3S技术在公路勘察设计中的应用.pdf

第4期 ( 总第 1 6 6期 ) 2 0 0 7年 8月 2 0日 华 东 公 路 eas t chi na hi ghw ay n o 4 ( t o t a l n o 1 6 6 ) au g u s t 2 0 0 7 文章编号：1 0 0 1 7 2 9 1( 2 0 0 7 )0 4 0 0 3 9 0 3 文献标识码 ：b 3 s技 术在公路勘 察设计 中的应用 余小龙 ，陈宏斌 ( 甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州7 3 0 0 3 0 ) 摘要 ：3 s ( g p s 、r s 、g i s )及其集成技术在公路勘察设计中的应用，使公路勘察设计 实现 内外业一体化、 自动化、设计方案最优化成为可能 ，结合工程 实际分别简要介绍 了3 s及其集成 技术在公路勘察设计 中的应 用。 关键词 ：g p s ；r s ；g i s ；3 s技术 1 3 s技术概述 自从 1 9 9 8年 1月 3 1日美 国副 总统戈尔 提出 了 “ 数字地球” ( d i g i t a l e a a h ) 的概念后 ，“ 数字地球 ” “ 数字城市”相 继成 为本世纪 的热 门术语 和新兴 学 科 ，数字地球的核心是地球空间信息科学 ，地球空间 信息科学的技术体 系中最基础和基本 的技术核 心是 “ 3 s ”技术及其集成 ，所谓 “ 3 s ”是全球定位系统 ( g p s ) 、地理信 息系统 ( g i s ) 和遥感 ( r s ) 的统 称 ，是 目前对地球观测 中空间信息获取、存储管理 、 更新、分析和应用的三大支撑技术 ，他集中了空间探 测、电子技术 、计算机、数据库 、互联网 、通讯 、人 工智能和地球科学等众多最新成就 ，为人类探测地球 和分析环境提供了先进有效 的手段。 2 3 s技术与公路勘察设计 公路勘察设计离不开地理信息、空间信息、社会 信息。公路勘察设计是在全面掌握了地形、地貌、地 质构造 、城镇发展规划 、现有路网 、社会经济状况 以 及预测未来社会经济发展、交通量发展趋势等综合 因 素上确定公路建设的可行性 、公路等级和公路在路网 中的功能。将 3 s技术合理的运用在公路勘察设计中 可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 ，具有广 阔的发展前景 。 3 g p s技术在公路勘察设计中的应用 g p s( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m)是美 国陆 海 空 三军联合研制的卫星导航系统 ，他是以卫星为基础的 收稿 日期 ：2 0 0 7 - 0 5 - 2 3 无线电测时定位和导航系统 ，单点导航定位与相对测 地定位是 g p s应用 的两个 方面。作为一种全新 的现 代定位方法，相对于常规光学和电子仪器，g p s 有测 站之间无需通视、定位精度高、实时提供三维坐标、 观测时间短、操作简便 、劳动强度低等优点，因此在 公路勘察设 计中得到了广泛的应用 ，可 以说 g p s技 术特别是 g p sr t k技术 ( 实 时动态定位 )应用于 公路勘察行业是 公路外业勘察 的一项重 大的技 术革 命。 目前 ，g p s在公路勘察设计中的应用主要有 以下 几方面 ： 在公路勘察设计 的前期 ，用 g p s静态或快速静 态方法建立沿线总体控制网，为勘察阶段测绘带状地 形 图、路线平面、纵面测量提供依据 ；勘察阶段采用 动态定位模式 ( r t k)完成大比例尺工点地形图测 绘 、中桩测量 、纵断面地面线测量、横断面测量等工 作 ；施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网 ；后期营 运阶段可 以用 g p s精密定 位、全天候观测 的特点对 重点桥涵、隧道 、软土路基及对公路运行有影响的滑 坡体进行变形观测。 我公司 自2 0 0 0年 开始在 国道主干线丹 东至拉萨 的重要路段刘寨柯至白银高速公路、兰州至海石湾段 高速公路的勘测中全面采用了 g p s定位技术，现在 将 g p s技术广泛地应用在公路工 程勘察 中，我公司 已有许多工程实例。特别是在省部联合典型示范工程 “ 宝鸡至天水高速公路” 勘察中 ，g p s技术发挥 了重 维普资讯 - - 4 0- 华 东 公 路 2 0 0 7年第4期 要的作用 。宝天路地处西秦岭山区，山大沟深，植被 茂密 ，桥隧 占路线 总长 的 6 3 ，其 中大坪里特长隧 道单洞长 1 2 2 8 8 m，建成后将是我 国第二长公路隧 道 。项 目勘狈 0 作业条件之 困难 、技术要求之高都是我 省公路勘察史上前所未有的。采用 g p s静态与快速 静态相结合 的方 法 ，仅用 了 6 0 d就 完成 了 1 7 0 k m ( 含比较线)路段的基础控制测量和航空摄影测量任 务 ，共布设三级 g p s点 1 0 4个 ，一级导线点 2 6 8个 ， 像控点 2 8 2个 ，1：2 0 0 0数字化地形图及 d e m数据 1 4 0 k m 。由于该地 区地形 复杂，为了满足施工放样 中长度变形值不大于 2 5 c m k m 的要求 ，对基础控 制点进行分带投影 ，建立了四个独立工程坐标系统 ， 采用 g p s精密定位技术 和隧道工程椭球为大坪里特 长隧道建立了施工控制网， 目前该项 目正处于实施 阶 段 ，从施工现场反馈回来的信息看 ，效果 良好。 4 r s技术在公路勘察设计 中的应用 r s技术是通过不同遥感传感器来 获取所摄 目标 的影像 ，然后进行处理 、分析 ，最后获得各种几何和 属性信息的科学技术。现代遥感技术的发展 主要表现 在他的多传感器 、高分辨率和多时相特征 ，其获得的 信息也越来越丰富，能真实地反映地形 、地貌 、地表 岩性 、地质构造和不 良地质等内容 。 9 0年代末期 以后 ，我省 的高速公路建设 已由平 原微丘区向山岭重丘区转移 ，山区地形 、地质条件复 杂。提高复杂地形、地质环境下公路勘察设计水平， 加快工作速度 ，减少不 良地质危害，作好前期路线方 案比选 、优化是公路建设成 功与否至关重要 的一步。 为此我公司从 1 9 9 9年开始在刘寨柯至白银、宝鸡至 天水等山区高速公路勘察中广泛的采用了遥感技术，遥 感技术在公路勘察设计中的应用主要有以下几个方面。 4 1制作公路 路 线 方案遥 感影像 图 遥感图像独有 的宏观性 、全面性 、真实性以及丰 富的地物 、地质信息 ，具有其他勘测方法所无可 比拟 的优势 ，能为设计者快速提供可靠 的地形地貌 、地质 构造和地物判别信息。2 0 04 年在宝鸡至天水高速公 路 工 可 研 期 间 ，采 用 了 美 国 l a n d s a t一5 t m ( 1 9 9 7 7 ) 、l a n d s a t 一7 e t m + ( 2 0 0 0 5 ) 和法 国 s p o t 一 5 h r g ( 2 0 0 3 3 )遥感数据 ，采用 多时相 、多传感 器 、多地面分辨率 、多辐射分辨率方法 ，制作 了 1： 5 0 0 0 0区域遥感影像图，1：1 0 0 0 0基础遥感图集， 清晰直观地显示 了公路设计方案 的走 向和与地形地 貌 、地质构造之间的关系 ，开阔了路线方案设计者的 眼界和思路 ，为路线方案的比选优化提供了直观的平 台。 目前遥感影像 图成为我公司表达公路设计方案的 必备资料 ，他的应用使决策层 、业主和设计审查人员 耳 目一新 ，对路线设计方案有了更为深刻的印象，十 分有助于设计单位对设计方案的论证与表达。 4 2 利用遥感地质资料指导路线方案比选 山区地形 、地质 条件 复杂 ，大型桥隧构造 物密 集 ，断层 、滑坡 、泥石流、溶洞 、采空区等灾害地质 现象是影响路线方案选择 、工程投资和运行安全的关 键 因素。一个最优方案不但可以节约数千万甚至数亿 元 的投人而且在环保 、景观 、安全 、可持续发展方面 也有 良好的社会效益 。利用遥感影像可以迅速查清区 域地质构造特征，避开地质断裂带 、滑坡、采空区以 及地质构造复杂带 ，同时应用卫星和航空遥感 图像与 计算机信息处理技术相结合 ，可以快速编制各种比例 尺 ( 1：2 0 0 0 0 01：1 0 0 0 0 )的遥感 图和解译工程 地质图 ，指导路线方案的比选 ，因此遥感技术在公路 路线方案优化选择中具有关键作用 。例如我公司在刘 寨柯至白银高速公路勘察中，通过遥感工程地质图查 明了白银市平川区王家山煤矿采空塌陷区的分布范围 和扩展规律 ，为路线方案设计指明了方 向，保证了公 路工程 的安全 ；在宝鸡至天水高速公路工可期间，通 过综合遥感信 息解译 分析 ，基本查 明了走廊带 内 2 6 条断层 、5处滑坡群 、4处崩塌等不 良地质 、特殊地 质的分布范围和规模 ，为路线设计提供 了科学依据 ， 例如 ：花石 山 1 隧道原 推荐方 案采用 短隧道方 案 ， 后来通过遥感资料发现，在隧道右侧约 9 0 m发育有 f 9 ( 断层编号 )断层 ，线路 基本与断层平行通过 ， 由于临近断层 ，岩体破碎 ，工程地质条件复杂 ，所以 对路线方案做 了调整 ，采用了长隧道方案 ，远离了断 层 ，保证了隧道工程结构的安全 。 4 3公路 工 程地质 调绘 传统的工程地质调绘是依靠人工野外作业来实现 的 ，费时费力 ，效率不高。在地形复杂、植被茂密的 区域 ，由于人的视野受 限，许 多地质 问题不易搞清。 调绘人员通过遥感图像解译工程地质图可 以有针对性 地开展调绘，加快了工作进展 。 例如我公司在宝鸡至天水高速公路初步设计工程 地质调绘 中采用遥感资料和手持 g p s ，有 目地进行工 程地质调查，不但减少了野外工作的盲目性，减轻了 劳动强度 ，而且提高了调绘质量和进度 ，工作效率 比 常规方法快 1 倍 2倍 ，提前完成了任务 ，为按时提 交设计文件提供 了保证。该项 目工程地质勘探和调绘 成果在业主组织 的专家评审会上得到了专家和业主的 维普资讯 2 0 0 7年第 4期 余小龙 ，陈宏斌 ：3 s技 术在公路勘察设计 中的应 用 一 4 l一 好评 。 5 g i s技术在公路勘察设计 中的应用 g i s 技术是 以空间数据库为基础 ，提供对地球表 面空间和地理分布有关 的数据进行存 贮 、管 理、分 析 、描述、显示 、输出等功能 ，是具有地理图形和空 间定位功能的空间型数据管理系统。目 前，随着计算 机性能、网络技术 、外围设备 、软件系统和数据库系 统的迅速发展和完善 ，尤其 是遥感技术 的发展 ，为 g i s的发展提供 了数据更 新 的保证 和丰 富的数据 资 源 ，使 g i s系统朝着具有统一标准 、多种层次、多维 动态及智能分析与决策方 向发展。 公路项 目前期决策中 ( 可行性研究阶段 ) ，应用 g i s 建立的不 同尺度 的空间数据 库和决策支持系统 ， 可以向项 目规划人员提供多种形式的空间查询、空间 分析和辅助规划决策 ，通过对公路走廊带 内的人文经 济 、自然资源、水土保持、环境敏感点等多种信息进 行管理和分析 ，从而掌握城乡和区域的 自然环境和经 济地理要素的空间分布 、空间结构 、空 间联系和空间 过程的演变规律 ，为公路设计 的决策提供依据。 6 3 s集成技 术是公路勘 察设计的先进技术 平台和 手段 3 s技术在空间信息管理上各具特色 ，均 可独立 完成 自身具有 的功能，同时相互 之间又有许多关联 ， 在解决问题的功能上各有优缺点。r s技术是 当今空 间信息获取和更新的一个非常重要的手段和工具，有 着范围广、速度快、信息广的特点，能快速获取详细 的地理信息，但无法获取地物 的空间位置信息 ；g p s 可以迅速对 目标进行定位 ，但却无法得到 目标的地理 属性信息，g i s 具有信息存储、组织、分析信息的能 力 ，但没有获取信息的能力 ，因此他们三者 的结合是 当代信息技术发展的必然趋势， 3 s 技术的集成构成 了对空间数据实时进行采集 、更新 、处理 、分析及为 各种实际应用提供科学 的决策咨询的强大技术体系 ， 也为公路勘察设计提供了先进的技术平台和手段。通 过 3 s集成技术可以对地上、地下、三维空间环境加 以分析 、模拟，综合考虑沿线 的地质 、地形 、气候 、 水文分布、生态环境敏感点、工程造价、运营成本等 因素 ，实现公路设计方案的最优化 ，并可以大幅度降低 工程建设费用和勘察设计费用，缩短勘察设计周期。 目前 3 s集成技术在公路勘察设计中的应用 ，国 内几个综合实力 比较强的公路设计 院走在这方面的前 沿，借助于部省科研项 目，做了比较全面的系统研 究 ，取得了一些成果 ，但还没有在全 国大范围推广 ， 中小设计 院则主要在 g p s和 r s应用方面投入的比较 多 ，g i s基本处于试验研究 阶段。鉴于 3 s集成技术 的优点和前景我公 司从 2 0 0 6年初开始着 手研究 3 s 集成技术在公路 勘察 方面的应用 ，目前处于 方案设 计、资料收集阶段，通过借鉴国内外成功经验和资 料，准备按以下框架组织实施。 6 1 以 g i s为基础平台 如前所述 g i s的优点在于信息的存储 、组织和分 析 ，而公路 勘察 设计正是需 要在大量调查地形 、地 貌 、社会 、经济 、气象、生态等信息的基础上 ，进行 综合判断、取舍 ，从而得出相应的决策 ，在以 3 s技 术为平台的公路勘察设计体系中，对 g i s平台有较高 的要求 ，需要着重解决好数据标准化、平台网络化 、 决策智能化等三个方面的问题。 6 2 以 r s+g p s为空间信息的采集端 r s+g p s的数据采集方