蔡碧聰

（北京市公路局公路設(shè)計(jì)研究院）

“3S”在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

蔡碧聰

（北京市公路局公路設(shè)計(jì)研究院）

我們?cè)诖笠?guī)模進(jìn)行高等級(jí)公路建設(shè)的同時(shí)，也清楚地意識(shí)到勘測質(zhì)量的好壞以及設(shè)計(jì)水平的高低直接影響著整個(gè)工程的質(zhì)量。因?yàn)橐粋€(gè)公路建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量的好壞、投資的多少以及運(yùn)營的完善與否，直接取決于勘測工作是否周全，設(shè)計(jì)方案是否合理，二者是相輔相成，互為影響的。但遺憾的是，公路勘測設(shè)計(jì)仍然沒有擺脫傳統(tǒng)的勘測設(shè)計(jì)模式和方法，技術(shù)含量低，特別是高科技含量不足，嚴(yán)重地制約了高等級(jí)公路建設(shè)地發(fā)展。如何有效地加快勘測速度，縮短設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量是公路設(shè)計(jì)人員面臨的重要任務(wù)。

美國副總統(tǒng)戈?duì)柼岢隽?數(shù)字化地球"概念。并通過“3S計(jì)劃”來實(shí)現(xiàn)，即：

（1）豐富的全球地理信息系統(tǒng)；

（2）精確的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；

（3）先進(jìn)的遙感衛(wèi)星測設(shè)系統(tǒng)。

未來的世界將是“數(shù)字化的世界”，數(shù)字化的概念將滲透到我國的各行各業(yè)。公路行業(yè)的數(shù)字化，它也包括三個(gè)部分：

（1）公路的數(shù)字化地理信息系統(tǒng)；

（2）公路的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；

（3）公路的遙感衛(wèi)星測設(shè)系統(tǒng)。

1 公路的數(shù)字化地理信息系統(tǒng)（Geogr-aphic Information System）

實(shí)際上公路GIS是綜合處理三維公路信息的一個(gè)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，它是GIS技術(shù)在公路領(lǐng)域的發(fā)展，是GIS與多種公路信息分析和處理技術(shù)的集成。真正的數(shù)字化地理信息系統(tǒng)應(yīng)該具備詳細(xì)的地形數(shù)據(jù)資料，包括平面點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，已建道路和橋梁的位置、名稱，道路沿線的民宅、工礦企事業(yè)單位、田地、果林、魚塘、水渠、河流、電力管線等詳細(xì)地面資料。當(dāng)然對(duì)于這樣一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，單靠公路一家是無法實(shí)現(xiàn)的還需與其它兄弟單位通力合作，如測繪部門、航測部門、規(guī)劃部門、地勘部門。那么GIS可以為我們的公路設(shè)計(jì)人員提供什么樣的方便?通過鼠標(biāo)在地形圖上選取控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的屬性也同時(shí)顯示在電腦屏幕上（包括點(diǎn)的坐標(biāo)、高程），控制點(diǎn)連線后，路線的走向就基本確定下來了，接下來就是輸入一些平曲線要素，這樣一來一條路線方案很快就選出來了。如果對(duì)所選路線方案不滿意，可以隨時(shí)用鼠標(biāo)修改，同時(shí)地形圖比例也可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)。在路線方案選定的同時(shí)，我們還可以從地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中獲取其它相關(guān)信息資料，它包括最佳路徑、最短出行時(shí)間、交通流量、道路沿線地區(qū)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)狀況、建材分布、儲(chǔ)量、運(yùn)輸條件、土壤、地質(zhì)和植被情況等。同時(shí)設(shè)計(jì)人員對(duì)于同一起終點(diǎn)的路線，可以選取不同的路線方案進(jìn)行分析、對(duì)比、篩選直至獲得最佳滿意方案為止。

2 公路的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GLOBAL POSITIONING SYSTEM）

GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）作為新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，不僅具有全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的抗干擾性和保密性。相對(duì)于經(jīng)典測量學(xué)說，GPS定位技術(shù)具有觀測點(diǎn)之間無需通視、定位精度高、觀測時(shí)間短、提供三維坐標(biāo)、操作簡便以及全天候作業(yè)等主要特點(diǎn)。由于其高度自動(dòng)化及其所達(dá)到的精度和具有的巨大潛力，GPS一面世就廣泛滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，如無線電導(dǎo)航、地震網(wǎng)監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測、大陸板塊飄移監(jiān)測和大地測量。隨著GPS事業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代，新一代具備RTK系統(tǒng)功能雙頻GPS接受機(jī)地誕生，給當(dāng)今公路測設(shè)事業(yè)注入了新的活力。最新的RTK技術(shù)在公路測設(shè)中具備以下幾個(gè)功能和作用：

2.1 繪制大比例尺地形圖

高等級(jí)公路選線多是在大比例尺（1：1000或1：2000）帶狀地形圖上進(jìn)行。用傳統(tǒng)方法測圖，先要建立控制點(diǎn)，然后進(jìn)行碎部測量，繪制成大比例尺地形圖。這種方法工作量大，速度慢，花費(fèi)時(shí)間長。用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測量可以完全克服這個(gè)缺點(diǎn)，只需在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上停留一兩分鐘，即可獲得每點(diǎn)的坐標(biāo)、高程。結(jié)合輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，構(gòu)成帶狀所有碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可用繪圖軟件成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，因此大大降低了測圖難度，既省時(shí)又省力，非常實(shí)用。

2.2 道路中線放樣

設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來。采用實(shí)時(shí)GPS測量，只需將中樁點(diǎn)坐標(biāo)輸入到GPS電子手簿中，系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)測量都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。

我們知道，道路路線主要是由直線、緩和曲線、圓曲線構(gòu)成。放樣時(shí)（見示意圖），我們只要先輸入各主控點(diǎn)樁號(hào)（ZH、HY、QZ、YH、HZ），然后輸入起終點(diǎn)的方位角a1、a2，直線段距離D1、D2，緩和曲線距離LS1、LS2，圓曲線半徑R，這樣就可以很輕松放樣了，而且一切工作均由GPS電子手簿來完成。這種方法簡單實(shí)用，比起傳統(tǒng)的弦線撥角法要快速得多。另外，如果你需要在各直線段和曲線段間加樁，只需輸入加樁點(diǎn)的樁號(hào)就行了，剩下工作由GPS來完成。

2.3 道路的橫、縱斷放樣和土石方量計(jì)算

（1）縱斷放樣時(shí)，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如：各變坡點(diǎn)樁號(hào)、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑），生成一個(gè)施工測設(shè)放樣點(diǎn)文件，并儲(chǔ)存起來，隨時(shí)可以到現(xiàn)場放樣測設(shè)。

（2）橫斷放樣時(shí)，先確定出橫斷面形式（填、挖、半填半挖），然后把橫斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中（如邊坡坡度、路肩寬度、路幅寬度、超高、加寬、設(shè)計(jì)高），生成一個(gè)施工測設(shè)放樣點(diǎn)文件，儲(chǔ)存起來，并隨時(shí)可以到現(xiàn)場放樣測設(shè)。同時(shí)軟件可以幫助你自動(dòng)與地面線銜接進(jìn)行“戴帽”工作，并利用“斷面法”進(jìn)行土方量計(jì)算。通過繪圖軟件，可繪出沿線的縱斷面和各點(diǎn)的橫斷面圖來。因?yàn)樗脭?shù)據(jù)都是測繪地形圖時(shí)采集而來的，不需要到現(xiàn)場進(jìn)行縱、橫斷面測量，大大減少了外業(yè)工作。而且必要時(shí)，可用動(dòng)態(tài)GPS到現(xiàn)場檢測復(fù)合，這與傳統(tǒng)方法相比，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，前景又廣闊。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)物放樣

對(duì)于在長江、黃河上修建的大跨徑橋梁，采用傳統(tǒng)光學(xué)儀器和全站儀來定位是比較困難的，因?yàn)榻孢^寬、霧氣較大，易造成儀器讀數(shù)誤差。另外，江面情況變化多端、觀測浮標(biāo)位置飄浮不定，影響定位精度。那么有什么好方法來解決這個(gè)問題?GPS在這方面發(fā)揮了一定的優(yōu)勢。因?yàn)镚PS采用的是空間三點(diǎn)后方距離交會(huì)法原理來定位，不受江面外界情況干擾，點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求必須通視，2～3min測一個(gè)點(diǎn)，簡捷方便，精度高，大大提高了作業(yè)效率。它的平面坐標(biāo)定位精度在5MM±1PPM左右，基線長度有幾米到幾十公里，這完全符合橋梁控制網(wǎng)地要求。同樣對(duì)隧道控制網(wǎng)、立交控制網(wǎng)也可以采用GPS的方法進(jìn)行精確定位，效果也不錯(cuò)。

3 公路的遙感衛(wèi)星測設(shè)系統(tǒng)（Remote Sensing System）

遙感衛(wèi)星測設(shè)系統(tǒng)（RSS）是利用航片或衛(wèi)星照片上含有的豐富的地表信息，通過立體觀察和相片判釋并經(jīng)過計(jì)算機(jī)的自動(dòng)處理、自動(dòng)識(shí)別，從而獲得與路線相關(guān)的各種地質(zhì)、水文、建材等資料的一個(gè)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。

衛(wèi)星遙感在公路勘測設(shè)計(jì)中有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）它可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)路線所經(jīng)區(qū)域的地形、地貌、河流、居民地以及交通網(wǎng)系等進(jìn)行概要判讀，以了解其對(duì)路線地影響，有助于對(duì)路線方案的優(yōu)化。

（2）同時(shí)它提供詳細(xì)的地質(zhì)、水文、植被資料，幫助設(shè)計(jì)人員了解不良工程地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)路線的影響程度，以便提早改線，避免不必要的損害和事故發(fā)生。

（3）通過衛(wèi)星遙感資料，可以幫助設(shè)計(jì)人員了解沿線土壤和植被類型，了解農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)作物的分布情況，以便為綠化設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。

（4）通過衛(wèi)星遙感資料，還可以幫助設(shè)計(jì)人員了解沿線建筑材料的分布、儲(chǔ)量、開挖、運(yùn)輸條件，為施工創(chuàng)造良好便利條件。

（5）同時(shí)通過衛(wèi)星遙感資料，可以對(duì)所選路線線形進(jìn)行三維透視，可以幫助設(shè)計(jì)人員了解路線線形是否順暢，行車視距是否良好，與周圍景觀是否協(xié)調(diào)一致。

總之，在不久的將來，我們的公路勘測設(shè)計(jì)就會(huì)轉(zhuǎn)變成以GIS為基礎(chǔ)，以GPS為工具，以RSS為輔助手段的全方位、立體化、多層次的設(shè)計(jì)新模式?！?S”的未來應(yīng)用前景十分廣闊，各國在“3S”領(lǐng)域的競爭也將十分激烈，我們應(yīng)該緊跟國際潮流自我創(chuàng)新，才能在未來的"3S"的競爭中處于不敗之地。

U412.24

A

1004-7344（2016）25-0156-02

2016-8-20

蔡碧聰（1979-），女，畢業(yè)于武漢電力電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程測量技術(shù)專業(yè)，從事測繪相關(guān)工作。