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3S技术在道路测量中的应用

2012届本科毕业论文（设计）

3S技术在道路测量中的应用

摘要Ⅱ

AbstractⅢ

引言1

13S技术概述1

1.13S技术简介1

1.2RS测量技术概述1

1.3GIS技术的概述2

1.4GPS测量技术概述3

23S技术在道路测量中的应用现状3

2.1GPS在道路测量中的应用现状3

2.2RS在道路测量中的应用现状3

2.3GIS在道路测量中的应用现状4

33S技术在道路测量方面的应用4

3.1GPS在道路测量方面的应用4

3.2RS在道路测量方面的应用5

3.3GIS在道路测量方面的应用5

43S技术在道路测量中的应用实例6

4.1工程概况6

4.2GPS控制网的建立与外业观测6

4.3内业数据处理与精度分析7

5结语9

参考文献10

致谢11

3S技术在道路测量中的应用

摘要

3S技术是全球定位系统（GlobalPositioningSystem简称GPS），遥感（RemoteSensing简称RS）和地理信息系统（GeographicInformationSystem简称GIS）的统称；3S技术以其海量数据、方便快捷、精确等优点，在道路测量中有着广泛的应用前景。

本文首先介绍了了3S技术的基本测量原理及其在道路测量中的应用发展现状；最后介绍了RS,GIS,GPS在道路测量中的应用,指出了3S技术的优点，同时结合实例分析解决一些相关问题，给出一些有益的结论。

关键词

3S技术；道路测量；GPS控制网；精度分析

TheApplicationof3STechnologyinRoadSurvey

Abstract

3Stechnologyisaglobalpositioningsystem（GlobalPositioningSystemGPS）,remotesensing（RemoteSensingRS）andgeographicinformationsystem（GeographicInformationSystemGIS）collectively;3Stechnologywithitsmassivedata,convenient,accurate,inroadmeasurementhaswideapplicationprospectsinthe.Thispaperintroducesthe3Stechnologythebasicmeasuringprincipleanditsapplicationintheroadsurveydevelopmentpresentsituation;finallyweintroducetheRS,GIS,GPSapplicationintheroadsurvey,pointedouttheadvantagesof3Stechnology,combinedwithexampleanalysistosolvesomeproblemsrelatedto,someusefulconclusionsaredrawn

Keywords

3STechnology；RoadSurvey；GPScontrolnetwork；precisionanalysis

3S技术在道路测量中的应用

引言

3S技术是遥感、地理信息系统和全球定位系统的有机结合。

它以其精确、方便和强大的数据处理功能等优点,被广泛应用于资源管理、道路设计等领域。

随着20世纪90年代初期卫星定位系统技术的民用化,推动了3S技术在道路测量中的应用。

当前,该技术主要应用于以下方面:

RS主要是在远离目标的情况下,高效的获取大面积地面信息,在大范围的工程规划、设计中使用遥感数据及进行方案可行性选择等。

GIS对传统选线作业流程可协助处理,并提高工作效率。

GPS被大量用于控制测量。

13S技术概述

1.13S技术简介

3S技术是遥感技术（Remotesensing，RS）、地理信息系统（Geographyinformationsystems，GIS）和全球定位系统（Globalpositioningsystems，GPS）的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。

1.2RS测量概述

RS是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术。

经历了３０多年的探索，遥感应用已从静态发展到动态、从区域发展到全球、从地面发展到太空。

其技术动态主要表现在多遥感器、高分辨率、多角度、多时相上。

近影测量是获取区域数字图像的新的热门技术，像光谱仪和成像雷达是当前遥感研究的两大热点。

遥感信息处理技术也同步发展，已能进行多时相、多数据源的融合分析，并且系统能由静态分析发展到动态监测，借助于高速计算机和专家系统的支持，已能对环境、资源等进行定量分析、自动成图。

图1-1基于遥感图像的道路选线

·1.3GIS技术的概述

地理信息系统：

（GeographicalInformationSystem）也称作土地资源信息系统，它是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物。

地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

GIS是一个专门管理地理信息的计算机软件系统，它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息；而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等；还能查询、检索、修改、输出、更新等。

地理信息系统还有一个特殊的“可视化”功能，就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时还能在屏幕上动态地监测“信息”的变化。

图1-2GIS生成4D图

1.4GPS测量概述

GPS是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。

全球定位系统（GPS）的工作原理：

类似于传统的后方交会，如果在需要的位置某点P架设GPS接收机，在某一时刻同时接收3颗及以上GPS卫星所发射的信号，即测得卫星到测站点的几何距离，就可根据后方交会原理确定出测站点的三维坐标。

图1-3南方测绘GPS-RTK系统

23S技术在道路测量中的应用现状

2.1GPS在道路测量中的应用现状

相对于传统的测量方式，GPS技术主要的技术优势在于观测时间短、定位精度高、可以确定三维坐标、点间无需通视、操作方式简单等等，为道路测量技术提供了重要保障。

当前，GPS技术在道路测量中的应用主要体现在：

隧道控制测量、国家控制点加密、测量特大桥控制、测量外业控制点、测量密灌和密林地区路线等等。

此外，随着近年来RTK技术的功能逐步完善，其所在工程放样中获得广泛应用，使得放养的外业观测强度和计算工作量大大降低，作业效率得到有效提高。

2.2RS技术在道路测量中的应用现状

随着当前空间技术的快速发展，直观、逼真、能够带来丰富信心的遥感图像为道路工程的选线、地质勘测及评价、工程可行性研究和工程初步设计提供了重要手段。

贴切地来讲，应用RS技术犹如将室外情况搬到室内进行研究，不仅能够使得道路工程的进步加快，而且能够保障道路选线质量的提高。

尤其是在可行性研究阶段，RS技术因其海量信息以及其数据的准确性、实时性和全面性为最佳路线的选择提供了极大的帮助，缩短了可研周期，节省了工程勘探费用。

此外，RS技术还能够为设计人员提供道路沿线建筑材料的分布、运输情况，为施工创造了极为有利的条件。

2.3GIS技术在道路测量中的应用现状

近些年来，GIS技术因其良好的信息采集、处理、分析能力获得广泛应用。

但是，GIS在各行业工程建设中的普及才是其社会化的标志。

当前，GIS应用的重要工作为利用已有的大量平台和GIS基本模型来创造适用于工程建设的各种专业模型，以为道路建设中的勘探、测量、设计、施工等提供高效的服务。

未来一段时问内，GIS将能够实现各种与道路建设相关的几何和属性数据的集成，实现数据比例尺、投影等方面的转换与处理，最终为道路建设提供最佳方案，为工程施工提供全面服务。

因此，将GIS技术应用在道路建设中能够保持各种数据之间的统一和规范，能够提高道路建设的效率。

此外，将其与RS技术结合能够获得三维地理信息的遥感图像，保障道路设计的有效程度。

33S技术在道路测量方面的应用

3．1GPS在道路测量方面的应用

GPS定位系统具有定位精度高,实时定位速度快,提供三维坐标,操作简便,全天候作业及全球地面连续覆盖等特点,在道路测量方面得到广泛应用。

（1）平面控制测量

利用GPS静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术（简称RTK）可以实现高精度的快速的控制网测量和部分碎部测量。

其基本优点为精度高,GPS相对定位精度在50km以内可达10～6ppm。

在300～1500m工程精密定位中,1h以上观测的解其平面位置误差小于1mm;其次观测时间短,20km以内相对静态定位,仅需15～20min,应用RTK测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站观测时间每站观测仅需几秒钟。

（2）放样测量

在道路工程测量过程中,采取RTK点放样和线路放样,采用点放样时,首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到GPS流动站中,然后根据所放点标识进行实地放样,放样精度可以控制在5cm以内。

进行线路放样时首先在室内根据线路中心线的弯道元素编制线路中心线文件,将该文件和坐标转换参数上传到GPS流动站接收机,在实地依桩号和所放点与中心线的关系进行现场放样

（3）高程测量

GPS测量资料与水准测量资料相结合,来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。

这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当,分布比较均匀。

利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差,并根据建立的适当大地水准面数学模型,内插出计算点的高程异常或异常差,从而得出特定点的正常高。

采用静态定位方法测出的大地高差误差△h/D可达到3～4ppm,当距离小于20km时,可达到厘米级精度;引入高级水准点,进行高程转换后。

在平原和丘陵地中误差可达到±5cm,山区也可以达到±15cm,因此可以完全代替四等水准。

3.2RS在道路测量方面的应用

利用全数字化摄影测量系统对影像数据和GPS外业像控资料进行空中三角测量、估算空三加密精度、全野外碎部点采集、数字高程模型生成和编辑、数字正摄影像生成、正摄影像测图和数字线化图编辑并生成线划图,然后进行野外补调,最后编辑生成最终的线划图,并转换成GIS支持的图形文件。

经实践证明,采用RS和GPS技术与传统的测图方式相比较,不仅大大提高了图形的精度和产品质量,也提高了工作效率,降低了劳动强度,收到了可观的经济效益。

3.3GIS在道路测量方面的应用

（1）利用GIS技术实现部分道路工程测绘成果的信息化管理

利用GIS强大的地理数据的集成、存储功能对于GPS、RS获得道路工程数据和产品入库,进行测绘成果系统化管理。

为进一步实现GIS的查询、分析等功能提供了良好的基础。

（2）建立测区的三维地面模型DTM

将地形原始数据（GPS、全站仪等采集数据）输入到系统,经过数据过滤后转化为三维矢量数据,进一步生成三维地面模型DTM。

利用内插手段,可以生成更高精度的DTM。

DTM在经纹理、光照等图形渲染操作,即可生成逼真的整个测区数字地形模型,为线路规划设计和调整提供了很重要的参考价值。

（3）实现整个工程布置的动态可视化

通过生成的数字地形模型,和全野外数字化测绘的建筑物局部地形图的叠加套合和虚拟现实技术,可以能够实现整个工程布置的动态演示和景观模拟。

43S技术在道路测量中的应用实例

道路测量一般具有测线长、工期短、精度要求高等特点。

GPS适应这一要求，在各种道路测量中得到广泛应用。

GPS技术在简化道路测量的作业程序、提高作业效益的同时，其测量精度成为测绘工作者普遍关心的问题。

下面就结合实践工作，在分析GPS技术产生误差原因的基础上，验证GPS技术在道路测量中的精度，已期供类似测量作业者借鉴。

4.1工程概况

为了更好地发挥某市绕城公路主骨架的作用,满足于交流和经济的需要,拟建绕城公路与318国道的连接线。

该连接线位于某市黄陂区内,起点为黄陂区甘棠镇与胡港湾之间318国道905km碑附近,终点为黄陂区甘棠镇的吴家湾与祝家湾之间,全长7km左右。

连接线内属微丘地貌,总趋势呈波状起伏,梯田水田交错分布,交通困难,树木稀少,适于GPS测量,在选点和施测过程中要充分考虑这些因素。

4.2GPS控制网的建立与外业观测

（1）.布网方案

为了满足航测数字化成图控制的需要,并顾及接线后期施工放样的要求,根据技术设计任务书,经现场踏勘,在测区内布设了四等GPS控制网。

网中各点布设在规划中连接线的两旁,共20个点,已知点和检核点分别采用武汉市外环线布设的四等GPS控制点和导线点,全网总点数25,最长边约627m,最短边约122m。

另一方面,在四等GPS控制网的基础上,布设了像控GPS网。

网中各点布设在航空像片的重叠区的适当地方,均满足航测数字化成图的要求,共23个点（包括2个已知点）。

测区的网型结构见图4-1和图4-2

图4-1四等GPS控制网示意图

图4-2像控GPS控制网示意图

（2）.外业观测

外业观测使用3台AshtechStep1和2台SOKKIALocus单频大地型接收机,仪器标称精度为±（5mm+1×10-6×D）。

仪器在使用前均进行了有关检验,各项指标符合有关规定。

采用快速静态定位模式进行施测。

四等GPS点的野外观测严格按照公路GPS测量规程并遵照技术设计要求,按四等控制网的标准施测。

共观测10个时段（其中6个时段为5台仪器同时观测,4个时段为3台仪器同时观测）平均每个点设站次数2.05次,每个时段观测时间30～40min,部分较长的基线观测时间达180min。

历元采样间隔为10s,卫星截止高度角为10°,每时段观测卫星数大于等于5,PDOP值小于6,仪器高测前测后量高之差不超过±3mm,三次测量较差不超过±3mm,仪器对中误差小于等于±3mm。

像控GPS网观测是将两台GPS接收机固定放置在四等GPS控制点W304和W315之上始终保持观测,其他3台分别在各像控点上流动测量,观测时间为30min,这样两个固定点与每一个像控点都有一个同步观测环。

因为像控点的观测几乎是同时启步的,它们之间也构成一些同步环,这样像控点的测量就存在检核条件。

4.3.内业数据处理与精度分析

（1）基线解算

每天外业观测结束后,均用GPS仪器厂家提供的商用软件转换为RINEX格式,基线解算软件GPSurveyVer2.35对原始数据进行基线向量解算,并及时进行野外数据检核。

同步环坐标分量相对闭合差均小于或等于6.0×10-6D,环路全长相对闭合差最小为0.3719×10-6D,最大为4.5345×10-6D。

满足规范要求。

与此同时,我们对异步环闭合差、重复基线互差进行了检验。

其异步环闭合差及重复基线精度统计见表4-1

表4-1基线结算精度统计表

由表4-1可知,各异步环闭合差和重复基线闭合差较小,在允许的限差内。

这说明,全网的外业观测质量和基线质量比较高,成果可靠、合理,基线向量不含明显粗差。

2.数据处理与精度统计

GPS网平差采用美国Trimble公司的网平差软件TRIMNETPlus。

平差所用坐标系为1954年北京坐标系,3°带,中央子午线经度L0=114°18′,高斯正形投影。

在进行2维平差之前先进行3维无约束平差,以对GPS网内符合精度进行检验和评估,TRIMNETPlus能自动选择独立基线组成独立基线环路,并能自动检验和剔除粗差观测量,接着进行2维无约束平差。

在四等GPS网平差中,平差以GPSⅣ17和GPSⅣ19为强制约束的固定点,求得其他点3°带1954年北京坐标系坐标。

在GPS像控网中,以W304、W315为已知点进行2维无约束平差。

表4-2、4-3列出了四等GPS网点位与边长精度统计数值。

表4-4、4-5列出了像控GPS网点位与边长精度统计数值。

表4-2　四等GPS网二维约束平差坐标分量精度统计表

表4-3　四等GPS网二维约束平差边长相对精度统计表

表4-4　像控GPS网二维约束平差坐标分量精度统计表

表4-5　像控GPS网二维约束平差边长相对精度统计表

由表4-2～4-5可以看出,最弱点位精度与最弱边长精度均满足规范规定的相应等级的精度要求。

这进一步说明本次测量达到了很高的精度要求。

本次GPS测量控制网网形结构,点位分布合理。

从GPS外业成果验算即同步环闭合差、异步环闭合差、重复基线闭合差计算表明,参加平差的各条基线向量均符合有关限差要求。

5结语

通过工程实例我们可以看出所布设的GPS控制网最弱点位中误差和最弱边相对中误差都达到了较高精度,优于规范和技术设计规定的指标,完全满足道路勘测阶段航测数字化成图控制的需要及施工阶段施工放样的要求，GPS技术在道路测量中的应用使传统的道路测量理论与方法产生了深刻的变革。

将3S技术合理的运用在道路测量中,可以全面掌握道路走廊带内的地形、地貌、地质构造等各种因素,迅速得到所需信息并合理加以管理,智能化的给出决策建议,从而加快设计速度,提高设计质量、经济效益和社会效益,最终实现道路勘测设计一体化、智能化的目标。

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