现代道路勘测与设计新技术.docx

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现代道路勘测与设计新技术

第一节概述

近二十年来，现代道路测设技术在我国道路建设中得到广泛应用，新技术将设计人员从艰苦的外业测量和繁杂的内业设计工作中解脱出来，对加快工程测设进度，提高设计效率和质量，实现道路交通的现代化，适应全面建设小康社会需求等方面，具有重要意义。

按工作内容不同，现代道路测设技术包括：

数据采集与管理技术、计算机辅助设计技术。

一、国内外道路勘测技术发展状况

道路外业勘测关键是快速、准确、有效获取设计所需的各种地形原始数据。

传统地形数据的来源一般有三种方法：

对已有大比例尺地形图的数字化；采用航测方法从航测像片上获取数据；野外实测采集地形数据。

目前最能为道路测设提供技术支持的是3S技术（即遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）以及全数字摄影测量技术。

航空摄影和摄影图像处理为大规模采集地形数据提供了快捷的手段。

在国外，航空摄影测量已广泛应用于道路测设中。

利用航空摄影测量方法采集数据能直观地确定地表形态，工作环境好，可随意和方便地控制地形点的分布和密度，获取的地形信息可靠、精度高。

随着航测仪器的发展，目前较大范围的各种比例尺地形图都是由航测法成图的。

全数字化测图（亦称数字摄影测量）是在解析法测图基础上发展起来的更为先进的摄影测量方法。

全数字化测图系统的测图过程是先将像片影像的灰度数字化，然后在计算机上进行数字处理。

这种全数字化、自动化测图方法代表了航空摄影测量学科的发展方向，一些国家投入相当多的资金和人力对其进行研究，主要成果有Leica推出的由Helava公司开发的DPW系列，美国Intergraph公司推出的1DZ系列数字摄影测量工作站等。

随着研究工作的深入，数字摄影测量系统在理论上不断完善，在技术上不断创新，它将成为道路测设中地形数据采集的理想方法。

遥感技术（RemoteSensing，简称RS）是通过非接触传感器获得所摄目标的影像并提取各种几何与属性信息的技术系统。

在道路勘测中，通过遥感判释技术可直接或间接获得大量有关工程地质及水文地质资料，如同把勘测现场搬到室内，减少了外业劳动强度，提高了勘测设计的质量和速度。

国外目前广泛采用航天遥感资料进行计算机图像处理和信息提供，大量遥感信息已进入自动识别和自动处理成图阶段，为道路工程地质判释提供了准确可靠的信息来源。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）是由美国国防部建立并控制的新一代卫星导航定位系统。

GPS定位技术具有观测点之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简单和全天候作业等特点。

目前GPS定位技术在地球科学研究、大地测量、摄影测量的野外控制、航摄机载GPS定位、普通及精密工程测量以及道路控制测量和放样测量等领域得到广泛应用。

地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是储存和处理与地理空间分布有关信息的系统。

采用各种现代化的方法采集、运算、存储、管理、查询、显示、更新和应用与地理和空间分布有关数据的一门综合和集成的信息科学。

计算机技术、数据库技术及遥感技术的不断发展，为GIS的发展提供了丰富的数据资源，使GIS向专家水平的智能分析与决策方向发展。

GIS与相关技术的集成，将为路线方案选择及优化设计提供技术平台。

我国于1976年开始航测在道路设计中应用的研究，进行了《航测电算在道路测设中应用的研究》、《航测遥感在道路测设中的应用技术》、《GPS、航测遥感及道路CAD集成技术》等科技攻关研究。

目前，航测等新技术在各省设计院的道路勘察中得到普遍应用，大比例尺地形图的测绘工作多采用航测手段完成。

利用航测在测图时的地形数据建立数字地面模型（DTM），用于路线初步设计及施工图设计的方法及相应的计算机辅助设计（CAD）系统已在道路设计中广泛应用；利用全站仪采集地形原始数据，建立数字地面模型，自动绘制大比例尺地形图，路线CAD集成系统完成路线设计，正在全国全面应用；GPS在路线导线网的控制测量、航测外控测量及各类桥隧控制测量中得到了推广应用，有些设计院已将GPS直接应用于路线中桩测设。

为了适应航测、DTM、GPS等测量高新技术在道路测设中的应用，原交通部于1997年颁发《道路摄影测量规范》和《道路GPS测量规范》等相应的技术规范、标准。

道路勘测的数据采集与处理，是构成道路测设一体化的重要基础。

道路勘测在技术上主要是解决数据的有效、准确获取问题，这取决于测量高新技术及新设备的应用。

我国许多设计单位均引进了国外最先进的设备，并己投入使用。

在采用的测量设备及手段方面，我国与国际先进水平基本同步。

对数据处理主要取决于数字地面模型系统的成熟和完善，作为连接野外勘测（数据采集）和内业设计（CAD系统）之间的纽带和桥梁，DTM在道路测设一体化系统中起着关键作用。

经过"七五"、"八五"、"九五"期间的研究、开发及应用，DTM软件系统已得到很大发展，在软件功能、软件技术以及采用的核心算法等方面均已达到国际先进水平。

二、国外道路计算机辅助设计技术发展状况

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）是包括绘图与说明的设计活动。

道路CAD是计算机辅助设计技术在道路设计中的具体应用。

CAD技术将计算机迅速、准确处理信息的特点与人的创造思维能力及推理判断能力结合，为现代设计提供了理想设计手段。

20世纪60年代，计算机运用到道路设计主要是完成繁重的计算任务，如多层路面结构力学计算、路基稳定性分析与计算、桥梁结构计算、路基土石方计算及平面和纵断面线形计算等。

为获得更大的经济效益，欧美发达国家，如英国、美国、法国、德国和丹麦等先后展开了路线纵断面优化技术研究，开发了路线纵断面优化程序，有代表性的为英国HOPS纵断面选线最优化程序系统，法国的APPOLON系统，德国的EPOS程序等。

纵断面优化程序系统的应用，提高了道路设计的质量并降低了工程费用。

联合国经济合作与开发组织于1973年在意大利西西里岛的一条道路上对上述各国的优化程序进行了联合试验，结果表明：

使用纵断面优化程序可以节省土石方工程量8%～17%，平均10%，使道路的建设费用大大节省。

20世纪70年代，道路优化技术从纵断面优化扩展到一定宽度范围的平面线形优化和平纵组合线形综合优化，数字地面模型开始应用，计算机绘图技术发展到实用阶段。

平面优化技术有代表性的成果有英国的NOAN程序，美国的GCARS程序，德国的EPOS-1程序等。

此时路线优化设计在理论和应用上已基本形成一门独立的学科，但因其涉及大量的非技术性因素，给研究工作带来很大困难，故仍处在研究探索阶段。

数字地面模型主要用于等高线地形图绘制、土地填挖面积计算、支持路线优化设计等。

20世纪70年代末期计算机制图功能逐步完善，期间开发的辅助设计系统均可完成大量设计图纸绘制工作，系统的功能进一步增强，逐步走向实用阶段。

20世纪80年代，道路CAD系统的发展更加完善，并逐步向系统化、集成化方向发展。

一些国家建立了由航测设备、计算机和专用软件包组成的成套系统，可以完成从数据采集、建立数字地面模型、优化设计到设计文件编制的全部工作，系统具有图形环境支撑，商品化程度较高。

如英国的MOSS系统、美国的INROADS、德国的CARD/1等。

MOSS系统是英国MOSS系统有限公司经过20多年的不懈努力，开发出的大型三维道路路线设计计算机辅助设计分析软件，已在欧美一些发达国家的道路、铁路设计中广泛使用，完全摆脱了图板，实现了无纸化设计。

CARD/1是德国Basedow&Tomow软件公司推出的，包括测量、道路、铁道、排水四个子系统的复杂系统，特别适用于道路的勘测与设计，对于铁道、排水以及建筑景观规划、水利工程、矿山工程等各种土木工程也能使用。

这期间道路CAD系统的另一个特点是系统的开发环境由小型机或工作站向微机过渡，并以微机为主。

进入20世纪90年代，国外一些较成熟的道路CAD软件，向国际化方向发展。

在系统开发中，积极研究相关国家的技术标准，尽量提高软件的适应性，使其满足不同国家设计标准的要求。

在数据采集方面，研究采用GPS、数字摄影测量、遥感地质判释等新技术、新设备。

三、国内道路计算机辅助设计技术发展状况

我国道路设计应用计算机起步较晚。

道路CAD技术的研究始于20世纪70年代末，经历了70年代末与80年代初期的探索、80年代中后期的发展和90年代的提高普及，目前已在数据采集、内业辅助设计和图形处理方面取得了较大成就。

20世纪70年代末至80年代初，国内有关高校和设计单位在收集国外路线优化技术和CAD技术资料的基础上，开展了路线优化技术方面的研究，编制了相关优化程序。

在辅助设计方面，编制了一些生产急需的路线计算程序，如中桩坐标计算、土石方数量计算等，开发了针对某种绘图机的绘图程序。

因受当时计算机软硬件环境的限制，所编制的程序都是针对某一单项工作，以替代手工计算为目的，功能单一，缺乏系统性，应用面较窄。

20世纪80年代中后期，随着我国道路建设的快速发展，对道路CAD技术的需求也不断增大，促进了道路CAD技术的发展。

1986年，原交通部在多次技术论证的基础上，把道路和桥梁CAD列入国家"七五"重点科技攻关项目，进行研究开发。

道路CAD的研究内容包括数字地面模型、路线平纵面线形综合优化、路线设计、立交设计、中小桥涵设计、支挡构造物设计等；桥梁CAD的研究内容包括桥梁结构布置、桥梁结构有限元分析、桥梁施工详图设计、桥梁工程造价分析等。

该项目以工作站为硬件平台，应用对象为一些较大的设计单位。

由于配置了大量高档微机和外围设备，为微机专门研发的图形软件也趋成熟，给道路微机CAD软件的开发提供了良好的条件。

根据各单位的实际需要，开展了道路CAD软件的开发工作，推出了一些各具特色的微机道路CAD系统。

这一阶段CAD软件的特点是计算分析和成图一体化，以提高软件的自动化程度为目标，但大多缺乏交互性能或交互性能不高，软件的子系统之间接口繁多，缺少统一的数据管理。

20世纪90年代至今是道路基础设施建设大发展期，道路建设的速度明显加快，建设规模不断扩大，对道路CAD软件的要求越来越高，也是CAD软件商品化发展阶段。

软件开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，特别是用户界面和图形处理能力进行了大幅度扩充；对软件的内部结构和部分软件模块，特别是数据管理部分，进行了重大改造，新增的软件大都采用了面向对象的软件设计方法和面向对象语言。

以微机为平台的道路CAD系统逐渐取代了以工作站为平台的CAD软件。

道路CAD软件发展的特点表现为：

①软件支撑平台由DOS系统向Windows系统过渡，软件界面及交互'性能有所改善；②部分软件自主开发了专业的图形支撑平台，系统具有较强的针对性和实用性；③道路CAD软件的应用深度和广度都有较大提高，应用范围基本覆盖了道路初步设计和施工图设计的各个方面（不包括方案设计、方案评价选优等），到1996年底，道路CAD技术已普及到地市级设计单位，设计文件全部由计算机完成，且在立交和独立大桥等复杂工程中应用了三维技术进行渲染和动画，开始实施院内计算机网络管理；④跟踪国际计算机应用技术的最新发展，开始了领域内不同新技术的集成研究。

1996年原国家计委下达的国家"九五"重点科技攻关项目"国道主干线设计集成系统开发研究"，1998年原交通部重点资助项目"集成化道路CAD系统"等，研究的起点比以前有较大提高。

第二节道路勘测新技术

一、全球定位系统

目前全世界有四种已建和在建的全球定位系统，分别是美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯全球导航卫星系统、欧洲伽利略导航卫星系统和中国的北斗卫星导航系统。

美国全球定位系统（GPS）是目前应用最广泛、技术最成熟的卫星定位系统。

它是一种可以授时和测距的空间交会定点导航系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

俄罗斯格洛纳斯卫星导