我国道路与铁道工程3S应用综述

摘 要:以3S技术为代表的现代测绘新技术,使测绘学科从理论到手段都发生了革命性的变化。本文结合3S技术的最新发展,介绍全球定位系统(GPS)技术、航测遥感(RS)技术和地理信息系统(GIS)技术在道路与铁道工程的勘测设计、施工兴建和运营管理不同阶段中的应用现状。

关键词:道路与铁道工程;GPS;航测遥感;GIS

一、勘测设计阶段3S技术已经得到广泛应用

(一)全球卫星导航定位系统的应用

全球卫星导航定位系统GNSS是指利用人造地球卫星进行导航或定位的技术系统。目前国际上全球卫星导航定位系统主要包括美国的GPS,俄国的GLONASS,欧盟的GALILEO等,我国也自主研制了“北斗”卫星导航广域增强系统。其中,GPS是目前应用最广泛的全球卫星导航定位系统,其技术的最新进展代表了全球卫星导航定位系统的主要发展方向[。

1.航测遥感技术的应用

利用航测遥感技术测绘大规模大比例尺(以1:2000比例尺为主)地形图,建立数字地形模型,已经成为新线铁路勘测设计的基础数据;遥感工程地质和水文地质综合信息填图已成为绕避地质灾害、确定铁路线路走向不可缺少的控制性因素。航测遥感技术取代了繁重落后的地面测图工作,改变了铁路勘测设计的程序,引起了铁路勘测设计发生了革命性飞跃,成倍地提高了铁路勘测的速度,大大缩短了勘测的周期,提高了铁路勘测设计的质量。

2.地理信息系统的应用

地理信息系统(GIS)是在计算机软件和硬件支持下,把各种地理信息按照空间分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析应用的技术系统,在铁路和公路工程的勘测设计中正得到愈来愈多地应用。将GIS用于铁路和公路工程建设可以保持各种数据的统一、规范,便于提高工程建设的效率,GIS和RS结合,可以获得三维地理信息的遥感图像信息,并利用其进行纵横断面分析、坡度分析等工作,从而实现三维铁路和公路工程设计、桥梁设计、景观设计等。

二、施工阶段主要以GPS的应用为主

(一)采用静态GPS建立高精度平面工程控制网

在桥梁和隧道工程中,目前最为广泛的是应用GPS技术进行控制测量。杭州湾跨海大桥是当前世界第一长跨海大桥,跨海段长达31.5km,海上无任何自然岛屿,其平面控制采用静态GPS按B级精度的要求施测;乌稍岭隧道全长20km,是我国目前最长的铁路隧道,其洞外控制也采用GPS技术,现在该隧道已经全线贯通交付使用。这些大型工程的建设都说明,利用GPS技术进行大型工程的控制测量,不仅可以满足工程建设的精度需要,而且能够加快工程建设的进度。

(二)通过GPS高程拟合建立高程控制网

目前,GPS高程测量精度较低,主要原因是无法准确获取各点的大地高和高程异常值。较常用的计算高程异常方法是:利用测区里的若干个已知水准点,采用解析内插、曲面拟合等方法确定测区的似大地水准面,进而求出各点的高程异常。数座特大型桥梁工程测量的试验分析表明:在小范围的桥梁工程区域内,当地形较为平坦时,利用2~3h的GPS静态观测成果,经过拟合计算,可获得二等精度的高程成果;而利用1~2h的观测资料,可获得三、四等精度的高程拟合成果[9]。

(三)利用GPS-RTK技术进行工程放样

GPS技术在施工阶段的应用除了建立施工控制网外,近年来随着RTK技术的不断完善,在工程放样中也同样得到了广泛应用,从而大大降低了放样的计算工作量和外业观测强度,提高了作业效率。

在铁路、公路、桥梁、港口工程施工中,利用RTK技术直接放样点位已经被成功应用于定线放样、纵横断面测量、地形图测绘以及工程变形监控中。在杭州湾大桥、东海大桥和苏通大桥的施工中,施工单位采用RTK技术进行宽海域的桩基施工三维定位测量,不仅解决了超长距离施工定位的难题,而且提高了测量定位的精度,通过专门研制的海上GPS打桩定位系统,还可以实现测量定位的自动化,大大缩短施工工期。

(四)GIS在工程施工管理中得到初步应用

GPS在道路与铁道工程测量中的应用已很普遍,而遥感技术和GIS技术在施工阶段应用较少,但也有成功应用的实验。例如,以深圳地铁变形监测数据和各种图面资料作为信息源,利用GIS软件及二次开发工具,开发了基于GIS的地铁变形监测管理分析系统,并应用于地铁施工监测,取得了良好的效果。

三、运营管理阶段3S技术开始得到应用

(一)GPS技术在变形监测中正得到广泛的应用

大型工程结构的变形监测,一直是道路与铁道工程运营管理阶段的重要课题,目前,利用GPS技术正在成为变形监测的重要技术手段。例如,虎门大桥GPS(RTK)实时位移监测系统,能够实时监测整桥3个方同的x,y,z位移和大桥的扭转角,并能对各点的数据进行记录回放[11]。GPS监测大桥位移的实时性和高采样率的数据为大桥的状态分析提供了方便的条件,也为大桥的管理部门的决策提供了依据,使大桥的安全得到了保障。

(二)遥感技术开始得到深入认识并开展应用

目前我国已经利用航测遥感技术完成了大量的既有铁路复测和地质病害调查工作,对成昆、宝天、宝成等10余条地形地质条件复杂,路基、地质病害较严重的既有铁路重点区段和重要工程进行了遥感地质病害调查,从而为铁路工务管理提供了及时有力的信息保障。

(三)GIS在铁路公路的养护管理中正在起到越来越大的作用

近十年来,铁路部门先后完成了哈尔滨等多个铁路局20 000多公里既有铁路复测和数字地形图测绘工作,建立了先进的工务综合管理信息系统,由铁道部电子计算技术中心研制的基于GIS的铁路工务管理信息系统,包含了铁路设备管理,管界图、综合图、速度图、大桥略图等17个子系统,涵盖了铁路工务部门的主要业务,目前已在乌鲁木齐、北京等多个铁路局得到推广应用,为工务系统现代化管理奠定了坚实的基础。

参考文献:

[1]宁津生,王正涛.测绘学科发展综述[J].测绘科学,第3l卷(l).

[2]李小勇.GPS在铁路工程测量中的应用和设想[J].铁道勘测与设计,2005,(4):14-17.

[3]胡志贵,韩改新.航测遥感技术在铁路建设中的应用与开发[J].铁道勘察,2006,(5):16-20.