山區(qū)高速公路改擴(kuò)建數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)技術(shù)(五號字)

山區(qū)高速公路數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)新技術(shù)中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院趙喜安摘要 隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)的深入，高速公路建設(shè)向西部與山區(qū)逐漸展開，其勘察設(shè)計(jì)技術(shù)更具復(fù)雜性和特殊性。本文對最新的數(shù)字勘察設(shè)計(jì)技術(shù)和空間信息技術(shù)在一批交通部典型示范工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，以期探討適合于我國山區(qū)高速公路勘察設(shè)計(jì)新技術(shù)研究與應(yīng)用的發(fā)展方向。主題詞 山區(qū)、高速公路空間信息數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)前言隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)的深入，高速公路建設(shè)已逐步向西部山區(qū)和困難地區(qū)延伸，復(fù)雜的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，以及基礎(chǔ)資料的匱乏使山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)面臨著更多的技術(shù)難題急待探索和研究。建國50多年來，盡管國家在廣大的西部地區(qū)對基礎(chǔ)建設(shè)投入了巨大的資金、技術(shù)等各方面的大力支持，工程建設(shè)者也為之付出了巨大的艱辛和努力，但由于極端困難的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，目前西部山區(qū)能滿足公路建設(shè)所需的各種準(zhǔn)確詳盡的基礎(chǔ)資料尤其是數(shù)字化資料極為匱乏；其二，山區(qū)地形起伏、植被茂密、地質(zhì)復(fù)雜、氣候多變、災(zāi)害頻繁等等因素使常規(guī)勘察手段在這些地區(qū)遇到諸多新的難以克服的問題，有些地區(qū)甚至無法實(shí)施；第三，由于山區(qū)公路更需要體現(xiàn)地形選線、地質(zhì)選線、環(huán)境景觀選線等新理念，大型結(jié)構(gòu)物眾多復(fù)雜，防護(hù)支擋要求嚴(yán)格，因此，無論是宏觀上還是細(xì)節(jié)上，都需要對大到路線走向、小到防護(hù)措施、施工工藝等進(jìn)行全方位的優(yōu)化比選，其設(shè)計(jì)方法、內(nèi)容、手段與創(chuàng)新點(diǎn)等都有別于平丘區(qū)高速公路，設(shè)計(jì)及CAD技術(shù)需要有新的突破。最后，隨著“數(shù)字地球”和“數(shù)字公路”的發(fā)展對傳統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)提出了更新的要求，勘察設(shè)計(jì)成果不僅要滿足施工建設(shè)的要求，更必須符合數(shù)字化高速公路建設(shè)和管理大趨勢的要求。近年來，我院先后在京珠國道粵境、湘境、滬蓉國道鄂西山區(qū)、西藏墨脫公路、貴遵公路改擴(kuò)建等山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采用了多種先進(jìn)的科技手段來獲取滿足工程設(shè)計(jì)所需要的數(shù)字化資料，對數(shù)字化勘察設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)字公路信息技術(shù)進(jìn)行了一定的研究與應(yīng)用，提出了一些勘察設(shè)計(jì)新方法，在一大批具體工程實(shí)踐中進(jìn)行了較為廣泛的嘗試和應(yīng)用，取得了顯著的效果。關(guān)鍵技術(shù)高分辨率衛(wèi)星遙感影像道路的選線和規(guī)劃首先需要從宏觀角度對所涉地區(qū)進(jìn)行社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等方面深度的分析和比選，其主要影響因子有：經(jīng)濟(jì)布局、路網(wǎng)分布、交通流、土地利用以及其它各種自然與環(huán)境因素等。對此，高分辨率衛(wèi)星遙感圖像在困難地區(qū)為此類基礎(chǔ)資料的獲取提供了一種理想的選擇。圖1在IKONOS影像上進(jìn)行互通方案設(shè)計(jì)遙感是利用傳感器遠(yuǎn)距離地接收地表物體吸收、發(fā)射和反射的能量，通過地物的電磁波譜特性來識別物體和提取信息的一門學(xué)科。自上世紀(jì)60年代起，人們就認(rèn)識到了遙感技術(shù)認(rèn)知地表現(xiàn)象的巨大潛力，從而在農(nóng)林、氣象、水利、軍事、測繪、地質(zhì)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。隨著現(xiàn)代空間技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感圖像的定位精度越來越高，空間分辨率越來越細(xì)，使之可更快、更準(zhǔn)、更細(xì)地獲取地表信息，因此，其在工程建設(shè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用得到了飛速的突破和發(fā)展。圖1在IKONOS影像上進(jìn)行互通方案設(shè)計(jì)1999年美國SpaceImage公司研制的地面分辨率為1m的IKONOS遙感衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著工程建設(shè)領(lǐng)域大規(guī)模獲取高精度空間信息時代的到來。該衛(wèi)星距地681km，重817kg，太陽同步軌道，每98分鐘繞地一周，每3天就可重復(fù)獲取同一地區(qū)的立體影像。IKONOS全色影像光譜波段為0.45~0.9μ，分辨率1m；藍(lán)、綠、紅和近紅外4個波段多光譜影像分辨率4m，星下點(diǎn)影像覆蓋地面寬度為11km。IKONOS衛(wèi)星圖像的這些技術(shù)參數(shù)使之在山區(qū)和極困難地區(qū)的衛(wèi)星不受空域和地面障礙物的限制，能迅速獲取全球任何地區(qū)最新的立體影像；高分辨率全色和多波段影像不僅能解譯出區(qū)域地表的各種最新的自然、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，而且通過多時段和多波段遙感信息提取，可獲取詳細(xì)的工程地質(zhì)、水文、地貌變化、地質(zhì)災(zāi)害、自然災(zāi)害等多種信息；圖2IKONS衛(wèi)星圖在墨脫公路中的應(yīng)用IKONOS圖像自身的定位精度使之無需野外工作即可直接生成1:10000數(shù)字地形圖；僅用少量野外控制點(diǎn)且不必嚴(yán)格控制點(diǎn)位分布即可生成1:5000～1:2000數(shù)字地形圖，這對困難地區(qū)獲取地面數(shù)據(jù)具有極大的價值；而且由于視點(diǎn)高，其攝影死角比航攝更少，可獲取更隱蔽地區(qū)的資料；圖2IKONS衛(wèi)星圖在墨脫公路中的應(yīng)用IKONOS衛(wèi)星影像的像幅比同分辨率的山區(qū)常規(guī)航空攝影寬4~6倍，達(dá)11km，因此更有利于路線走廊帶優(yōu)化選擇。2004年，我院主持完成了交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“IKONOS衛(wèi)星圖像在西藏墨脫公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究”。在世界公路建設(shè)的極限地區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害和自然災(zāi)害最頻繁、最嚴(yán)重的地區(qū)和各種資料均為空白、也是我國唯一不通公路的西藏墨脫公路勘察設(shè)計(jì)中研究應(yīng)用了IKONOS衛(wèi)星圖像技術(shù)，取得了墨脫地區(qū)地球重力場、環(huán)境變遷、工程地質(zhì)、地形地貌、自然災(zāi)害判譯等8項(xiàng)重大科技成果和9項(xiàng)主要科技成果，獲取了3個方案共440km路線長的1:10000和1:5000數(shù)字地圖和DTM，為墨脫公路的方案選擇和勘察設(shè)計(jì)提供了科學(xué)全面的基礎(chǔ)資料。目前，我院已在廈門東通道海底隧道、南京外環(huán)公路、京津第二通道方案、大連灣跨海通道、四川內(nèi)江繞城公路、西藏省道306線等多個項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)中廣泛地應(yīng)用了IKONOS高分辨率衛(wèi)星圖像技術(shù)。低空大比例航空攝影航空攝影測量是以空中攝影像片構(gòu)成的立體像對為基礎(chǔ)，從幾何和物理方面加以分析和量測，獲取所攝對像信息的一門學(xué)科。由于信息量大，反映物體細(xì)致、客觀，真實(shí)和詳盡地記錄了攝影瞬間的地表形態(tài)，具有良好的量測精度和判讀性能，能方便地獲得被攝地區(qū)的地形圖、地面數(shù)據(jù)和地物屬性信息。交通部和國家從“六五”期間就開始不斷大力推進(jìn)公路航測技術(shù)研究與應(yīng)用，我院主持的交通部“六五”、“七五”和國家“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題中公路航測技術(shù)都是其中的重點(diǎn)研究內(nèi)容，“八五”期間由我院主持編制的《公路攝影測量規(guī)范》也發(fā)布實(shí)施。經(jīng)過多年的研究、推廣和應(yīng)用，目前公路航測技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于我國高等級公路勘察設(shè)計(jì)中。實(shí)踐表明，航空攝影測量是大規(guī)模獲取地形資料的最佳手段之一，能快速、大范圍內(nèi)獲取設(shè)計(jì)所需的各種地面要素的地理信息。但由于山區(qū)及山區(qū)公路建設(shè)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的航測技術(shù)需要有新的突破。圖3大比例航空影像相對而言，山區(qū)航測更迫切需要研究解決的是高程精度問題。各種測繪規(guī)范均有規(guī)定，山區(qū)航測成圖的高程誤差可達(dá)1/2～1倍等高距，相當(dāng)于1:2000比例地形圖上1～2m的高程誤差，顯然不足以滿足山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)的要求。圖3大比例航空影像多年的研究和工程實(shí)踐證明，航測高程誤差很大程度上取決于對攝影航高和山地植被覆蓋區(qū)的控制，植被覆蓋可通過野外調(diào)繪解決，空曠地帶一般高程點(diǎn)誤差為航高的1/4000～1/6000，因此整體提高航測精度最可行的方法應(yīng)盡量降低攝影航高。但山區(qū)受地面障礙物和氣象條件的限制，必須采取綜合性的技術(shù)措施予以整體解決。通常在山區(qū)公路航空攝影中采用的技術(shù)措施有：根據(jù)路線走向和比較方案分布，精細(xì)設(shè)計(jì)航帶；根據(jù)地面起伏相對高差和安全高度要求，嚴(yán)密規(guī)劃攝影比例尺，盡可能降低航高；采用長焦距鏡頭，可在相同航高下獲取更大比例尺的航攝影像；采用低速攝影平臺、前移補(bǔ)償裝置、高感光度底片等措施消除影像漂移；采用機(jī)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)載GPS輔助空中三角測量技術(shù)，盡量減少野外作業(yè)；制定更合理的野外像片控制測量和內(nèi)業(yè)加密控制方案，提高工作效率和精度。通過對上述技術(shù)措施的研究、試驗(yàn)與反復(fù)對比分析，我院制定了嚴(yán)格的公路航空攝影測量作業(yè)技術(shù)規(guī)定，目前我院完成的多條山區(qū)高速公路項(xiàng)目的航攝成果均達(dá)到了1/5～1/3倍等高距的高程精度，比規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)提高了1倍以上。數(shù)字?jǐn)z影測量隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能、專家系統(tǒng)等學(xué)科的不斷發(fā)展，航測技術(shù)已邁入了數(shù)字?jǐn)z影測量階段。數(shù)字?jǐn)z影測量是利用數(shù)字相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動測圖和數(shù)字測圖，其內(nèi)涵已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)航測的范疇，兩者最大區(qū)別在于數(shù)字?jǐn)z影測量是利用相關(guān)技術(shù)自動處理數(shù)字化影像、以計(jì)算機(jī)視覺代替人眼立體觀測、其設(shè)備只是通用計(jì)算機(jī)、其成果是全數(shù)字化產(chǎn)品。這種全數(shù)字化、全自動化的測繪方式為數(shù)字化公路勘察設(shè)計(jì)提供了一種高效可靠的數(shù)據(jù)源。與傳統(tǒng)的公路勘測和常規(guī)航測手段相比，數(shù)字?jǐn)z影測量具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：把繁重的外業(yè)工作大部分變?yōu)槭覂?nèi)作業(yè)，節(jié)省大量人財(cái)物，大幅降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率；提高成果地形圖和地面數(shù)據(jù)的精度，相同比例尺航片可獲取更大比例尺的地形圖；大面積快速獲取地表數(shù)據(jù)，有利于在大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行路線多方案比選，不遺漏優(yōu)秀方案；全數(shù)字化的測繪產(chǎn)品，三維地表數(shù)據(jù)，直接用于CAD建立DTM，為數(shù)字化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料；快速生成數(shù)字正射影像地圖，充分利用影像所表現(xiàn)的豐富地面信息，獲得測區(qū)地貌、地質(zhì)、水文、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多種信息，為方案比選和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更豐富的資料。對于老路改擴(kuò)建，可以方便地提取完整的現(xiàn)有路基、結(jié)構(gòu)物、各種道路附屬物的空間幾何數(shù)據(jù)和屬性信息。圖4數(shù)字?jǐn)z影測量生成的三維數(shù)字地圖和數(shù)字正射影像的應(yīng)用高精度GPS-RTK三維動態(tài)測量山區(qū)高速公路施工圖設(shè)計(jì)存在著大量的結(jié)構(gòu)物，精度要求較高，受航測自身的約束，其地面數(shù)據(jù)精度還不足以滿足施工圖設(shè)計(jì)要求，尤其對于老路改擴(kuò)建工程。因此新的技術(shù)體系中需要有一種能高精度、快速的地面測量手段。地面測量是公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中必不可少但又是最困難的環(huán)節(jié)，常規(guī)測量是平面與高程分別進(jìn)行，存在著視線受阻、定向定位不準(zhǔn)、高程測量困難、野外工作強(qiáng)度大、工作效率低等問題，其成果的可靠性和精度難以得到有效的保證，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口交換不利于CAD設(shè)計(jì)，實(shí)際測設(shè)過程中常常必須對線位進(jìn)行反復(fù)調(diào)整并產(chǎn)生大量的重測和復(fù)測工作，工作效率極低。GPS-RTK提供了一種實(shí)時、動態(tài)的一次測量、三維定位技術(shù)。經(jīng)過10多年的研究和應(yīng)用，目前GPS平面精度已被廣泛認(rèn)可且大量應(yīng)用于高速公路的基礎(chǔ)控制測量之中，對于長大公路和重點(diǎn)構(gòu)造物的精密定位起到了非常重要的作用。由于GPS高程測量是基于地球橢球面的大地高，其模型是簡單數(shù)學(xué)模型，而工程建設(shè)需要的是基于大地水準(zhǔn)面的海拔高，它是受地球重力場影響的非規(guī)則曲面，需要采用一系列技術(shù)進(jìn)行精密測定并用高階函數(shù)進(jìn)行模擬。由此可見，GPS研究應(yīng)用發(fā)展到目前階段更需要重點(diǎn)研究解決的是如何將GPS大地高精確地轉(zhuǎn)化為海拔高程的問題，使工程區(qū)域范圍內(nèi)兩種不同的高程系統(tǒng)測量結(jié)果可相互轉(zhuǎn)換利用，從而使GPS三維測量結(jié)果真正能為工程建設(shè)服務(wù)。近年來我院在多項(xiàng)山區(qū)公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中對GPS高程測量進(jìn)行了大量的研究、對比試驗(yàn)與應(yīng)用。通過引入測區(qū)地形改正水準(zhǔn)面擬合、精化工程大地水準(zhǔn)面、地球重力場模型等的概念，研究了GPS高程控制點(diǎn)的分布與密度、水準(zhǔn)聯(lián)測技術(shù)、局部重力場變化、適應(yīng)地形的區(qū)域大地水準(zhǔn)面擬合、GPS高程轉(zhuǎn)換模型、RTK作業(yè)及成果檢測方法等一整套GPS三維測量技術(shù)方案，使GPS大地高轉(zhuǎn)化為海拔高的精度滿足勘察設(shè)計(jì)的要求，真正實(shí)現(xiàn)高精度的一次測量、三維定位，從而大大減少、甚至取代繁瑣、困難、精度難以保證的常規(guī)地面高程測量，使野外工作效率大大提升、加快了勘察設(shè)計(jì)進(jìn)度。數(shù)字地面模型和數(shù)字路基模型數(shù)字地面模型系統(tǒng)是現(xiàn)代公路CAD系統(tǒng)的核心，是聯(lián)接數(shù)字化勘察與公路CAD的紐帶。通過獲取的地面數(shù)據(jù)建立設(shè)計(jì)走廊帶穩(wěn)健可靠的DTM是進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、環(huán)境評價與景觀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目前世界上成熟的公路CAD的核心技術(shù)無不包含一個內(nèi)嵌于系統(tǒng)中的DTM系統(tǒng)，通過該DTM對地面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立用數(shù)學(xué)語言描述的地表模型，為公路CAD實(shí)時生成路線設(shè)計(jì)所需各種地面數(shù)據(jù)。圖5數(shù)字路基模型隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，DTM研究已從數(shù)據(jù)源、模型結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)軟件開發(fā)等逐步發(fā)展到多模型疊加和特殊模型的優(yōu)化等研究方面，含路、橋、隧和地形等表現(xiàn)公路全景的設(shè)計(jì)模型和老路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的原有路基模型等正是后者需要研究的典型案例，具體為如何建立高精度、高仿真、能表現(xiàn)構(gòu)造物空間形態(tài)的設(shè)計(jì)模型或老路路基模型，并使之與大范圍的地面模型和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有效的疊加技術(shù)是DTM發(fā)展的方向。圖5數(shù)字路基模型我院在國家“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題“GPS、航測遙感、CAD集成技術(shù)”項(xiàng)目研究中成功地開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的的公路數(shù)字地面模型Bid-Land系統(tǒng)，近年來又針對設(shè)計(jì)模型、老路路基模型、結(jié)構(gòu)物模型和空間模型疊加技術(shù)進(jìn)行了更深入的開發(fā)，使該系統(tǒng)既保留了原有的顧及地形特征線、海量數(shù)據(jù)處理和多模型疊加等技術(shù)特點(diǎn)的同時，又進(jìn)一步開發(fā)了能在某一特定分辨率下能用更少的空間和時間更精確地表示更加復(fù)雜的空間面、更好地顧及路基特征線和構(gòu)造物立體特征，從而能更精確合理地表達(dá)地表形態(tài)和結(jié)構(gòu)物空間形態(tài)的強(qiáng)大優(yōu)勢。數(shù)字地面模型概念的進(jìn)一步延伸將是數(shù)字路網(wǎng)模型、數(shù)字地質(zhì)模型、數(shù)字環(huán)境模型、數(shù)字景觀模型、更為復(fù)雜的將是數(shù)字經(jīng)濟(jì)模型等，這些將是必然關(guān)注的對象，同時也是公路科技工作者需要努力發(fā)展的方向。GIS地理信息系統(tǒng)數(shù)字化勘察和數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中積累的系列數(shù)字地圖、數(shù)字影像、數(shù)字地面模型、設(shè)計(jì)模型等，在倡導(dǎo)節(jié)約型社會、保持可持續(xù)發(fā)展的今天，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)其多層次的應(yīng)用，為后期數(shù)字化施工、數(shù)字化管理和數(shù)字公路建設(shè)提供信息支持。研究適合我國高速公路管理實(shí)際情況的信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建、管、養(yǎng)、用全程工作的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化已成為高速公路未來發(fā)展的必然方向。在智能高速公路發(fā)展過程中，GIS（GeographicInformationSystem，地理信息系統(tǒng)）以其特有的優(yōu)勢顯示出重要地位。GIS是研究存儲和管理復(fù)雜地理信息的學(xué)科，其最大特點(diǎn)是能對帶有空間地理屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的管理和復(fù)雜的空間分析。利用GIS技術(shù)將多種數(shù)據(jù)源、多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多種數(shù)據(jù)形態(tài)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織和管理，構(gòu)建一個公用的信息系統(tǒng)平臺，處理公路整個生命周期中各種紛繁復(fù)雜的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)、用戶服務(wù)等各資料的強(qiáng)有力管理工具。主要功能有：1）構(gòu)建基礎(chǔ)地理框架，使之成為高速公路各應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息平臺；2）完成實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的組織與管理，保證數(shù)據(jù)間關(guān)系的正確性、可理解性并避免數(shù)據(jù)冗余；3）根據(jù)服務(wù)請求和查詢權(quán)限完成信息服務(wù)和資料輸出，成為高速公路其它應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通道；施工管理系統(tǒng)路政管理系統(tǒng)施工管理系統(tǒng)路政管理系統(tǒng)公眾信息服務(wù)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)事故處理系統(tǒng)圖7貴遵公路數(shù)字地面模型與路基模型疊加圖1在IKONOS影像上進(jìn)行互通方案設(shè)計(jì)圖5數(shù)字路基模型圖2IKONS衛(wèi)星圖在墨脫公路中的應(yīng)用高速公路數(shù)字化信息系統(tǒng)多媒體數(shù)字影像數(shù)字地面模型系列數(shù)字地圖道路設(shè)計(jì)資料交通工程資料圖6高速公路數(shù)字化信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)國外GIS技術(shù)應(yīng)用已逐漸成熟，高速公路信息系統(tǒng)基本都以GIS為核心，其應(yīng)用層面從公路的勘測設(shè)計(jì)一直延伸至養(yǎng)護(hù)、管理和服務(wù)。GIS技術(shù)在國內(nèi)高速公路信息系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于研究探索階段，目前已出現(xiàn)部分成果，如GIS-T(GeographicInformationSystem-Transportation，交通GIS)，ITS（IntelligentTransportationSystem，智能交通系統(tǒng)）等，部分省市已著手進(jìn)行以GIS為平臺的數(shù)字公路信息系統(tǒng)的研發(fā)工作，但目前成型的GIS系統(tǒng)還只有一些單項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)和資料管理系統(tǒng)等。管理信息系統(tǒng)的重要目標(biāo)是通過提高現(xiàn)有高速公路的管理水平，而非不斷擴(kuò)充路網(wǎng)來提高公路的運(yùn)營狀況、提升綜合服務(wù)能力。系統(tǒng)不僅能有效的存取和管理各種資料、文件和多媒體數(shù)據(jù)，能對數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地查詢、顯示、漫游和分析，同時還能為事故分析、災(zāi)害應(yīng)急處理、公眾信息服務(wù)、路政服務(wù)等其他道路應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，并為各級領(lǐng)導(dǎo)的決策提供強(qiáng)有力的支持。貴遵公路應(yīng)用情況項(xiàng)目背景貴陽至遵義公路扎佐至南白段連接貴州省兩座最大的城市—貴陽市和遵義市，起點(diǎn)位于貴畢高速公路與貴遵公路交叉處，跨烏江后至終點(diǎn)遵義縣南白鎮(zhèn)，路線全長84.5km。本項(xiàng)目是一條由山區(qū)二級專用公路改擴(kuò)建為山區(qū)高速公路工程，是交通部實(shí)施的首批典型示范工程之一，其典型意義在于：山區(qū)高速公路，其中烏江峽谷深達(dá)200多米由等級較低的對向雙車道二級公路改擴(kuò)建為標(biāo)準(zhǔn)四車道高速公路紅色之旅道路，環(huán)保和景觀要求極為嚴(yán)格由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升，設(shè)計(jì)中根據(jù)原有路況改造方案有分線、單側(cè)加寬、兩側(cè)拼寬等多種形式，勘察設(shè)計(jì)中不能中斷現(xiàn)有交通，要求快速提供用于方案設(shè)計(jì)的正射影像、大比例三維數(shù)字地圖、寬域數(shù)字地面模型、可用于道路拼接的高精度老路基數(shù)字模型，并將各種模型融合形成整體模型，并與設(shè)計(jì)模型和數(shù)字影像疊加，用于可視化質(zhì)量控制、環(huán)境和景觀評估等。數(shù)字化勘測1、大比例尺低空航片降低攝影航高和攝制大比例航片是獲取高精度航測數(shù)據(jù)的必要手段，但貴遵路地處山區(qū)，安全航飛高度受到一定的限制，因此航空攝影是沿老路和設(shè)計(jì)線攝制1:8000的大比例尺低空航片，相對航高1200m，通過GPS全野外像片控制測量和數(shù)字?jǐn)z影測量，最終航測獲取的地面數(shù)據(jù)高程中誤差±0.25m，4km2、數(shù)字?jǐn)z影測量利用全數(shù)字?jǐn)z影測量生成全線1：5000正射影像地形圖，用于初步設(shè)計(jì)方案研究；生成1：2000三維數(shù)字地形圖用于紙上定線和建立數(shù)字地面模型。由于是老路改擴(kuò)建項(xiàng)目，對地形圖和三維數(shù)據(jù)有特殊的要求，對地面和老路路基范圍內(nèi)的各種地形地物要素和現(xiàn)有公路要素均設(shè)計(jì)了采用唯一可識別的要素編碼和圖層，尤其是對原有公路上的各種空間交叉和架空設(shè)施采用了特殊處理方法，確保了建立數(shù)字地面模型和老路路基模型的準(zhǔn)確性和地物空間關(guān)系的合理性。此外，對原有公路上的一切可見設(shè)施，如電話、告示牌、監(jiān)控設(shè)施、防護(hù)設(shè)施、路外設(shè)施及廣告牌等均進(jìn)行了測繪和代碼賦值，以便后續(xù)交通工程設(shè)施的再利用和建立數(shù)字公路GIS系統(tǒng)。3、高精度GPS-RTK三維路基數(shù)據(jù)獲取貴遵路改擴(kuò)建工程需要對老路中線平縱進(jìn)行恢復(fù)和擬合，并涉及到路面加寬、橋梁拼接等，因此老路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)對路基、尤其是既有路面及結(jié)構(gòu)物的高程精度要求更高。為此我們設(shè)計(jì)了對于一般路基結(jié)構(gòu)線數(shù)據(jù)采用GPS-RTK一次性獲取三維數(shù)據(jù)，路面數(shù)據(jù)采用RTK放樣平面位置，電子水準(zhǔn)儀按四等作業(yè)規(guī)定獲取高程數(shù)據(jù)并與RTK高程互為檢核的方法。由于在GPS控制網(wǎng)中對GPS高程進(jìn)行了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和優(yōu)化并引入了適應(yīng)地形的精化工程大地水準(zhǔn)面模型，使GPS大地高轉(zhuǎn)化為水準(zhǔn)高與互通檢核的水準(zhǔn)測量結(jié)果相比互差在0.06m數(shù)字化設(shè)計(jì)1、數(shù)字地面模型貴遵公路路線里程長89km，航測數(shù)據(jù)源為1：2000三維數(shù)字地形圖DWG格式文件共208張，模型總點(diǎn)數(shù)為5,335,271個，生成的三角面有10,405,169個，采用我院主持的國家“九五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目中開發(fā)的Bid-Land數(shù)字地面模型系統(tǒng)建立了全路段的整體DTM，僅用時2分鐘。數(shù)模用于樁號為K80+964～K86+800的多方案比選時，每20米插值一個橫斷面共285個橫斷面，每4秒就可獲取一個方案的全部縱橫斷面和土石方填挖結(jié)果。由于數(shù)字地面模型系統(tǒng)與公路CAD系統(tǒng)的集成，并能快速響應(yīng)隨時優(yōu)化的各種設(shè)計(jì)方案，使真正的路線多方案比選成為可能。2、高精度數(shù)字路基模型及與地面模型疊加圖7貴遵公路數(shù)字地面模型與路基模型疊加由于前期已對老路路基和路面進(jìn)行了高精度的地面測量和調(diào)查，并對邊溝、擋墻、橋梁等規(guī)則結(jié)構(gòu)物等編制程序進(jìn)行了糾正和規(guī)算，在此基礎(chǔ)上建立了高精度的原有道路路基模型，然后將該模型疊加融合至航測數(shù)字地面模型中，取代原航測模型中相應(yīng)的路基部分，同時對兩個模型由于精度不匹配產(chǎn)生的疊合誤差進(jìn)行了修正，由此生成一個統(tǒng)一的數(shù)字模型，既有方案設(shè)計(jì)可供比選的寬域范圍，又有施工圖路基拼接范圍內(nèi)的高精度，大大方便了CAD應(yīng)用和可視化設(shè)計(jì)質(zhì)量效果檢查。圖7貴遵公路數(shù)字地面模型與路基模型疊加3、實(shí)測對比分析對于疊加后的整體數(shù)模通過K101+100~K105+140路段實(shí)測進(jìn)行了對比分析，共有201個斷面，分別對數(shù)模和實(shí)際橫斷面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)，計(jì)算土石方，輸出路基土石方設(shè)計(jì)表，比較結(jié)果為：段落數(shù)模地面線實(shí)測地面線體積互差百分比(%)挖方填方挖方填