综述3s测绘技术在公路工程中的应用

　　摘要:本文分析了3s现代测绘技术应用于公路施工和管理的优越性,探讨了其在公路工程地质勘察和设计选线、施工测设技术与质量控制、动态监测等方面的应用,提出了现代测绘技术应用于公路施工和管理的模式。
　　关键词:现代测绘技术，地球空间信息科学，公路施工和管理
　　随着公路事业的不断发展,公路的施工和管理也对工程技术和管理手段的效率、成本、质量等提出了越来越高的要求,传统的模式、手段已逐渐落后于实际工作的发展，已越来越不能适应公路事业的发展。将先进的科学技术应用于公路的施工与管理具有重要的意义。公路的工程地质勘察和设计选线、施工测设技术与质量控制、管理与维护是三个具有全局意义的环节,利用最新的现代测绘科学的核心技术——“3S”技术作为公路施工与管理的技术支撑,可以极大地提高工作的速度、效率和可靠性。本文在对现代测绘学进行介绍的基础上,探讨其用于公路施工和管理的优越性,然后对其应用的技术途径和模式进行研究。
　　1现代测绘技术及其应用的优越性
　　以遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)为核心和主体,在计算机技术和通信技术的支持下,正在形成一门新的科学——地球空间信息学(Geomatics),现代测绘学就是地球空间信息学。现代测绘学是一门新兴的空间信息科学技术,是应用系统的方法、现代化的手段,在空间信息生成和管理过程中用于科学研究、行政管理、法律运作和技术工作的空间数据进行获取和管理中所采用的所有学科的综合体,是涉及到空间数据的量测、分析、管理和显示的一门现代化的综合技术手段和方法。其主体是遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)三门既相互独立又密切联系的科学技术,统称为“3S”技术。“3S”技术的集成即“3S一体化”是现代测绘学发展的重要方向[1-2]。
　　RS主要是指从远距离高空以及外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器,通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理,从而研究地面物体的形状、大小及其环境的相互关系与变化的现代技术科学。现阶段遥感在地质调查、地理信息获取等方面有广泛的应用。由于公路施工的前提工作就是路线的选址和设计,利用野外勘探进行地质调查、进行选线的方案工作量大,投资大,耗费大量的物力、人力和财力,而其准确度仍得不到保证。利用遥感图像所获取的信息,经过图像处理和加工,能准确地揭示区域地质构造、水文地质条件、地形地貌状况,从而为路线选址提供全面可靠的原始资料,具有经济、客观、准确、高效的特点。在公路的使用过程中还可以利用遥感信息来进行公路所在区特殊情况（特别恶劣天气）的监测,从而为公路的维护提供宏观的决策支持。
　　GPS是美国军方研制的新一代卫星导航定位系统,具有全天候、高精度和全球覆盖的能力,而且其能力已从地球表面系统扩展到航空测量和航天遥感中。当前GPS定位的精度已完全可以用来施测各种等级的控制测量,已在地形和工程测量、地表沉陷监测中得到广泛应用,在精度、效率、速度、成本等方面都显示出了巨大的优越性。利用GPS技术进行公路施工过程中的控制测量、地形测量、施工放样、基平测量等工作,速度快,精度高,不受地形及时间空间等客观条件的限制,克服了传统测量工作中存在的问题。
　　GIS是一种采集、存储、管理、分析和评价全球或区域与空间地理分布有关的数据的空间信息系统,是随着计算机科学、空间科学、测绘遥感学、地球科学、环境科学、信息科学和管理科学的发展而新兴的一门边缘交叉学科。地理信息系统具有强大的空间分析功能,可广泛应用于各种与空间地理分布有关的信息采集、处理、分析、管理、输出及决策支持等。GIS研究的主要对象是有空间特性的地理信息及其属性,其研究方式主要是图形图像处理和空间模型的建立。利用GIS对遥感信息进行分析和处理,可建立选线的空间分析模型,综合考虑各种影响因素,充分利用GIS的空间分析功能,从而为路线选址提供强有力的决策支持.由于GIS具有的强大功能和计算机技术的支持,既提高了工作
　　的自动化程度,又极大地提高了效率和可靠程度。
　　公路的设计、施工、管理都与地质地理条件、区域综合信息密切相关,涉及到大量的数据采集、处理、管理等工作。以GIS、GPS、RS为主体的现代测绘学的特点和结构决定了其在公路的修筑和管理中应用的优越性,这既是现代测绘学应用领域拓宽的需要,也是公路施工和管理的必然要求。
　　2现代测绘技术在公路施工与管理中的应用
　　以“3S”技术为主体的现代测绘技术辅以常规测绘技术、计算机技术、人工智能专家系统技术等,可以在公路施工和管理的整个过程中都提供强有力的技术支持,从而利用最先进的空间科学技术服务于公路的施工和管理,提高工作效率,保证工程质量,节约工程费用。
　　2.1在公路地质勘察和选线设计中的应用
　　公路的修筑与该地的水文地质条件、地形地貌条件、自然地理条件、社会经济状况有着密切关系。地质资料的获取是进行路线选址和设计的先决条件,但传统的方法工作量大,工程周期长,投入成本大,在突变性地质构造及多源信息处理方面效果并不理想。利用现代测绘学的信息获取、处理功能可有效进行公路的选线和设计。首先利用遥感技术进行公路地质调查,利用区域有关遥感资料,从中提取沿线的主要地质信息,然后结合路线调查、实地勘测和对已有资料的全面分析,确定该地区的对公路选线有影响的所有的因素条件,为选址提供基础资料。
　　将由遥感技术所获得的区域地理、地质等方面的资料输入地理信息系统的数据库,地形图通过数字化仪进行输入,图像信息在扫描进入GIS后通过栅格矢量数据结构的转换以需要的形式进行存储,属性信息由键盘输入或由数据库移植,同时要充分利用GIS中已有的该地区的信息,将需要的多源地理信息进行统一管理。公路的修筑既要尽量减少对耕地的占用,又要尽可能选取地质条件好、施工难度小的地区,同时还要考虑路线的曲直程度、安全等各方面的问题。因此公路的选线是一个综合的多目标优化问题。对这一问题的解决要充分利用GIS的空间分析模块进行。其中实用的GIS功能和能够完成的任务如:采用多层叠加分析对影响选线的多个要素进行综合考虑,按照每一因素的重要程度赋以相应的权重,通过对叠加结果的分析由GIS自动提供可供选择的方案;利用GIS的最短路径确定功能对路线的长度进行合理选取;利用GIS的缓冲区分析的功能对每一设计方案的路线两侧以一定宽度建立路线模型,对该区域内的适宜性进行分析等。所有这些功能模块都是GIS软件自身所具有的,设计时只须按照要求进行相应的操作即可。另外,还可以建立有关的专业应用模型,实现GIS与专业模型的集成。
　　利用遥感和地理信息系统进行公路的地质勘察和选址及辅助设计,充分利用了现代技术,具有考虑因素系统全面、采用信息实时准确、分析过程高效可靠、操作利用简便易行等优点,已获得了广泛的应用。目前许多高等级公路的设计阶段都充分利用了遥感技术而在施工时采用gps放样。
　　2.2在施工测设及质量控制方面的应用
　　公路施工中需要进行大量的测量工作。现在全站仪用于高等级公路测量已得到了推广。但是,由于在实际工作中普遍存在着测点缺失或移动、测点间相互不通视等情况。传统的测量技术需要为此进行大量的野外作业以确保施工进行。随着GPS的出现和使用范围的推广,这一状况有望得到改变。GPS所具有的点间无须通视、全天候、高精度的特性使得其应用领域不断拓宽。当前实时动态定位(RTK)技术、差分GPS技术(DGPS)等的精度已足以满足公路施工过程中控制测量和地形测绘工作的要求。利用GPS技术可同时确定点的平面位置和高程位置。在公路施工开始时,利用GPS技术可打破传统的先控制、后碎部的测量程序,而是一次测设整个工程所需的控制点,辅之以常规的测绘技术可以较高的效率进行公路的施工放样。通过GPS高程测量技术可实现公路的基平测量。由于GPS采用的是WGS-84坐标系,而在实际施工中采用的可能是国家80坐标系、54坐标系统或公路独立坐标系,因此坐标的转换是一项重要的工作,利用已有的适量控制点和水准点在计算机中进行坐标转换、高程拟合或内插可实现这一工作。在公路的验收过程中,对公路的几何指标的检核也可利用GPS接收机进行,测量信息经过随机的数据处理软件可实时给出测量结果,而且精度可以满足要求,极大地提高了效率。
　　将GPS接收机或其附属设备的公路测量信息通过数据端口输入地理信息系统,可以为建立公路管理的计算机辅助系统提供最基本的几何信息。
　　2.3在公路动态监测与维护中的应用
　　公路在其使用过程中,必然要受到当地自然条件、环境变化、人类活动等因素的影响,利用现代测绘技术可以进行公路宏观监测。以公路施工过程中的几何信息为基础,将公路及其所在区域各方面的信息通过GIS的数据采集模块输入GIS数据库,在GIS的基础上建立公路管理系统,对整个公路的状况、沿线地理信息等在系统中进行综合管理。由于地下采矿、区域发展等各方面的影响,公路所在地区的自然地理条件可能发生演变,这些变化极有可能对公路引发大的破坏。及时对公路所在区域的自然地理环境进行动态综合监测,发现可能引起公路破坏的因素并采取有效的维护措施,可以从宏观上保证对公路的动态监测。遥感信息是进行公路动态综合监测的基本信息源。基于GIS的公路管理系统是实施监测的技术支撑,该系统可以充分继承GIS已有的空间分析功能,并结合公路管理的要求进行适当的二次开发,从而实现管理工作的自动化、规范化。
　　2.4“3S”技术一体化的应用模式
　　现代测绘科学的一个重要研究方向就是“3S”技术集成即一体化。“3S”技术集成将进一步促进现代测绘学的发展。展望“3S”集成技术在公路施工与管理的应用,其模式是以GIS为核心,将遥感信息、测绘信息、统计信息等多源信息资料进行综合处理,提取有关的自然、地质、地理、社会、经济等与公路有关的信息,建立GIS数据库,在GIS的空间分析模块中进行综合多目标优化分析,研究最佳的公路选线和设计方案;在公路施工过程中以GPS为主辅以常规测绘技术进行全部公路测设工作,将结果信息输入GIS数据库,结合沿线区域属性信息建立公路管理系统;在公路的使用过程中通过公路管理系统对公路进行动态监测。
　　现代测绘技术应用于公路管理的模式如图１所示。
　　
　　图１现代测绘学应用于公路管理模式
　　3结语
　　现代测绘学是一门具有广阔应用前景的空间信息科学技术,将其应用于公路施工和管理具有多方面的优越性,可以缩短作业时间,减少工作强度,提高工程质量,节省建设资金,提高工作效率,规范工程实施,加强公路管理,这已被大量的公路建筑工程所证明。随着今后交通运输业的进一步发展,现代测绘技术在公路的修筑和管理中必将发挥越来越大的技术支持作用。
　　
　　参考文献
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