现代道路勘测与设计新技术.docx

1、现代道路勘测与设计新技术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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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（ComputerAidedDesig

8、n，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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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：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；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；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

16、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；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

17、。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航系统（GLONASS），由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成，其卫星星座理论上由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100km，运行周期11小时15分，轨道倾角64.800该系统从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短及经济状况等，该系统不能维持正常工作，目前仅有8颗卫星在

18、轨。伽利略（Galileo）卫星导航定位系统，是欧盟研制组建的自己的民用卫星导航定位系统（Galileo系统）0Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能。北斗卫星导航系统，是由中国建立的卫星定位系统。2000年来中国已发射了4颗北斗导航试验卫星，建成北斗导航试验系统（第一代系统），该系统具备在中国及其周边地区的定位、授时、报文和GPS广域差分功能。正在建设的北斗卫星导航系统（第二代系统）空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务，

19、将具备覆盖全球的能力。（一）GPS系统组成GPS系统主要由GPS空间卫星部分（卫星星座）、地面监控部分和用户设备部分组成。1.空间卫星部分如图12-1所示，GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中有21颗工作卫星，3颗备用卫星。卫星分布在6个近似圆形轨道面内，每个轨道上有4颗卫星。卫星同时在地平线以上的情况至少有4颗，最多可达11颗，该布设方案将保证在世界任何地方、任何时间，都可进行实时三维定位。GPS卫星基本功能是：（1）接收和储存由地面监控站发来的导航信息，并执行它的控制指令。（2）利用微处理机进行部分必要的数据处理工作。（3）通过星载高精度的原子钟提供精密的时间基准。（4）向用户发送导航与定

20、位信息。（5）通过指令调整卫星的姿态和启用备用卫星。2.地面监控部分地面监控部分是由分布在美国本土和三大洋美军基地的五个地面站组成。按功能分为监测站、主控站和注入站三种。3.用户设备部分用户设备是指用户GPS接收机，是一种被动式无线电定位设备，其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号。在全球任何地方只要能接收到4颗以上GPS卫星的信号，就可实现三维定位、测速、测时。（二）GPS定位原理GPS定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。根据待定点运动状态可分为静态定位和动态定位。静态定位是指用GPS测定相对于地球不运动的点位，GPS接收机安置在该点上接收数分钟甚至更长时间，以

21、确定其三维坐标，又称为绝对定位；动态定位是确定运动物体的三维坐标。1.伪距测量伪距测量是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。2.差分定位差分定位也称GPS相对定位（图12-2），是确定观测点（也称流动站）与某一地区参考点（也称基准站）的相对位置。相对定位广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。 图12-1GPS卫星星座 图12-2GPS相对定位3.载波相位测量载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。（三）GPS测量的实施GPS测量按其性质可分为外业和内业两部分。外业工作主要包括选点、野外观测

22、工作以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。按GPS测量实施的工作程序，可分为GPS网设计、选点与建立标志、外业观测及成果检核与处理等几个阶段。1.GPS网精度标准的确定GPS网的精度要求，主要取决于网的用途。精度指标通常以网中相邻点之间的距离误差mD表示，其形式为：mD=va2+（bD）2式中：D一一两相邻点间的距离（km）；a一一一固定误差（mm）；b一-比例误差（ppm）。（12-1）不同用途的GPS网的精度不同，GPS控制网分为A、B、C、D、E五个等级，详见相关规范。2.GPS网的图形设计网的图形设计取决于网的用途，但与经费、时间和人力的

23、消耗以及接收设备的类型、数量和后勤保障等条件有关。根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边应构成一定的几何图形，基本形式有三角网、环形网、星形网。3.选点、建标志因GPS测量测站间不要求相互通视，所以选点工作简便。选点时除应远离产生磁场源的地方和保证观测站在视场内周围障碍物的高度角应小于100r-.J15。外，其他要求及建立标志同常规控制测量。4.GPS测量的观测工作GPS测量的观测工作主要包括天线安置、观测作业、观测记录及观测数据的质量判定等。（四）实时GPS测量（RTK）在道路工程中的应用1.实时GPS测量原理实时GPS测量是基于载波相位测量的一种实时动态定位技术，能实时提供观测点在

24、坐标系中的三维定位结果并达到厘米级精度。RTK定位技术，需在两台GPS接收机之间增加一套元线数字通信系统（亦称数据链），将两相对独立的GPS信号接收系统联成有机整体。基准站通过电台将观测信息和测站数据传输给流动站，流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身测得的载波观测信号进行差分处理，解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标转换和投影参数，实时得到测点坐标。实时GPS系统通常由GPS信号接收系统、数据实时传输系统、数据实时处理系统组成。2.实时GPS测量在道路建设中的应用GPS测量具有高精度、高效率的优点，在控制测量领域得到广泛应用。随着GPS接收机性能和数据处理技术的逐渐完善，GPS应用领

25、域也在不断拓宽。实时GPS测量在道路工程中可完成如下多种工作。（1）工程控制测量用GPS建立控制网，精密方法为静态测量。对大型结构物，如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制，宜用静态测量；而一般道路工程的控制测量，则可采用实时GPS动态测量。该法在测量过程中能实时获得定位精度，当达到要求的点位精度，即可停止观测，提高了作业效率。因点与点之间不要求通视，使测量简便易行。（2）制作大比例尺地形图道路选线多是在大比例尺（通常是1:2000或1:1000）带状地形图上进行。用传统方法测图，先建立控制网，再进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图，其工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量，在每个碎部

26、点上仅需短暂时间，即可获得测点坐标，结合输入的点特征编码及属性信息，构成碎部点的数据，在室内由绘图软件成图。因只需采集碎部点的坐标和输入其属性信息，采集速度快，降低了测图的难度，既省时又省力。当基准站设置完成后，整个测量系统可由一人持流动站接收机操作，也可设置几个流动站，利用同一基准站观测信息各自独立操作。（3）道路中线测设纸上定线后需将道路中线在地面上标定。采用实时GPS测量，只需将中线桩点的坐标输入GPS接收机，移动接收机就会定出放样点位。因每个点的测量独立完成，不会产生累积误差，各点放样精度一致。（4）道路纵、横断面测量道路中线确定后，利用中线桩点坐标，通过绘图软件，即可绘出路线纵断面和

27、各桩点的横断面。所用数据是测绘地形图时采集的，不需再到现场进行纵、横断面测量，减少了外业工作。如需进行现场断面测量时，也可采用实时GPS测量。（5）施工测量实时GPS系统有良好的硬件，也有丰富的软件可供选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样方便、快捷。二、遥感技术（一）遥感及其分类1.遥感的定义遥感（Remotesensing）一词产生于1962年，即遥远的感知遥感有狭义和广义的不同理解。广义上，泛指一切元接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。其中，重力、磁力、地震波等的探测被划为物探（物理探测）的范畴，只有电磁波探测属于遥感的范畴。狭义上是指应用探测仪器，不与

28、探测目标相接触，从远处记录目标的电磁波特性，通过分析，揭示物体的特性及其变化的综合性探测技术。遥感与航测的区别在于，前者确定实体的物质成分，后者确定几何形态。如：一个山包，遥感可确定构成山包的物质是土或是岩石以及何种类型等，航测则确定其高程、面积及其形态等几何量。2.遥感的类型遥感的分类方法很多，主要有下列几种：（1）按遥感平台分地面遥感：传感器设于地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等。航空遥感：传感器设于航空器上，主要是飞机、气球等。航天遥感：传感器设于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等。航宇遥感：传感器设于星际飞船上，指对地月系统外目标的探测。（2）

29、按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段在0.05.，0.38m之间。可见光遥感：探测波段在0.38.，0.76m之间。红外遥感：探测波段在0.76.，1m之间。微波遥感：探测波段在1mm.，10m之间。多波段遥感z指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。（3）按工作方式分主动遥感和被动遥感z主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的反向散射信号；被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感与非成像遥感：前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。

30、（4）按遥感的应用领域分从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可划分为更细的研究对象进行各种专题应用。（二）遥感技术系统现代遥感技术系统一般由四部分组成，如图12-3所示。（1）空间信息采集系统空间信息采集系统主要包括遥感平台和传感器两部分。遥感平台是运载遥感器并为其提供工作条件的工具。传感器是收集、记录被测目标的特征信息，并发送至地面接收站的设备。（2）地面接收和预处理系统图12-3遥感技术系统的组成航空遥感获取的信息，

31、可直接送回地面进行处理。航天遥感获取的信息一般是以无线电的形式实时或非实时发送，被地面接收站接收和进行预处理（前处理、粗处理）。预处理是对信息所含噪声和误差进行辐射校正或几何校正，图像的分幅和注记（如地理坐标网等），为用户提供信息产品。（3）地面实况调查系统地面实况调查系统主要包括在空间遥感信息获取前后进行的地物波谱特征测量，为设计传感器和分析应用遥感信息提供依据；在空间遥感信息获取的同时所进行的与遥感目的有关的各种遥测数据的采集（如区域的环境和气象数据），主要用于遥感信息的校正处理。（4）信息分析应用系统信息分析应用系统是用户为一定目的而应用遥感信息所采用的各种技术，主要包括遥感信息的选择技

32、术、处理应用技术、专题信息提取技术、制图技术、参数量算和数据统计技术等内容。（三）遥感专题地图遥感技术的主要产品之一就是遥感专题地图。遥感专题地图是用图形符号，客观、系统地反映一定区域内环境与资源的空间分布和时间变化规律。1.专题地图的种类专题地图的种类很多，按其内容的专题性质分为三类，即自然地图（如地质图、地貌图、气象气候图、土壤图、植被图等）、社会经济地图（如行政区划图、居民分布图、经济地图、文化地图等）、其他专题地图（如航海图、航空图、城市平面图等）。按其反映内容的概括程度，也可分成如下三种类型：（1）解析型（又叫分析型），它只反映单要素的位置和分布，对专题现象未经概括或很少概括，并以各自的具体指标显示某一方面的性质和特性。如城市人口密度等级图、污染源分布图、绿地分布图等。（2）组合型（又称合成型），它表示的不是各种现象的具