务带来新的思维和模式，该系统使得测区内每个用户都能实时获得厘米级的精度，这种全新的RTK定位方法从根本上提高了作业效率和质量，对于用户来说，它不再要求建立临时参考基站，从而节省了时间，最大限度地提高了作业效率，节约了成本。

近几年，国内不同行业已经陆续简历了一些专业性卫星定位运行网络和站点，同时在一大批城市、省区以及企业、行业还在筹划建立相应的运行网络系统，一个连续的运行参考站网络系统项目正在筹建中。我国第一个连续性的运行参考站系统由深圳市建立（SZ-CORS），已实现全面地投入测量应用。我国的部分省市也初步建成或正在建立类似CORS系统，例如广东、浙江、北京、福建、上海、成都、武汉、重庆和哈尔滨等。

我公司近几年的业务发展范畴也正从常规的公路、铁路项目扩展到市政、轨道交通等项目，随着CORS系统的发展完善及应用的普及，相信不久的将来，CORS系统会在市政项目建设中发挥巨大的作用。其不需架设参考站、真正实现单机作业的特点，也会为项目施工建设控制成本、提高效率、节约费用。

（三）GPS在工程測量中的应用展望

1、应用中存在的问题与对策

虽然GPS发展到今天，各项技术已日趋完善，定位的精度与可靠性也在不断地提高，但在实际应用中仍存在许多问题。

（1）在峡谷、树木茂密的低区，可见卫星数受到限制，影响了GPS系统定位的精确性，有时甚至需要选择适宜的时间进行观测。

（2）强发射物体对信号的折射，会导致信号的非直线传播，多路径效应的改正一直是GPS数据处理的一大难题。

（3）太阳黑子等太阳或月亮的活动对精密定位测量存在一定误差，如果做高等级GPS静态控制测量时遇到太阳黑子，数据处理后的成果很可能会超限。

（4）和大多电子设备一样，GPS接收机，尤其是液晶显示屏和电池在极低或极高的温度下使用都会受影响。

所以说，GPS技术的应用发展既受GPS系统本身及开发的制约，也受使用单位技术条件的支持。为此，要全面推进GPS在工程测量领域的应用，还应重视下述问题：

①重视应用理论与技术研究，寻求新的数据处理方法，开发新的实用软件。

②采取切实可行的措施进行技术和设备创新，如采用可同时接收美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟Galileo系统信号的接收机，改善GPS系统的有效性、完整性和定位精度，从而保证在有障碍环境中的定位精度。

③建立独立的卫星导航定位系统（中国北斗系统），完全摆脱对美国GPS系统的依赖，这在国防军事领域有着重要的意义。

2、应用前景

随着GPS技术的进一步发展与完善，能够一次性确定三维坐标的高速度、高效率、高精度的GPS技术正在逐渐取代长期使用的以测角、测距、测水准为主体的常规工程测量技术。相信不久的将来，GPS应用于变形监测系统、大跨度斜拉桥自振特性监测系统，甚至GPS水上打桩定位系统都会日益普及，它们最大的优势是不受通视条件和雨、雾等自然条件的影响，运行稳定、操作简单、提高效率，且基本可以实现全天候工作。

三、GIS技术

（一）GIS的定义

GIS即地理信息系统，主要涉及地理学、测量学、制图学、摄影测量与遥感、计算机科学。特别是计算机制图、数据库管理、遥感和地理学构成了GIS的理论和技術基础。在计算机软硬件及网络支持下，GIS系统对有关地理空间数据进行输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用，实时提高多种时间空间的地理信息，并以多种形式输出图形产品或数据，为工程建设研究和方案决策服务。目前，GIS已经广泛应用于工程测量、城市规划、土地资源管理、林业、水利、气象等诸多领域。

（二）GIS在工程测量中的应用

近年来，利用GIS具有的对大量信息的采集、处理、分析与统计功能，将其广泛应用于区域规划、资源管理、环境治理和辅助决策等。以交通工程为例，其应用前景主要包括：对各种与交通工程有关的几何和属性数据进行采集，利用GIS强大的数据处理和分析功能，为交通工程方案的选择、工程的设计和施工过程中的动态管理服务。利用GIS缓冲区分析功能和对数据动态的统计功能，可以为交通工程的征地拆迁统计工作服务。总之，将GIS用于交通建设可以保持各种数据的统一、规范，实现动态管理，便于提高交通工程的效率。

四、RS技术

（一）RS的定义

遥感泛指通过非接触传感器遥测物体的几何与物理特征的技术。应用遥感技术对地面物体进行探测，是以地物波普特性为基础进行的。地物波普特性是指地面物体具有的辐射、吸收、反射和透射一定波长范围电磁波的特性。通过对遥感图像的解译，可获取三方面的信息：目标地物的大小、形状及空间分布特点，目标地物的属性特点，目标地物的变化动态特点。根据影像特征的差异可以识别和区分不同的地物，从中提取地物的几何或物理信息并加以数据分析，可对地物的性质、类型或状况进行实时动态监测。

（二）RS在工程测量中的应用

随着空间技术的飞速发展，遥感图像宏观、直观、逼真、丰富的信息为工程设计、工程可行性研究、路线工程地质条件评价和工程初步设计提供了有利条件。遥感技术犹如军事领域的“数字沙盘”，将野外现场搬到室内进行分析研究，不但能提高工程的设计质量，而且能够加快勘测设计速度，减少勘测费用，节约设计成本。特别是在调研阶段，RS以其数据的实时性、准确性和全面性为选择最佳设计方案提供了巨大的便利，大大节约了时间，节省工程勘探费用，还能帮助设计人员了解沿线建筑材料的分布、储量、运距等情况，为施工创造良好的便利条件。

近几年来，随着无人机的广泛应用，使得RS平台投入生产应用的成本大大降低。以内蒙古省道203线AA-4标为例，如对全线16.5km施工便道临时征地的草场面积进行确认，若直接根据线路长度对草场面积进行估算，则所得数据不够准确；若使用GPS采集便道两侧点位，后经内业将采集的点展绘在CAD上最终求得其面积，所得数据虽然准确，但会耗费大量人力物力以及时间；若以无人机为平台，获取带状影像，再经ArcGIS、CAD等内业处理软件将栅格数据矢量化，描绘出便道的边界并计算其面积，从外业获取影像数据到内业处理及分析，不到一天的时间即可完成，既可保证数据的准确性，又大大节省了时间和人力，提高了效率。

五、测绘“3S”技术的集成

测绘“3S”技术的集成，顾名思义，是针对三种技术的一个功能集成的集合体。具体来说就是用GPS获取精准位置，用RS获取或更新空间数据，用GIS分析与表现。利用 GPS 技术的空间定位功能和 RS 技术的区域信息提供功能，以及 GIS 技术的空间分析功能，来有效获取信息并对信息进行综合集成，最终为工程决策提供有效依据。如今，“3S”技术已经应用于诸如工程建设、城市规划、土地资源管理、渔业以及环境保护等多个领域之中。可以预见，“3S”技术集成将会在城市和工程建设领域发挥更大的作用，将为“数字中国”、“数字城市”、“数字工程”、“数字工业”等提供重要的技术支撑。

六、结语

现代工程测量的发展趋势，主要为测量工作的内、外业一体化，数据的获取、处理自动化，测量成果的可视化，测量过程控制的智能化以及测量信息管理的高效化。测量技术的特点主要向快速、动态以及实时的方向发展。同时，国民经济的快速发展，也对工程测量提出了新的要求。“3S”技术与通迅技术、计算机技术的有效结合，将从根本上改变传统测绘学科的内涵。

参考文献：

[1]庞赞.工程测量新技术展望[J].城市建设理论研究，2014.

[2]邱中军.探讨现代工程测量新技术的应用[J].信息系统工程，2013.

[3]黄奇峰.现代测绘技术在工程测量中的应用[J].技术与市场，2011.

[4]张文伟.数字技术在工程测量中的应用[J].价值工程.2011.