公路测量坐标系的选择

摘要：高等级公路勘测主要包括平面控制测量、高程控制测量、地形测量、路线定线与放线、中桩测量、横断面测量，以及路基路面防护排水勘查、沿线设施勘测与调查、环境保护勘测与调查、临时工程勘测与调查、征地动迁勘测与调查等内容。本文将介绍和研究上述前六项内容。

关键词：高等级公路；勘测；内容

一、平面控制测量

1、测量坐标系

为了确定地面点的空间位置，需要建立测量坐标系。常见的测量坐标系有大地坐标系，高斯平面直角坐标系和WGS—84坐标系。

⑴大地坐标系。地面上一点的位置（如P），可用大地坐标（L，B）表示。大地坐标系是以参考椭球面作为基准面，以起始子午面（即通过格林尼治天文台的子午面）和赤道面作为在椭球面上确定某一点投影位置的两个参考面。如图1所示，过地面某点的子午面与起始子午面之间的夹角，称为该点的大地经度，用L表示。规定从起始子午面起算，向东为正，由0°至180°称为东经；向西为负，由0°至180°称为西经。过地面某点的椭球面法线（PP）与赤道面的交角，称为该点的大地纬度，用B表示。规定从赤道面起算，由赤道面向北为正，从0°到90°称为北纬；由赤道面向南为负，从0°到90°称为南纬。

⑵高斯平面直角坐标系。投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线。以中央子午线和赤道的交点O作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴X，规定X轴向北为正；以赤道的投影为横坐标轴Y，Y轴向东为正，这样便形成了高斯平面直角坐标系，如图2所示。

图1大地坐标系图2高斯平面直角坐标系

高斯投影中，除中央子午线外，各点均存在长度变形，且距中央子午线愈远，长度变形愈大。为了控制长度变形，将地球椭球面按一定的经度差分成若干范围不大的带，称为投影带。带宽一般分为经差6°、3°，分别称为6°带、3°带。⑶WGS—84坐标系。如图3所示，

图3 空间直角坐标系

以O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为Z轴，指向符合右手规则。在该坐标系中，P 点的点位用OP在这三个坐标轴上的投影X、Y、Z表示。图3空间直角坐标系，由于GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统必须是全球性的。目前，GPS 测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS—84坐标系（World Geodetic System），简称WGS—84坐标系。WGS—84坐标系实际上是地心地固坐标系。WGS—84坐标系的几何定义是：原点是地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系，如图3所示。

2、平面坐标系统的选定

在编制公路勘测技术方案时，首先遇到的问题就是平面坐标系统的选定。平面坐标系统一般有三种系统可供选择，即统一3°带坐标系、抵偿坐标系和任意带坐标系。笔者认为在公路勘测中选择平面坐标系统应遵循以下原则：⑴应根据测区所在的地理位置及地面平均高程按以下次序选择坐标系统。①统一3°带坐标系；②抵偿坐标系；③任意带坐标系。⑵当测区所在地理位置位于统一3°带中央子午线附近，且测区平均高程面接近参考椭球面或平均海

平面时，应采用统一3°带坐标系。⑶当测区所在位置离统一3°带中央子午线较远、或测区平均高程较大时，应采用抵偿坐标系。即利用长度的高程归化和高斯投影的距离改化符号相反的特点，建立抵偿地带，使投影的长度相对变形小于规范规定的1/4000。⑷一般情况下，不应采用任意带坐标系统，除非测区沿线路经最大的城镇其城市平面控制网采用任意带坐标系；而且，即便如此，测区坐标系也应与该城市使用的坐标系统一致。有些公路勘测部门，在遇到测区所在地理位置远离统一3°带中央子午线时，为图省事，往往喜欢以测区中心的子午线代替统一3°带的中央子午线，以测区平均高程面代替参考椭球面，这样便使测区的边长的高程归化和距离改化的改正值明显减小，使其不超过投影长度变形的限差（即每公里2.5cm）。但是，这种任意带坐标系统给公路沿线城镇的规划设计和地籍勘测带来极端不便。

3、平面控制网种类

公路勘测常见的平面控制网有三角网、边角网、附合导线和GPS控制网等几种。⑴三角网和边角网由于公路呈带状，因此公路勘测中的三角网一般布设为三角锁。采用全站仪进行控制测量时，由于测量边长十分方便，而且精度较高，因此常用边角网取代三角网。⑵附合导线在公路勘测平面控制测量中，导线网得到最广泛的应用。一般情况下，常布设全站仪附合延伸型导线。⑶GPS控制网。公路勘测中GPS控制网一般布设为边连式网形结构。

4、平面控制网的布设原则

公路勘测中平面控制网的布设原则如下：⑴应符合因地制宜、技术先进、经济合理、确保质量的原则。⑵主控制网宜全线贯通，统一平差，沿线各种工点平面控制网应联系于主控制网上。⑶平面控制网中控制点位置的选定应

符合下列要求。①相邻点之间必须通视（GPS控制点除外），点位能长期保存；

②便于加密、扩展和寻找和使用；③平面控制点位置应沿线布设，距路中心的位置宜大于50m且小于300m；④布点时应考虑沿线桥梁、隧道等构造物布设控制网的要求。在大型构造物的两侧应分别布设一对平面控制点；⑤GPS控制点点位应便于安置接收设备和操作，视野应开阔，被测卫星的地平高度角应大于15°，点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等）及高压输电线。

二、高程控制测量

公路勘测中的高程控制测量也叫基平测量。

1、一般原则。⑴公路高程控制网宜布设附合水准路线；高程控制测量应采用等级水准测量。⑵公路高程系统宜采用1985年国家高程基准。同一条公路应采用同一个高程系统，不能采用同一高程系统时，应给定高程系统的转换关系。⑶在进行水准测量有困难的山岭地带和沼泽、水网地区，可采用光电测距三角高程或GPS高程替代四等水准高程，但必须有足够的三角高程点和GPS高程点与等级水准点进行联测。

2、水准点的布设。⑴水准路线应沿公路路线布设，水准点宜设于公路中心线两侧50～300m范围内；⑵水准点间距宜为1～1.5km；山岭重丘区可根据需要适当加密；⑶水准点应能长期保存，便于与平面控制点联测；⑷大桥、隧道口及其它大型构造物两端，应增设水准点。

三、地形测量

公路勘测中地形测量一般为大比例尺带状地形图测量，常见比例尺为1：500、1：1000、1：2000。

1、地形测绘内容⑴地形地貌要素；⑵居民地、独立地物；⑶管线、公路、水系；⑷境界；⑸植物；⑹其他与公路规划、设计、建设、管理有关的要素。

2、地形图测绘方法。⑴大平板仪测绘法；⑵经纬仪小平板联测法；⑶全站仪测绘法；⑷航空摄影测量法；⑸GPS实时动态定位技术（即RTK技术）测绘法。

四、路线定线与放线

1、路线定线。地形测量完成后，可在地形图上进行纸上定线。⑴定线原则：①应正确掌握和运用相关技术标准；②应作好总体布局，并根据各类地形特点，结合构造物的布设，进行路线平、纵、横面的协调布置，定出合理的线位；③对地形、地质、水系条件复杂和工程艰巨的路段，应拟定出可能的比较方案，进行反复推敲比较后确定采用方案。⑵定线内容：①应将有特殊要求或控制的地点，必须避绕的建筑物或地质不良地带、地下建筑或管线等标注于地形图上。②山岭地区的越岭路线，需进行纵坡控制的地段应在地形图上进行放坡，将放坡点标示于图上。③在地形图上选定路线曲线与直线位置，定出交点，计算坐标和转角，拟定平曲线要素，计算路线连续里程。

④沿路线中线按一定桩距从图上判读其高程，点绘纵断面图。河堤、铁路、立体交叉等需要重点控制的地段或地点，应实测高程点绘纵断面图，并据以进行纵坡设计。⑤应根据路线中线线位，在地形图上测绘控制性横断面，并按纵坡设计的填挖高度进行横断面设计，作为中线横向检验和计算路基上石方数量的依据。⑥依据纸上定线的线位及实地调查资料，初步确定人工构造物的位置、交角、类型和尺寸。⑦综合检查路线线形设计及有关构造物的配合情况与合理性。线形设计可采用透视图法检验平、纵、横组合情况。⑧纸

上定线后，对高填深挖地段、大型桥梁、隧道、立体交叉以及需要特殊控制的地段应进行实地放线检验、核对，并作为各专业工程勘测调查的依据。⑨所确定的线位应总体配合恰当、工程经济合理、线形连续顺适。对需进行比较的方案，应按上述步骤方法定出线位、计算工程量，进行技术经济比较。2、路线放线。纸上定线工作完成后，应进行实地放线。⑴放线步骤：①检查和检测原测量控制点，如有丢失不能满足放线要求时，应增设或补设；如超出限差时，应予重测。对新增或补设的测量控制点，应予联测。②根据批复的初步设计方案，结合现场地形、地物条件进一步优化调查和完善线形、线位及构筑物位置，确定定测路线。③实地放线。④延长直线钉设转点或交点。

⑵实地放线方法①经纬仪极坐标法；②全站仪坐标放线法；③RTK坐标放线法。

五、中桩测量

1、中桩测量内容：⑴中桩钉设。直线段中桩一般每20～50m钉设一点，曲线段可加密为每10～20m钉设一点，遇到下列位置应多加桩。①路线纵、横向地形变化处；②路线交叉处；③拆迁建筑物处；④桥梁、涵洞和隧道等构造物处；⑤土质变化及不良地质地段起、终点处；⑥省、地（市）、县等行政区域分界处；⑦土地类别变化处；⑧改建公路变坡点、构造物和路面面层类型变化处。⑵中桩高程测量。中桩高程应测量桩志处的地面标高。中桩高程测量一般宜采用水准测量方法，在测量精度有保证时，也可采用全站仪三角高程测量方法和RTK测量方法。对于沿线需要特殊控制的建筑物、管线、铁路轨顶、交叉路口路面，必须采用水准测量方法按规定测出其标高，其检测限差为±2cm。

2、中桩测量方法。⑴采用经纬仪测量时，直线段应采用极坐标法，曲线段还可采用支距法和偏角法；⑵全站仪坐标法；⑶RTK法。

六、横断面测量

1、横断面测量要求：⑴横断面施测宽度应满足路基及排水设计要求；⑵横断面测量应反映地形、地物、地质的变化；⑶如有分离式路基，应测出连通上、下路线横断面，并标注相关关系；⑷横断面应在现场点绘成图并即时核对，采用测记法室内点绘时，必须进行现场核对。

2、横断面测量方法：⑴水准仪──皮尺法；⑵经纬仪视距法；⑶全站仪法；⑷RTK法。

参考文献

1、宁津生等.现代大地测量理论与技术[M].武汉:武汉大学出版社，2006.

2、周亦唐等.道路勘测设计[M].北京:科学出版社,2005.

3、雒应等.公路测设新技术[M].北京:人民交通出版社,2006.