测绘新技术促进土木工程测控技术自动化

　　摘要：以“3S”为代表的现代测绘技术在各类土木工程的各阶段中都有广泛的应用。充分有效地应用测绘新技术，可以大大地提高土木工程测控技术的自动化程度，可以很好地控制施工质量，保证施工进度和安全生产。
　　关键词：现代测量仪器；测绘新技术；土木工程
　　1现代测量仪器与测绘新技术
　　一切土木工程，从勘测、设计、施工、竣工，到质量管理、安全监护，都离不开测绘。测绘技术先进与否，能否合理的应用测绘技术，直接影响土木工程的进展速度。本文在总结现代测量仪器和测绘新技术的基础上，探讨测绘新技术在各类现代土木工程中各阶段的应用。
　　1.1现代测量仪器的发展现状
　　随着测绘技术的发展，现代测量仪器向着自动化、数字化、集成化方向发展，将淘汰传统的光学测量仪器（水准仪、经纬仪、平板仪）。工程测量的代表仪器堪称全站仪，它是电子经纬仪、测距仪和计算机的集成。全站仪不仅具有测角、测距和测定坐标（可达毫米级精度）的功能，而且具有自动记录、存储和运算能力，能进行大气改正、仪器误差改正和数据处理，有丰富的应用程序，如数据采集、施工放样、导线测量、偏心观测、悬高测量、对边测量、自由设站等等。目前推出的新型全站仪大都有以下新功能：自动调焦照准目标、无棱镜合作测距（可达1200m）、测量软件机内操作、大容量测量数据存储（5000个点以上）和操作菜单化（中文菜单提示）等。还有“自动目标识别全站仪”——测量机器人，可以自动跟踪反射器并实时得到三维坐标。用于高精度定向的陀螺经纬仪向激光陀螺定向发展。另外，将陀螺仪和全站仪集成就出现了陀螺全站仪。大面积的控制测量早已使用GlobalPositioningSystem∕GPS（全球定位系统）定位。目前，用于控制测量的静态GPS接收机已实现天线、接收机和电源一体化，重量仅一公斤左右，操作完全自动化（精度可达毫米级）。用于图根控制测量和碎部测量的实时动态GPS（RTKGPS）系统，需要两台GPS接收机和数据链协同作业，可以在15km范围内实时获得优于3厘米精度的地面点坐标。近几年，一些城市建立了连续运行参考站系统（CORS），以取代RTKGPS。CORS定位时不仅只需一台流动站接收机，而且测定范围大大扩展并能保证厘米级的定位精度。将全站仪和GPS集成一体，就出现了“超站仪”，它改变了工程测量外业的作业模式，实现控制测量、碎部测量和施工放样的一体化和无缝衔接作业。
　　三维激光影像扫描仪可以快速、精确和可靠的获得被识别物体三维空间数据，在桥梁变形、水坝监测及建模、土石滑坡监控、开挖容量测量、城市数字化测量等方面非常有用。
　　高精度高程测量方法目前还是采用几何水准测量，但水准测量的仪器实现了数字化和自动化。数字水准仪不仅实现了自动安平，还配合条码标尺，实现观测自动化和测量结果数字化。现代的测量仪器内部大都带有存储器，用于记录存储工程测量数据。若测量仪器没有内存储器（这是今后发展的一个趋势），可用通用的掌上计算机（PDA）实现数据记录、处理和实时传输一体化。掌上计算机无标准键盘，通过笔或软键盘进行输入，操作系统有PalmOS和WindowsCE。随着计算机网络技术和通讯技术的发展，数据记录设备可直接通过电台、GSM或全球星手机等进行远程数据传输。
　　1.2现代测绘新技术
　　现代测绘技术向着高科技和数字化方向发展，其中“3S”技术是现代测绘技术的代表。“3S”是全球卫星定位系统（GPS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）的合称。GPS是美国研制的精密卫星导航定位系统。该系统可向全球任何用户全天候地提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息。遥感（RS）是一种远距离，大面积几何形态、位置以及相关物理特性的传感手段。广义的遥感包含航空摄影测量。现代航天遥感技术（RS）可提供小于1m分辨率的影像资料，航空遥感技术即全数字摄影测量（DPS）可提供分米级甚至厘米级的影像资料。地理信息系统（GIS）是地球空间信息的集成表达、统计分析、管理的信息系统。前两者是当代最先进的能实时快速获取数据和信息的采集工具，后者是地球空间数据和信息处理、分析乃至决策的平台。利用当代多种先进的数据通信技术，实现数据从采集工具到分析管理决策平台之间的自动交换，就可形成一个从信息获取到信息处理、分析决策，到最后实现反馈控制的自动控制综合平台。“3S”集成技术提供了对地球系统进行长期的立体的监测能力，为收集、处理和分析地球系统变化的海量数据提供了工具。在大型土建工程中，如三峡工程、南水北调、西气东送、青藏铁路等，都具有施工范围大、战线长、物流量大、施工周期长、土方工程大等特点。“3S”技术为大型土木工程提供了最有效的数据和信息采集、分析处理、表达决策的工具。“3S”集成技术将在大型土木工程中贯穿从勘测、设计、质量监控、安全监控、竣工验收到运行监控管理的一切阶段。在现代测绘中，内外业一体化数字测图（简称数字测图）也是一项重要的测绘新技术。野外数字测图就是利用全站仪或RTKGPS接收机在野外采集数据，经过计算机处理得到工程设计、施工及管理用图。该技术在城市测量和中小范围工程测量中有广泛的应用。以前数字测图一般分为“数字测记式”和“电子平板式”两种测图模式，现已发展为用掌上电脑（DPA）现场采集数据与成图。数字测图可实现工程勘测设计一体化和实现数据采集、更新、管理一体化和自动化。野外数字测图现已成为GIS数据采集的一种手段。野外数字测图的一个发展趋势是多种传感器组合全站仪、GPS接收机、数字相机、激光扫描仪等集成应用，从而实现大比例尺测图的自动化和向三维测图方向发展，构成三维模型和立体景观，供设计、规划、虚拟现实和电子商务等领域服务。
　　2现代测绘技术在土木工程中的应用
　　2.1在土木工程勘察设计阶段的应用
　　勘测施工的坐标框架即控制网的建立，已由GPS定位代替传统的三角测量。目前除大范围（400km2以上）控制测量以外，GPS定位从静态定位后处理向实时动态定位方向发展；从单纯的精密定位处理向特定勘测施工坐标系建立方向发展。为了减少重复，施工控制网还要求满足未来精密监控的要求。在大型的建设工程，如：南水北调工程，地形图的测绘已完全采用全数字摄影测量技术和野外数字测图技术。在中、小型建设工程，主要用野外数字测图技术测绘地形图。目前，勘测技术开始向机载激光测量和CCD航摄集成技术过渡，以获取真三维数字地形图。利用数字地形图可以实现三维虚拟现实，在三维可视化可量测景观上呈现多种工程设计方案，实现各种工程设计仿真，并及时计算出相应的土石方工程量，做出环境协调评估，以提供最优化设计方案。又如，利用全数字摄影测量或数字测图技术建立的数字地面模型（DTM），应用GIS的分析决策功能，可以方便快速地进行水库大坝选址、库容计算、引水渠修建、受益范围等设计工作。为开发利用水资源提供科学依据。
　　2.2在土木工程施工阶段的应用
　　土木工程施工阶段一方面是施工建设和现场管理，如土石方验收、线路施测、工程定位、放样等采取了大量的现代数字测绘手段。目前除大量采用全站仪数字测量外，还有三维近地激光影像扫描、RTKGPS实时测图与施工放样、航空摄影或地面摄影测量等方法可进行实时的工程进程管理，还可以辅以移动通信和网络通信等手段，实现远程实时监控。另一方面，利用智能全站仪或GPS与GIS集成技术可实现工程机械的自动化运行和工程安全及质量监控。智能全站仪可以控制机械掘进（隧道）的位置和方向，GPS可以实时定出施工车辆的位置和姿态，从而实现开挖和掘进的自动化。例如挖土机、推土机和压土机，装上精密实时GPS定位设备，配上装有工程管理GIS的机载计算机，可实现现场土方自动填挖控制和工程量精密计算，科学、可靠，节约工程成本。如果这些设备安装了相关工作控制器件和CCD摄像机，可像“自动控制玩具车”一样实现远程无人驾驶和工程量自动计算，大大提高了危险或有环境污染地区工程机械施工效率，有效保护了施工人员的安全健康。
　　2.3在工程竣工运行阶段中的应用
　　按照国家规范，所有大型建设项目竣工之后都要进行竣工测绘，同时还要提供多种工程运行期间的测试文档、图表资料。现代测绘技术能够快速地获取这些数据和信息，并实现数字化管理。例如，利用野外数字测图、GPS测图和DPS测图技术进行竣工图的测绘，并按数字工程的要求进入三维可视化、网络化GIS工程管理信息系统，以作为工程验收评估和今后长期安全运行的原始依据。
　　在公路、铁路、水电站、大桥、摩天大楼等工程竣工后，稳定、高效、安全的运行是第一位的。现代测绘技术提供了连续、实时的运行安全监控和工程病害监控手段。例如，公路、铁路的“3S”集成技术道路病害诊断车是当前世界上正在兴起的快速监测技术。桥梁、高层建筑物、大坝、山体滑坡等的连续、实时变形监测已开始采用GPS、智能全站仪（测量机器人）和数字垂线仪等技术，它们都具有全自动、全天候、无人值守的特点，综合其他工业传感器，可实现全自动、无人或少人值守的工程运行方式。又如，利用三维激光影像扫描仪可以对监测对像（大坝、桥梁）进行全方位的监测，几秒钟即可对上百万个监测点的扫描数据进行毫米级分析，可以随时准确了解观测对象整体变形的情况。
　　2.4在城市建设中的应用
　　在城市建设工程中（如：道路建设、建筑工程、勘察规划）现已普遍应用全站仪或GPS测控指挥施工，监测施工安全。在城市地下管线的施工与管理，也与现代测绘技术密切相关。为了城市避免城市地面的开挖，安装地下管道越来越多使用顶管技术。在地下管道顶管施工中，使用自动跟踪全站仪可以应用自动引导测量系统控制顶管掘进的位置和方向，从而实现掘进定位的自动化。
　　目前，大中城市都在用数字测图技术或全数字摄影测量技术测绘城市数字地形图及城市数字景观图，用于道路、城市功能区、各类管线的规划、设计。为了使用、维护、管理好城市市政公共设施（如道路、各类地上、地下管线、电杆路灯、公交站台、地下设施井盖、公共服务网点等等）许多城市都在建立城市公共信息管理系统或城市地下管线管理系统。RTKGPS、全站仪、数字管线探测仪等是主要的数据采集工具，通用的地理信息系统GIS软件（如MAPGIS）是主要的管理系统开发平台。现代的城市市政工程管理已与“3S”技术密不可分。
　　3结语
　　现代测绘技术自动化、数字化的程度已经很高，我们从事土木工程的建设者应努力掌握现代测绘新技术，自觉地应用现代测绘新技术，以促使土木工程测控技术自动化，使工程建设安全高效的进行。
　　参考文献：
　　[1]刘经南.“3S”技术在现代土木工程中的应用.武汉：学术论文摘要集，2001.10