【摘 要】日前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種鐵路、公路、電路等線型工程也取得了很大的發(fā)展?？刂茰y量作為線型工程的一個重要組成部分，對整個工程的科學(xué)性合理性有著非常大的影響，本文中筆者將以公路控制測量為例，論述長遠(yuǎn)距離線路控制測量中如何建立和統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】控制測量；坐標(biāo)系統(tǒng)；建立方法

1.引言

線型工程主要指的是鐵路、公路、架空送電線路以及輸油管道等這類工程跨度比較大，且以運(yùn)行線路為主要工作重點(diǎn)的工程項(xiàng)目。線型工程的中線統(tǒng)稱線路，線路的勘察和設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)榫€路的確立直接關(guān)系著工程的經(jīng)濟(jì)成本以及運(yùn)行的合理性。所以，在線路勘察和設(shè)計(jì)的過程中，工作人員要充分的考察該地區(qū)的自然環(huán)境和地理?xiàng)l件，并結(jié)合國家的有關(guān)規(guī)定，反復(fù)對比分析，確定一個最符合經(jīng)濟(jì)原則和工程實(shí)際情況的中線線路。

所謂控制測量，就是為了更好的確立公路中線而從事的針對各種相關(guān)數(shù)據(jù)的測量。在線路控制測量過程中，尤其是公路測量中，每條線路都具有相當(dāng)?shù)拈L度，所以不可避免的就會出現(xiàn)長度變形的問題。為了避免長度變形影響測量的準(zhǔn)確性，我們必須要采用一定的輔助手段加以控制。通常來說，建立同待測區(qū)相適應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)可以有效的減少控制測量中的誤差。

2.控制測量的相關(guān)內(nèi)容

在下文中，筆者將從控制測量的目的和作用、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、建立方法以及獨(dú)立高等控制網(wǎng)的建設(shè)方法等幾個方面對控制測量的具體步驟和方法進(jìn)行簡要論述。

2.1控制測量的目的和作用

控制測量一般是指在工程建設(shè)地區(qū)的地面布設(shè)一系列的控制網(wǎng)點(diǎn)，并精確地確定這些點(diǎn)的位置，以便為后期地形測圖和各種工程建設(shè)施工放樣打好基礎(chǔ)。所以，控制測量的主要目的在于方便其他測量工作的開展，為工程測量的各種活動做好前期必要準(zhǔn)備。控制測量是一切后續(xù)測量工作的基礎(chǔ)，沒有控制測量，往后的測圖和放樣等工作是不可想象的。控制網(wǎng)把測區(qū)各部分的測量工作聯(lián)系起來，既起骨架作用，又起限制誤差傳遞和累積作用，控制網(wǎng)在勘測設(shè)計(jì)階段的作用是：①各設(shè)計(jì)階段需要適當(dāng)比例尺地形圖作依據(jù)，而地形圖測繪又必須依靠控制網(wǎng)點(diǎn)來確定地形圖中各部分地貌地物之間的相對位置和保證地形圖的精度，控制測量的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)就為地形圖測繪提供了可靠地坐標(biāo)依據(jù)，保證其測量精度的實(shí)現(xiàn)。②各設(shè)計(jì)階段必須以控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，將路線、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)的位置精確地放樣在地面上，搜集相應(yīng)的路基、構(gòu)造物用于設(shè)計(jì)階段的各種資料，因此控制測量的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)可以為工程設(shè)計(jì)提供有效的參考資料。

可見，控制測量的主要目的在于通過測量網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)，為工程的其他相關(guān)測量活動的開展，如地形圖測繪、設(shè)計(jì)圖紙和方案的確定提供獲取相關(guān)資料和數(shù)據(jù)的可靠途徑。

2.2坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇

坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系著控制測量的質(zhì)量，是關(guān)注著控制測量的重要問題，同時由于它的作用原理較為復(fù)雜，作用發(fā)揮途徑也較為隱性，使其成為了一些作業(yè)人員難以理解的問題。這種情況需要引起有關(guān)部門的重視，因?yàn)橐坏┳鳂I(yè)人員對坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇在認(rèn)識上存在偏差，就會影響其進(jìn)行錯誤的測量操作，從而影響測量結(jié)果。下面，筆者將從坐標(biāo)定位的基本原理和搞死平面直角坐標(biāo)系兩個方面對坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇進(jìn)行相關(guān)論述。

2.2.1大地水準(zhǔn)面、橢球、坐標(biāo)系、國家大地測量和工程控制測量工作都是在地面上進(jìn)行的，而地球的自然表面又是一個有山、谷、江、湖、海洋等起伏的復(fù)雜曲面。它是一個不規(guī)則的、不能用簡單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)的曲面，因此，不能在這個曲面上來解算測量學(xué)中所產(chǎn)生的幾何問題，這樣不僅不利于精確計(jì)算結(jié)果，也會使計(jì)算過程復(fù)雜許多。所以，為便于計(jì)算控制網(wǎng)點(diǎn)的位置和測繪地形，應(yīng)選擇一個形狀和大小都很接近于地球而其數(shù)學(xué)運(yùn)算又很方便的體形，來代替地球的形體，以便把觀測結(jié)果歸化到此體形的表面上進(jìn)行計(jì)算。

由相關(guān)的力學(xué)知識可知，地球上任何一個質(zhì)點(diǎn)都同時受到兩個力的作用才能保持著相對穩(wěn)定和平衡的運(yùn)行狀態(tài)：一個是地球質(zhì)心對該質(zhì)點(diǎn)的引力F，另一個是地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力P，這兩個力的合力，就是作用于該質(zhì)點(diǎn)的重力G，重力G的方向就是眾所周知的鉛垂線的方向，即G=P+F。

曲面上每一點(diǎn)均與鉛垂線方向垂直的曲面叫做水準(zhǔn)面，水準(zhǔn)面有無窮多個，我們可以選擇一個與平靜的海水面相重合的水準(zhǔn)面（平均水準(zhǔn)面）來代替地球的表面，通常把這個與平均海水面相重合的水準(zhǔn)面叫大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是按近于地球的自然表面，但它仍是一個不規(guī)則的曲面，因而有必要選擇一個形狀和大小都與大地體接近，而且能用簡單數(shù)學(xué)式表示的體形來代替大地體。

參考橢球面是一國家（或者一區(qū)域）大地測量計(jì)算的參考面，該橢球面上各點(diǎn)與大地水準(zhǔn)面上各相應(yīng)點(diǎn)之間的高差的平方和為最小，參考橢球中心與地球質(zhì)心重合，旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，赤道面重合，兩者體積相等，總質(zhì)量與地球總質(zhì)量相等，自轉(zhuǎn)角速度相等。

所以，在這個過程中作業(yè)人員應(yīng)該注意的問題是：首先，不可以將水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面直接等同起來，因?yàn)樗疁?zhǔn)面是質(zhì)點(diǎn)所受引力沿鉛垂線方向所形成的基準(zhǔn)面，由于地球的形狀復(fù)雜，這樣的基準(zhǔn)面的個數(shù)有無限個，但是大地水準(zhǔn)面是其中最為接近地球表面的一個，所以水準(zhǔn)面包括大地水準(zhǔn)面，但是不能將二者簡單等同；其次，不能將參考橢球面同大地水準(zhǔn)面等同起來，因?yàn)閰⒖紮E球是模擬地球的形狀形成的參考模型，而大地水準(zhǔn)面是地球表面實(shí)際存在的質(zhì)點(diǎn)沿鉛垂線形成的基準(zhǔn)面，所以參考橢球面雖然可以在坐標(biāo)計(jì)算中一定程度的取代大地水準(zhǔn)面的作用，但是其較實(shí)際的水準(zhǔn)面更加規(guī)則，僅能適用于通過二者的高差平方和計(jì)算得出自轉(zhuǎn)角速度的運(yùn)算中，而不能在其他的坐標(biāo)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)中直接代替大地水準(zhǔn)面。

2.2.2高斯平面直角坐標(biāo)系

公路線路尤其是高速公路一般跨越多個地區(qū)，綿延數(shù)百里，有的甚至跨越省市，形成了一道非常長的線路工程。而通常情況下，公路工程的存在并不是孤立的，常與橋梁和其他建設(shè)工程相結(jié)合，甚至一些公路工程設(shè)立的主要目的就是為了更好的服務(wù)某些建設(shè)工程。所以，在公路線路的設(shè)計(jì)中，要充分把握工程相關(guān)信息，做好與其他工程的銜接，而為了坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一以及與國家其它工程銜接，目前普遍采用國家坐標(biāo)系換帶計(jì)算方法。即高斯正形投影平面直接坐標(biāo)系。下面筆者將簡要對其進(jìn)行介紹：①高斯正形投影的實(shí)質(zhì)。設(shè)想將一個截面為橢圓的橫柱（簡稱圓柱）面套在地球橢球面上，使橫圓柱面與橢球面的一個子午橢圓相切，橫圓柱的軸與地球橢球的軸互相垂直，這樣將靠近子午橢圓的那部分地球表面的圖形投影到圓柱面上，再將圓柱面展開就得到平面上的圖形。這種投影，實(shí)際上就是將地球橢球面上與柱面相切的子午線兩旁的一條帶狀區(qū)域按正形投影到平面上，投影后，只有相切的這條子午線上的長度比等于1，而離開這條子線愈遠(yuǎn)，長度變形愈大，相切的子午線稱為中央子午線，這一帶區(qū)兩旁邊緣上的子午線叫分界子午線，地球上的D點(diǎn)投影到平面上成為d點(diǎn)，d點(diǎn)的坐標(biāo)可用x和y表示。②坐標(biāo)分帶。為了不使這種變形過大，每一個帶的寬度不能太大，一般每帶分界子午線間的經(jīng)度分為6°（或3°），具體的精度要根據(jù)公路線路的具體情況而定。為便于設(shè)計(jì)施工放樣，使坐標(biāo)反算長度與實(shí)地長度差不超過規(guī)范要求而影響施工質(zhì)量時，采用平移子午線的方式進(jìn)行坐標(biāo)換帶計(jì)算，這一點(diǎn)在公路工程測量中是經(jīng)常遇到的，通常稱坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇。

2.3控制網(wǎng)建立方法

在選擇了合適的坐標(biāo)系后，依據(jù)坐標(biāo)建立控制網(wǎng)是非常重要的，一般來講控制網(wǎng)的建立需要注意這樣幾個問題：1）在平面測量的過程中，應(yīng)該先采用四等控制，后一級導(dǎo)線測量。四等控制普遍采用GPS測量，它的特點(diǎn)是：①定位精度高，因?yàn)镚PS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，所以可以對地球上的各個控制點(diǎn)的位置定位準(zhǔn)確做出反應(yīng)，一般情況下，每一百米的精度誤差不超過一厘米，這是其他的測量定位系統(tǒng)所無法比擬的，而為了使公路線路測量的結(jié)果更加可靠有效，就必須保證其結(jié)果的精度，而GPS就是最佳的測量選擇。②觀測時間短，指的是GPS系統(tǒng)擁有較高的測量效率，可以在系統(tǒng)開啟后的較短時間獲取測量數(shù)據(jù)，尤其是目前被廣泛應(yīng)用于工程測量的GPS RTK技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的動態(tài)測量，即在測量的同時就可以接受到被測點(diǎn)的定位信息，這一特定大大的便利控制網(wǎng)的測量和定位。③測站間無需通視，指的是GPS測量有別于傳統(tǒng)的測量方法的各個測量站之間需要實(shí)時的信息交流和溝通，以便綜合各測站的信息得出具體待測點(diǎn)位置的特點(diǎn)。GPS系統(tǒng)的各測站是相互獨(dú)立的，因?yàn)楣餐艿娇偟男畔?shù)據(jù)處理和控制中心的控制，所以只需將所測數(shù)據(jù)直接反饋給控制中心即可，而無需與其他測站進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)交換。④可提供三維坐標(biāo)，指的是GPS定位測量的結(jié)果，不僅可以顯示待測點(diǎn)的具體地理位置，還可以對其空間高度進(jìn)行定位，真正的實(shí)現(xiàn)了全方位的定位測量，雖然在控制測量中，還會進(jìn)行專門的高程測量，但是所得三維坐標(biāo)的結(jié)果也可以作為一個有效的參考依據(jù)。⑤操作簡便，就目前市面上的GPS定位測量裝置來看，其操作步驟和方法都較為簡便易行，可以減少工作人員的工作強(qiáng)度，在提高測量效率的同時減少誤操作的概率。⑥全天候作業(yè)，由于GPS系統(tǒng)是24小時的無間斷作業(yè)的系統(tǒng)，所以在此基礎(chǔ)上開展的各種測量活動不會受到時間限制，可以在任意時間段開啟測量裝置，實(shí)施定位測量。

另外，GPS采用測距后方交會的原理，接收機(jī)接收衛(wèi)星測距信號，只需同時獲得3顆以上GPS衛(wèi)星信號，就可利用后方交會的原理解算絕對坐標(biāo)，當(dāng)有兩臺接收機(jī)同時觀測相同3顆以上衛(wèi)星信號時，其基線解算精度可達(dá)1×10-6，然后通過點(diǎn)或邊連接，聯(lián)測到已知高等控制點(diǎn)上，經(jīng)平差計(jì)算得到各未知點(diǎn)的坐標(biāo)。四等點(diǎn)一般以5km左右一對為宜，5km一對是為便于一級導(dǎo)線加密時附合到已知邊上，以便于設(shè)計(jì)及施工放樣，一般采用常規(guī)儀器（全站儀或測距儀配經(jīng)緯儀）進(jìn)行。

2）在高程測量的過程中：采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行四等高程施測，也可嚴(yán)格按規(guī)范施行的三角高程代替四等水準(zhǔn)方法，附合到三等以上高程控制點(diǎn)，由于高程測量的單位和誤差都比較小，所以采用不同方法對其所得測量結(jié)果的影響不是很大，但是在測量過程中要注意的是五路選擇四等水準(zhǔn)方法還是三角高程附和法，都要在水準(zhǔn)儀的正確操作下進(jìn)行。

2.4獨(dú)立高等控制

公路工程中首級控制網(wǎng)常采用GPS進(jìn)行四等控制，為方便施工再利用常規(guī)方法進(jìn)行一級導(dǎo)線的加密，首級控制網(wǎng)往往采用與國家點(diǎn)聯(lián)測分帶換算得到實(shí)地任意坐標(biāo)系統(tǒng)，以控制整體系統(tǒng)的連接及與已有線路進(jìn)行銜接繼而在線路主要控制物如特大橋、長隧道等（為便于施工需進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)，這類控制網(wǎng)內(nèi)部精度要求較線路首級控制高，這時多采用獨(dú)立網(wǎng)的形式，這種獨(dú)立網(wǎng)不同于其它獨(dú)立工程，如大壩、樞紐、廠房等一般獨(dú)立控制網(wǎng)，作為線路整體的一部分，需要與路線進(jìn)行坐標(biāo)銜接，坐標(biāo)系統(tǒng)一致，以便施工過程中保持線路的連續(xù)性，平差采用獨(dú)立網(wǎng)自由平差求定長基線后再進(jìn)行約束平差，然后再對兩端一級導(dǎo)線重平差方法。獨(dú)立高等控制是一種相對的獨(dú)立控制，是在保證與公路線路坐標(biāo)銜接的基礎(chǔ)上，為了保證控制精度而采取的一種特殊形式，所以在獨(dú)立高等控制的過程中，我們首先要保證該控制系統(tǒng)的坐標(biāo)定位與總體線路的坐標(biāo)定位是一致的，并且其控制網(wǎng)的布設(shè)不能偏移整體線路的網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)的基本方向。

3.地形圖的航空攝影測量方法

由于鐵路、公路等線型工程的長度決定了無法直接在地面上對其進(jìn)行全面測控，所以長線路普遍采用航空攝影的方法。所謂航空攝影測量方法，就是用安裝在飛機(jī)或其它飛行工具上的攝影機(jī)，對觀測地區(qū)按一定要求進(jìn)行攝影，根據(jù)攝影瞬間得到的航空像片，讀取各種信息資料和編制地形圖的技術(shù)。

盡管航空像片上詳盡而準(zhǔn)確地?cái)z錄了地面上的實(shí)際情況，它卻不能直接作為地形圖使用，其主要原因就是航空像片是中心投影，而地形圖是垂直投影（或稱正射投影），也就是二者的坐標(biāo)和拍攝的基準(zhǔn)點(diǎn)不同，因?yàn)楹娇諗z影的每一張圖片的基準(zhǔn)點(diǎn)都是被拍攝位置，而地形圖的總的基準(zhǔn)點(diǎn)是固定的，所以不能簡單地將二者結(jié)合起來。航空拍攝的圖片無法直接應(yīng)用于地形圖上，不代表其搜集的資料和信息無法被地形圖采用，我們可以在地形圖的具體繪制的過程中參考航空拍攝的詳細(xì)而直觀的信息，完善地形圖中的各種線路和標(biāo)的的具體位置。

一般情況下，在飛機(jī)上進(jìn)行航攝的時候，比例尺的選擇不能夠大于成圖比例尺的4倍，否則成圖精度會受到影響。

在航空拍攝的戶外作業(yè)的過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：①像控點(diǎn)的布設(shè)。像控點(diǎn)是在實(shí)地選定符合成像要求的明顯地物棱角（在航片上清晰可見）的點(diǎn)測定其平面、高程三維坐標(biāo)，以便在內(nèi)業(yè)成圖時確定相對位置，對航片進(jìn)行糾正，所以在布設(shè)的過程中要進(jìn)行的將像控點(diǎn)同GPS測量點(diǎn)區(qū)別開，以免拍攝過程中受到測量位置坐標(biāo)的影響。②像片調(diào)繪。航片上不明確或遺漏的如地面、地下及架空管線、路堤、陡坎、農(nóng)田、植被等均應(yīng)調(diào)繪，調(diào)繪過程中要注意的是不可以任意的放大的比例尺，要始終保持在小于成圖比例尺四倍的范圍內(nèi)，否則也會影響航拍的信息的精度。

4.結(jié)語

綜上所述，所有工程建設(shè)項(xiàng)目都必須以社會與效益為依據(jù)，按照條件和預(yù)期目的進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，測量工作是工程建設(shè)中的一項(xiàng)最基礎(chǔ)的工作，在道路、橋梁、隧道工程建設(shè)中起著重要的作用。所以，為了保證控制測量的精度，為了使其測量結(jié)果能夠更好的為其他測量工作的開展奠定基礎(chǔ)，我們要結(jié)合工程實(shí)際情況，對比多種坐標(biāo)建立方法，選擇一條最符合經(jīng)濟(jì)原則，最科學(xué)合理的測量路線。上文中，筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，以公路線路的控制測量為例，簡單的闡述了長遠(yuǎn)距離控制測量中的坐標(biāo)建立和統(tǒng)一問題，希望能夠拋磚引玉，為我國的控制測量工作的發(fā)展盡綿薄之力。

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