简述公路基础数据的采集方法

摘要：公路路线设计中的基础数据主要包括地形、地物和地质等资料，早期的数据采集方法以传统测量为主，即利用经纬仪、水准仪和平板仪等仪器进行现场实测，然而随着公路CAD 系统研究不断深入和应用的日趋普及，对数据采集提出了更高的要求，传统测量手段已经不能满足需要。在测设新技术不断推出的背景下，一些先进数据采集方法不失时机地应用于公路测试中，彻底改变了传统数据采集方法的落后状况。本文着重介绍了航测数据采集、全球定位系统及其数据采集和地图数字化在公路基础数据采集中的应用。所介绍的三种先进数据采集方法可以有效弥补传统公路数据采集方法的不足，可以满足高速公路管理、控制和设计的需要。

关键词：公路CAD 航测数据采集 全球定位系统 地图数字化

1、引言

随着计算机科学技术的快速发展和测量新技术的不断出现，公路勘测设计技术进入了一个以计算机新技术和测量新技术相结合的公路测设现代化新阶段。测设阶段逐步完善，设计速度显著提高，设计成果更加合理。公路工程CAD 技术是当前公路测设新技术的重要组成部分。公路CAD 技术的推广应用，显著提高了公路建设的工作进度和工作质量，有利于实现公路建设项目方案优、投资省、工期短、效益好的总体目标，极大促进了我国公路建设事业的快速发展[1，2]。

公路路线设计中的基础数据主要包括地形、地物和地质等资料，早期的数据采集方法以传统测量为主，即利用经纬仪、水准仪和平板仪等仪器进行现场实测，然而随着公路CAD 系统研究不断深入和应用的日趋普及，对数据采集提出了更高的要求，传统测量手段已经不能满足需要。在测设新技术不断推出的背景下，一些先进数据采集方法不失时机地应用于公路测试中，彻底改变了传统数据采集方法的落后状况。目前，公路基础数据采集方法有以下几种：从航测相片上获得数据、利用已有地形图数字化方法、利用全球卫星定位系统(GPS)来采集数据、利用光电测距仪或者全站仪等现代化测量仪器进行地面速测[3,4]。

2、航测数据采集

2.1 航测相片

航测相片含有大量的、丰富的地标信息，从航片上采集数据可直观观察地表形态，获得可靠的地形数据。航测相片是以摄像仪目镜为中心的中心投影。中心投影服从于“远小近大”的成像规律，因此造成各向构象的比例尺不均匀。

2.2 航测方法

航测方法主要有以下四个阶段：准备阶段、摄影工作、外业工作和业内工作。其中外业工作和业内工作是核心。外业工作包括野外地面控制测量和相片判断调绘。在航摄相片上按一定要求，选出一批控制点，然后到对照实地，将它们最后确定下来并选刺在相片上。

业内工作这一阶段的工作包括将相片的中心投影图展平为垂直投影图、加密和放大、成图及建立三维数字地形模型等。由中心投影和相片倾斜所引起的像点位移可以运用特制的光学仪器将图形纠偏、展平、统一确定合适的比例尺等。控制点业内加密是根据野外实测的相片控制点，用航测中解析空中三角测量的原理，加密出室内测图所需的平面控制点、高程控制点及平高控制点。最后的成图方法通常有全能法、解析法、分工法和综合法等。

2.3 在公路测试中的使用

(1)沿线专摄航片。主要是某条公路线设而专门组织的航行摄片。

(2)利用既有航测资料。从各省测绘局查取航片，然后通过加测控制点，加密放大，获得1：2000的等高线地形图。

(3)依靠航测成果建立数字地形模型。公路路线CAD系统可以直接条用数字地形模型，然后进行定线设计。

(4)直接在航片上选线定线。将摄影的航片制成镶嵌复照图和平面图，既可在此图上初选路线方案。

3、全球定位系统及其数据采集[5]

3.1 GPS的组成

GPS系统包括空间卫星、地面监控和用户设备三个部分。其中空间卫星主要是由21颗工作卫星和3个备用卫星组成。监控部分是整个系统的中枢，由分布在美国本土和三大洋的美军基地上5个地面站组成。而用户设备部分则设有接收及的观测站。

3.2 GPS的定位原理

利用GPS 进行定位的基本原理实质是空间距离后方交会法，即以GPS卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机的所在的位置。

3.3 在公路测试中的使用

(1)GPS布设公路测设控制网。在公路工程中首先引入GPS的是公路控制测量，GPS高精度定位特点正好可以满足这一要求。

(2)RTK 技术在公路详细测量中应用。相对于公路控制测量，公路详细测量的精度要求比较低，但要求速度比较块。根据这一特点，近几年国内在公路详细测量中，也逐渐采用动态载波相位实时差分法，即RTK定位技术。RTK定位技术具有观测时间短，定位精度高，无须通视、天气影响小等优点。利用RTK定位技术可以进行大比例尺地形图测量、公路中线测量、公路纵横断面测量、路线放样、桥涵放样等测量工作，大大提高了测量精度与效率。

4、地图数字化

4.1 手扶跟踪数字化

数字化是利用电池感应原理将图形转化成数字的电子设备。数字化作业是，将地形图平放在数字化仪的平台上，用一个带有十字丝的游标，手扶跟踪等高线或对准地形散点，并记录点的平面坐标，高程则由人工按键输入。

手扶跟踪数字化方法的优点是所获取的向量是数据在计算机中比较容易处理，缺点是速度慢，人工强度大，所采集的数据精度也难以保证，特备是遇到线化稠密地区，几乎难于作业。浙南采用这种方法来完成大范围的数据采集任务是不现实的，于是扫描数字化应运而生。

4.2 扫描数字化和栅格矢量化

扫描数字化是利用扫描仪将地形图从模拟状态转化成一组阵列是的灰度数据，成为光栅图像，栅格矢量化是将这些灰度数据转化成矢量数据。扫描仪可分为平台式和滚筒式两大类，也可以根据探测器的多少分为点阵式、线列式和阵列式。栅格数据的矢量化可以是手工的，半自动化和全自动化的。经过矢量化的图像被转化成能被大多数CAD软件所识别的、可编辑的矢量信息，提供给公路路线设计所使用。如能在矢量化等高线的过程中及时输入高程，则能转化成数字地面模型所需要的数据。

为保证扫描质量，与手扶跟踪数字化相比，扫描数字化要求有较高清晰度的地形图。一般情况下，光栅图像图形失真小，具有较高的精度，但为了得到高清晰度的图像，处理速度较慢。在公路路线设计中，光栅图像可作为底图与设计线叠加起来，形成路线平面设计图。光栅图像最大的问题是图形二维平面的，等高线无法转化为地形模型进一步设计所用。

5、结语

我国高速公路建设发展迅速，高速公路管理日益显示出其重要性，而传统公路数据采集的方法的因其数据准确性差、检测精度不高、布设位置不合理等缺陷大大限制了高速公路设计的合理性和管理的有效实施。而本文所介绍的三种先进数据采集方法可以有效弥补传统公路数据采集方法的不足，可以满足高速公路管理、控制和设计的需要[6]。

参考文献：

[1]毛大德, 罗云飞. 公路工程CAD[M]. 长沙: :中南大学出版社, 2009

[2]郑益民. 公路工程CAD[M]. 北京: :清华大学出版社, 2010

[3]陈楚江. 摄影测量与遥感技术同GPS,公路CAD的集成[J]. 遥感信息：2000, 04：53-56

[4]李军. GPS 动态技术在公路测设中的应用研究[J]. 遥感信息：2002, 27(6)：84-86

[5]郑家庆 赵喜安 陈楚江, 等.GPS、航测遥感、CAD集成技术开发[J]. 中国公路．建设市场专刊：2003, 7：34-36

[6]高文宝. 高速公路动态交通数据检测方法及其应用研究[M]. 东南大学硕士学位论文, 2007.01