公路建設論文發表期刊推薦國家級期刊《黑龍江交通科技》，《黑龍江交通科技》自創刊以來，緊緊圍繞國民經濟發展對交通科技的要求，有針對性地進行技術指導；結合我省低溫嚴寒特點和實際需要報導省內交通科技新成 就、科技論文和科技成果；先進的設計理論和生產施工工藝；技術改造、企業管理的新經驗、新技術、新材料、新產品、新設備、技術政策；交通工程論述，國內外 交通科技動態論述等。為我省公路橋梁建設和交通運輸生產服務，為加速實現我省交通運輸的現代化作出貢獻。

　　摘要：從公路選線、工程地質勘察、工程設計到公路運行管理,3S技術的信息分析方法有其他手段不可替代的作用。本文主要從3S集成技術在公路工程中應用的特點、具體技術方法以及幾個應用實例來較全面的闡述公路工程中體現的3S集成技術。最后對3S集成技術在公路工程中的應用前景進行了展望。

　　關鍵詞：3S集成技術,公路工程,3S,可行性研究

　　引言：

　　隨著現代空間探測及計算機信息技術的發展,遙感、全球定位系統、地理信息系統技術(簡稱3S)在高速公路可行性研究及勘察設計中發揮越來越重要的作用。自從1998年1月31日美國副總統戈爾提出了“數字地球”(DigitalEarth)的概念后,“數字地球”“數字城市”相繼成為本世紀的熱門術語和新興學科,數字地球的核心是地球空間信息科學,地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是“3S”技術及其集成,所謂“3S”是全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)和遙感(RS)的統稱,是目前對地球觀測中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應用的三大支撐技術,他集中了空間探測、電子技術、計算機、數據庫、互聯網、通訊、人工智能和地球科學等眾多最新成就,為人類探測地球和分析環境提供了先進有效的手段。

　　3S集成技術在發達國家已得到了廣泛的應用，在我國也得到了高度重視，隨著計算機技術的應用，空間技術交叉滲透，信息科技蓬勃發展，3S集成理論正在得到不斷的發展，已逐步在土地、資源、農業、水利、工程建設、物探和環境等領域得到應用。本文主要研究3S集成技術在道路工程的應用[1]。

　　1．3S集成技術的概述

　　“3S”是地理信息系統（GeographicalInformationSysterm簡稱GIS）、遙感（RemoteSensing簡稱RS）和全球定位系統（GlobalPositioningSystm簡稱GPS）的英文縮寫簡稱，其中GPS和RS分別用于獲取點、線、面等空間信息或監測其變化，GIS是完成空間數據的存儲、分析和處理。這三種空間信息技術已經較廣泛的應用。

　　三者在空間信息管理上各具特色,均可獨立完成自身具有的功能,同時相互之間又有許多關聯,在解決問題的功能上各有優點與不足。三者的結合與集成已成為空間科學的發展方向和必然趨勢。3S技術在公路規劃和勘察選線方面的應用研究和勘察設計實踐,在多段高速公路及大型隧道的勘察設計應用中取得了很好的效果,不但提高速度2~3倍以上,而且可以全面認識公路工程地質環境的特征,提高工作質量,尤其在減少不良地質危害、優化選線設計質量等方面,具有巨大的經濟效益和社會效益,具有很好的發展應用前景[2]。

　　3S集成不是GPS、RS、GIS的簡單組合，而是一種利用現代測繪技術、遙感技術、定位技術、圖像和圖像處理技術與計算機技術于一體，向GIS和RS數字圖像處理系統提供足夠的數量、精度、可靠性、完備性的空間數據，通過空間分析、預測、決策，確保地理信息問題的優化、系統地解決[1]。3S集成是高度自動化、實時化、智能化的對地觀測系統，并有自動、實時地采集、處理和更新數據的功能。

　　3S融合技術是公路勘察的先進手段。遙感、全球定位系統和地理信息系統技術為人類探測地球和分析環境提供了先進有效的手段。3S技術各有特長:遙感圖像能夠快速獲取大面積信息,但有些地物屬性又不可全面感知(如高程和經緯度);GPS可以迅速定位目標,但沒有地理屬性;GIS具有信息查詢分析和管理能力,但數據的獲取比較困難;因此它們的結合應用是當代信息科學發展的必然趨勢。3S技術的結合有多種形式,主要根據工作需要而定。應用衛星和航空遙感圖像與計算機信息處理技術的結合,可以快速編制各種比例尺(1∶200000~1∶10000甚至更大比例尺)的遙感圖和解譯工程地質圖,指導選線勘察工作。其綜合效益可以提高30%~200%以上,地質選線速度可以提高3~5倍以上。遙感、全球定位系統與地理信息系統的功能和數據資源,彼此可以相互結合,實現功能互補,資源共享。基于GPS的遙感探測,可以獲得具有3維地理信息的遙感圖像數據,并輸出3維地形模型數據(DEM)和各種實用圖件,大大簡化了傳統地形測量的過程,是地理制圖技術的一個飛躍[3]。

　　應用GIS3維地形模型疊加遙感圖像的技術,可以生成真實的地形模型,是當前在計算機上進行公路環境分析、優化路線方案的現代化技術之一。對優化路線方案,提高設計質量和速度有關鍵作用,是當前高等級公路勘察設計自動化的主要發展方向。另外,應用3S系統的信息采集、分析與制圖功能,可以有效進行公路交通各個階段的管理工作。例如,路區遙感圖像的更新及專題圖的輸出,工程建設數據統計與圖像圖形顯示,車流量與經濟發展分析,車輛GIS與GPS動態安全管理等。從公路選線、工程地質勘察、工程設計到公路運行管理,3S技術的信息分析技術有其他手段不可替代的作用;遙感航測制圖更有其速度快、質量高、節省人力物力的優勢,而3維遙感航測數據是公路勘測設計自動化的基礎。

　　2.3S技術在公路工程應用中的特點

　　2.1集成化

　　傳統的公路測量、設計表現為離散式、分離式的測、設、繪的過程,譬如野外測量就可以分為測角、量距、水準等三大要素,而利用3S技術的勘測設計則是集成測繪技術,表現為外業、內業用圖一體化、集成化。

　　2.2實時化

　　經典的公路工程從規劃、勘測、設計到施工、運營是建立在對路線外業觀測數據的后處理基礎上的,到獲得3維坐標有一定的時間滯后。而3S技術可根據某些內容的要求實時、快速地確定3維坐標。

　　2.3動態化

　　3S技術依據其技術系統,將擬建公路的相關信息(地形、地質、氣候、水文等)收集、分析、處理,在計算機上產生出數字地形、地質及構造的立體模型,直觀地進行路線設計,動態演示公路的平面和立面位置。

　　2.4數字化

　　3S技術最基本的特點就是信息數字化。傳統的測繪把終點建立在模擬地形圖的基礎上,但在測圖與用圖之間永遠存在著“矛盾”,設計人員總抱怨測量人員精度不高,當設計內容在施工中無法實施時,往往歸咎于測量人員的野外測量精度不高。數字測圖技術的廣泛應用,尤其是野外大比例尺數字測圖技術保證了地形點的足夠空間精度。

　　2.5自動化

　　經典的測量工作是建立在野外環境下艱苦勞動的基礎上,測繪人員常年奔波在外,全身心投入腦力和體力,手工觀測、手工記錄、手工繪圖,效率低、速度慢,錯、漏、差、碰現象時常發生。而3S技術系統則是建立在自動瞄準、自動讀數、自動記錄、自動存貯、自動出圖、自動跟蹤管理和分析交換數據基礎上的。

　　2.6智能化

　　高速公路的建設,過去只是定線、縱橫斷面、土石方計算,利用3S技術系統,可注重選線設計、定線測量、工程造價、施工組織、運營管理全方位解決問題,以智能化的特點對公路工程進行優化。

　　33S集成在公路工程各階段的技術應用

　　3S技術系統在公路工程中的技術應用目前已部分實現,相信不久的將來,將徹底改變經典公路工程思維模式,實現質的飛躍,這將是公路工作者的夢想,也是公路工作者的目標。

　　3.1前期工作

　　公路工程的前期工作,一般分為工程預可行性研究和工程可行性研究、初步設計等階段。按照不同階段的內容要求,所涉及到的工作內容、技術深度、獲取資料的詳細范圍均有所不同,但有一點是共同的,那就是擬建公路走廊的地形、地貌、地質、水文、氣候、環境等相關的信息資料。隨著RS系統技術的迅猛發展,其空間分辨率有了飛快的提高,從30m,10m到今天的2m,1m,搭載的傳感器采用從可見光至熱紅外多光譜或全色波段,通過紋理和顏色處理,對擬建公路沿線(覆蓋寬度幾千米至幾十千米)地形、地貌、植被、土壤、水體進行分析和處理,制作1∶10000至1∶250000專題地圖,提供出特(大)橋、隧道等路線控制點直觀、準確的地質要素信息。特別是對公路沿線的不良地質路段(如凍土、軟土和鹽漬土)、特殊地質(如砂土液化、多雨和積雪)、地質災害(如采空區、崩塌、泥石流、滑坡和地裂縫)可提供大比例尺(1∶10000)地質資料,滿足高速公路地質災害危險性的評估技術要求。綜合以上數字信息,通過相關論證,確定出路線最佳方案。另外,利用RS系統技術,還可以探明公路沿線的文物古跡(如北京老山漢墓的探明、挖掘就是衛星遙感技術的成功運用),做到文物保護與公路建設相互協調。

　　從國內公路遙感工程的應用來看,RS系統技術具有快速、高效、直觀、視域廣、信息量豐富的顯著特色,在公路工程前期工作中勢必會得到越來越廣泛的應用。

　　3.2勘測設計階段

　　傳統的公路勘測是依靠大量的工程技術人員在野外收集、調查、分析、處理公路沿線平縱斷面的數據。在交通不便、勘測難度大的高山、湖泊、森林等地段,時間長、效率低、精度差。以GPS技術、GIS技術及其集成技術為核心的3S技術系統,則會在公路工程的勘測設計中大顯神通,推動公路設計自動化,提高設計質量。GPS技術具有全天候、高精度、速度快的顯著特點。構建高速公路平面導線控制網,以50km山區高速公路為例,時間只需2~3d;平原微丘區高速公路控制網的布設,所需時間還會縮短。而采用常規大地控制測量方法,甲級測繪隊伍也至少需要20d左右的時間,還需要進行人工平差、補償等一系列細部工作。在GPS基準點(站)控制精度范圍內,對定線、中樁、橫斷面進行細部測量,可以快速獲取各相關點的坐標及高程。利用RS技術將室內獲得的公路沿線地形、地質形態,在外業勘測中可充分利用初設階段的有關數據,對大(中)橋、涵洞位置及不良地質和特殊路段,結合地形圖、GPS進行野外現場實地布點、檢查、補充和校正,為設計提供充足、完整的準確資料。“3S”技術的高度集成及計算機輔助設計技術的發展,為3S技術系統的設計提供了嶄新的天地。高精度、高分辨率的圖像技術、地理信息技術、數字地面模型技術、3維立體技術使公路工程設計達到智能化水平。用公路沿線的信息數據,在計算機上建立起數字模型,在擬建公路的布線走廊內進行平、縱線布設,流域內排水設計,特殊路段防護工程設計,不良地質橋位橋型選擇布置,高大邊坡設計以及公路景觀等仿真設計和工程數量、投資預算的計算。通過3維透視,以計算行車速度在計算機上模擬沿路線行駛,來檢驗平縱線型指標、行車視距、公路全景等綜合技術指標,對局部設計進行優化,在工程數量、投資費用增加不大的情況下,相互比選確定最佳路線方案[4]。

　　3.3工程施工

　　公路工程施工作為設計的一種延伸和結果,其質量取決于施工過程的控制。特大橋梁、隧道往往是工程控制的難點和重點。3S技術系統在施工控制方面,運用先進的空間信息系統技術,則會縮短工期,保證質量。荊州長江公路大橋運用GPS布設平面控制網進行動態實時控制,保證了特大橋梁的施工質量,廣東汕梅高速公路蓮花山隧道運用GPS進行隧道施工測量控制,縮短工期一半,經濟效益顯著。運用GPS、全站儀空間矢量數據采集系統,配合GIS,完成路線土石方數量計算,自動搜尋填挖平衡點和最佳土石方調運距離,在這方面亦有成功的例子。

　　3.4運營管理

　　建立以“3S”集成技術為核心的智能運輸管理系統,也是3S技術系統的重要組成內容。高速公路運營期間的交通流量調查、預測,惡劣天氣(大霧、雨雪等)的汽車導航,交通事故報警,最佳行駛路線等,均可通過監控中心與運營車輛進行聯絡,計算機屏幕會自動顯示車輛所處方位的電子地圖,顯示車輛的地點、車身顏色、行駛速度和方向,并預測行駛路線和速度,如車輛被盜或被劫,監控中心采取遙控熄火,使車輛無法行駛,以實現交通運輸的合理調度和管制。同時,隨著高等級公路網絡的逐步建立和形成,對現代公路的管理就需要先進的科學管理方法,3S技術系統對公路信息的獲取、存儲、檢索、分析、處理具有直觀、動態的特點,是實現公路管理現代化的重要手段。反映某一行政區域內國道主干線、國道、省道及縣鄉道路的分布,途經主要城鎮的路網信息、路況信息、橋梁信息、附屬設施信息及沿線管養機構信息,通過3S技術系統來完成對公路信息的查詢、顯示、報表等管理工作,真正實現現代公路管理的現代化、決策的科學化、工作的高效化。目前,國內安徽等省市已完成公路地理信息系統的建立和應用,效果及作用顯著。

　　4.3S集成技術在公路工程中的應用實例

　　不良地質現象是公路建設的主要隱患,目前陜西省已建成的高等級公路發生的災害問題主要是不良地質問題造成的。因此,應用遙感技術解譯調查各種不良地質現象,是提高勘察設計質量和水平的必要環節,在實踐中也取得了很好的應用效果[5]。

　　國道210線陜西境南段和108線西安-漢中段是溝谷發育,滑坡、坍塌、泥石流較為多見的地區,尤其滑坡是主要危害公路建設的重要地質問題。對此經過遙感圖像處理和信息增強,編制了1∶50000和1∶25000比例尺的遙感圖像,地質解譯劃出200多處滑坡、崩塌及泥石流分布區,為路線與隧道的勘察設計提供了有效的依據。

　　在沖積平原區的公路勘察中,應用遙感圖像可以發現許多常規方法不易發現的隱伏信息,為深部鉆探指出了方向。例如在國道主干線閻良-禹門口段的工程地質調繪中,在圖像上發現多條線性影像帶,他們控制了平原區微地貌的邊界,通過與區域物探資料對比分析,是隱伏斷裂帶的反映。同時發現合陽縣地區有黃色調的圖像信息異常,實地驗證是煤礦采空塌陷區,地表有密集的裂縫分布,圖像上的黃色調是塌陷失水后的相對干燥土壤的分布區。

　　黃土區的滑坡是經常發生的災害現象,對當前陜北高等級公路建設常常造成巨大的損失。我們應用航空遙感圖像準確劃出了合陽-韓城段的黃土溝谷滑坡20余處,并得到了物探和鉆探工作的證實,為合理布置橋位奠定了基礎。

　　5.3S集成技術在公路工程中應用前景

　　數字公路是極為龐大的技術投入和組合，特點是集成化、數字化、自動化、智能化。除了硬件設備，其核心技術還是GPS、RS、GIS以及3S集成技術等。主要技術包括：空間地理信息系統技術，利用GPS在內的一切定位測量手段和平臺，多波段、高分辨率RS數據，通過GIS系統，實現公路工程中空間數據的自動采集、編輯、管理、分析、制圖以及多維的參數處理，完成工程規劃、勘測、設計、施工、運營、養護等工作，用地理坐標或里程來管理所有與公路相關的信息，通過計算機網絡在公路帶狀走廊中真實地再現出來[6]。

　　在公路工程可行性研究初步設計階段，利用GPS技術建立公路工程控制網，采用攝影測量與遙感技術進行擬建公路地形圖測繪�？睖y設計階段：布設公路帶狀GPS控制網，在GPS基準點（站）控制的精度范圍內，對定線、中樁、橫斷面等進行細部測量，可以快速獲得各相關點的3維坐標。利用RS技術在室內獲得的公路沿線地質、形態等信息，在野外勘測和設計中利用，以確定最佳路線方案。3S技術的集成為數字公路的設計提供了新途徑。

　　工程施工階段：在施工控制方面運用空間信息系統技術，則會縮短工期，保證質量。許多跨江跨河公路大橋運用GPS布設平面控制網進行動態實時控制。運營管理方面：利用3S集成技術建立高等級公路網絡，對公路信息的獲取、存儲、檢索、分析和處理直觀且動態。反映某一行政區域內的國道、省道及縣、鄉道路分布，途徑主要城鎮的路網信息、路況信息、橋梁信息、附屬設施信息及沿線管養機構和人員信息。

　　衛星多波段數據與航空彩紅外圖像相結合,在大區域盆地平原構造格局解譯劃分、隱伏斷層分析及詳細解譯溝谷地區的不良地質現象中發揮了重要作用。同時,應用GPS技術可以大大提高調繪速度和定位精度,可以全面提高路線方案的質量和水平。

　　隨著人類對環境質量的要求越來越高,更促使我們應用3S與3D(3維)環境模擬技術優化設計方案,而只有通過3S,3D與常規勘察設計技術的緊密結合,才能使公路勘察設計快速優化成為可能[7]。提高人類利用、改造、美化環境的水平,對促進整個人類的進步具有重要意義。3S高新技術的發展應用,為公路勘測設計提供了全新高效的方法。尤其在高速公路網的宏觀規劃、路線調查及大型隧道、橋位工程的方案論證等方面,可以全面掌握公路規劃區的環境地貌與地質構造要素,提高決策水平和設計質量,對優化方案節約投資起到關鍵作用。

　　結語

　　遙感等3S技術在公路方案規劃、隧道選線、不良地質調查以及高速公路工程地質調繪成圖的應用,取得了較理想的效果。不但加快了工作速度,而且提高了質量,節省了人力物力,有很高的經濟效益和社會效益。

　　我們相信,隨著遙感、地理信息系統、全球定位系統以及計算機信息技術的進一步發展普及,將對人類公路交通建設事業起到更大的促進作用,使國家與整個世界的高速公路網絡化與信息高速公路網絡化遠景得以更快地實現。

　　參考文獻

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