公路建设论文发表期刊推荐国家级期刊《黑龙江交通科技》，《黑龙江交通科技》自创刊以来，紧紧围绕国民经济发展对交通科技的要求，有针对性地进行技术指导；结合我省低温严寒特点和实际需要报导省内交通科技新成 就、科技论文和科技成果；先进的设计理论和生产施工工艺；技术改造、企业管理的新经验、新技术、新材料、新产品、新设备、技术政策；交通工程论述，国内外 交通科技动态论述等。为我省公路桥梁建设和交通运输生产服务，为加速实现我省交通运输的现代化作出贡献。
摘要：从公路选线、工程地质勘察、工程设计到公路运行管理,3S技术的信息分析方法有其他手段不可替代的作用。本文主要从3S集成技术在公路工程中应用的特点、具体技术方法以及几个应用实例来较全面的阐述公路工程中体现的3S集成技术。最后对3S集成技术在公路工程中的应用前景进行了展望。
关键词：3S集成技术,公路工程,3S,可行性研究
引言：
随着现代空间探测及计算机信息技术的发展,遥感、全球定位系统、地理信息系统技术(简称3S)在高速公路可行性研究及勘察设计中发挥越来越重要的作用。自从1998年1月31日美国副总统戈尔提出了“数字地球”(DigitalEarth)的概念后,“数字地球”“数字城市”相继成为本世纪的热门术语和新兴学科,数字地球的核心是地球空间信息科学,地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是“3S”技术及其集成,所谓“3S”是全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)的统称,是目前对地球观测中空间信息获取、存储管理、更新、分析和应用的三大支撑技术,他集中了空间探测、电子技术、计算机、数据库、互联网、通讯、人工智能和地球科学等众多最新成就,为人类探测地球和分析环境提供了先进有效的手段。
3S集成技术在发达国家已得到了广泛的应用，在我国也得到了高度重视，随着计算机技术的应用，空间技术交叉渗透，信息科技蓬勃发展，3S集成理论正在得到不断的发展，已逐步在土地、资源、农业、水利、工程建设、物探和环境等领域得到应用。本文主要研究3S集成技术在道路工程的应用[1]。
1．3S集成技术的概述
“3S”是地理信息系统（GeographicalInformationSysterm简称GIS）、遥感（RemoteSensing简称RS）和全球定位系统（GlobalPositioningSystm简称GPS）的英文缩写简称，其中GPS和RS分别用于获取点、线、面等空间信息或监测其变化，GIS是完成空间数据的存储、分析和处理。这三种空间信息技术已经较广泛的应用。
三者在空间信息管理上各具特色,均可独立完成自身具有的功能,同时相互之间又有许多关联,在解决问题的功能上各有优点与不足。三者的结合与集成已成为空间科学的发展方向和必然趋势。3S技术在公路规划和勘察选线方面的应用研究和勘察设计实践,在多段高速公路及大型隧道的勘察设计应用中取得了很好的效果,不但提高速度2~3倍以上,而且可以全面认识公路工程地质环境的特征,提高工作质量,尤其在减少不良地质危害、优化选线设计质量等方面,具有巨大的经济效益和社会效益,具有很好的发展应用前景[2]。
3S集成不是GPS、RS、GIS的简单组合，而是一种利用现代测绘技术、遥感技术、定位技术、图像和图像处理技术与计算机技术于一体，向GIS和RS数字图像处理系统提供足够的数量、精度、可靠性、完备性的空间数据，通过空间分析、预测、决策，确保地理信息问题的优化、系统地解决[1]。3S集成是高度自动化、实时化、智能化的对地观测系统，并有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能。
3S融合技术是公路勘察的先进手段。遥感、全球定位系统和地理信息系统技术为人类探测地球和分析环境提供了先进有效的手段。3S技术各有特长:遥感图像能够快速获取大面积信息,但有些地物属性又不可全面感知(如高程和经纬度);GPS可以迅速定位目标,但没有地理属性;GIS具有信息查询分析和管理能力,但数据的获取比较困难;因此它们的结合应用是当代信息科学发展的必然趋势。3S技术的结合有多种形式,主要根据工作需要而定。应用卫星和航空遥感图像与计算机信息处理技术的结合,可以快速编制各种比例尺(1∶200000~1∶10000甚至更大比例尺)的遥感图和解译工程地质图,指导选线勘察工作。其综合效益可以提高30%~200%以上,地质选线速度可以提高3~5倍以上。遥感、全球定位系统与地理信息系统的功能和数据资源,彼此可以相互结合,实现功能互补,资源共享。基于GPS的遥感探测,可以获得具有3维地理信息的遥感图像数据,并输出3维地形模型数据(DEM)和各种实用图件,大大简化了传统地形测量的过程,是地理制图技术的一个飞跃[3]。
应用GIS3维地形模型叠加遥感图像的技术,可以生成真实的地形模型,是当前在计算机上进行公路环境分析、优化路线方案的现代化技术之一。对优化路线方案,提高设计质量和速度有关键作用,是当前高等级公路勘察设计自动化的主要发展方向。另外,应用3S系统的信息采集、分析与制图功能,可以有效进行公路交通各个阶段的管理工作。例如,路区遥感图像的更新及专题图的输出,工程建设数据统计与图像图形显示,车流量与经济发展分析,车辆GIS与GPS动态安全管理等。从公路选线、工程地质勘察、工程设计到公路运行管理,3S技术的信息分析技术有其他手段不可替代的作用;遥感航测制图更有其速度快、质量高、节省人力物力的优势,而3维遥感航测数据是公路勘测设计自动化的基础。
2.3S技术在公路工程应用中的特点
2.1集成化
传统的公路测量、设计表现为离散式、分离式的测、设、绘的过程,譬如野外测量就可以分为测角、量距、水准等三大要素,而利用3S技术的勘测设计则是集成测绘技术,表现为外业、内业用图一体化、集成化。
2.2实时化
经典的公路工程从规划、勘测、设计到施工、运营是建立在对路线外业观测数据的后处理基础上的,到获得3维坐标有一定的时间滞后。而3S技术可根据某些内容的要求实时、快速地确定3维坐标。
2.3动态化
3S技术依据其技术系统,将拟建公路的相关信息(地形、地质、气候、水文等)收集、分析、处理,在计算机上产生出数字地形、地质及构造的立体模型,直观地进行路线设计,动态演示公路的平面和立面位置。
2.4数字化
3S技术最基本的特点就是信息数字化。传统的测绘把终点建立在模拟地形图的基础上,但在测图与用图之间永远存在着“矛盾”,设计人员总抱怨测量人员精度不高,当设计内容在施工中无法实施时,往往归咎于测量人员的野外测量精度不高。数字测图技术的广泛应用,尤其是野外大比例尺数字测图技术保证了地形点的足够空间精度。
2.5自动化
经典的测量工作是建立在野外环境下艰苦劳动的基础上,测绘人员常年奔波在外,全身心投入脑力和体力,手工观测、手工记录、手工绘图,效率低、速度慢,错、漏、差、碰现象时常发生。而3S技术系统则是建立在自动瞄准、自动读数、自动记录、自动存贮、自动出图、自动跟踪管理和分析交换数据基础上的。
2.6智能化
高速公路的建设,过去只是定线、纵横断面、土石方计算,利用3S技术系统,可注重选线设计、定线测量、工程造价、施工组织、运营管理全方位解决问题,以智能化的特点对公路工程进行优化。
33S集成在公路工程各阶段的技术应用
3S技术系统在公路工程中的技术应用目前已部分实现,相信不久的将来,将彻底改变经典公路工程思维模式,实现质的飞跃,这将是公路工作者的梦想,也是公路工作者的目标。
3.1前期工作
公路工程的前期工作,一般分为工程预可行性研究和工程可行性研究、初步设计等阶段。按照不同阶段的内容要求,所涉及到的工作内容、技术深度、获取资料的详细范围均有所不同,但有一点是共同的,那就是拟建公路走廊的地形、地貌、地质、水文、气候、环境等相关的信息资料。随着RS系统技术的迅猛发展,其空间分辨率有了飞快的提高,从30m,10m到今天的2m,1m,搭载的传感器采用从可见光至热红外多光谱或全色波段,通过纹理和颜色处理,对拟建公路沿线(覆盖宽度几千米至几十千米)地形、地貌、植被、土壤、水体进行分析和处理,制作1∶10000至1∶250000专题地图,提供出特(大)桥、隧道等路线控制点直观、准确的地质要素信息。特别是对公路沿线的不良地质路段(如冻土、软土和盐渍土)、特殊地质(如砂土液化、多雨和积雪)、地质灾害(如采空区、崩塌、泥石流、滑坡和地裂缝)可提供大比例尺(1∶10000)地质资料,满足高速公路地质灾害危险性的评估技术要求。综合以上数字信息,通过相关论证,确定出路线最佳方案。另外,利用RS系统技术,还可以探明公路沿线的文物古迹(如北京老山汉墓的探明、挖掘就是卫星遥感技术的成功运用),做到文物保护与公路建设相互协调。
从国内公路遥感工程的应用来看,RS系统技术具有快速、高效、直观、视域广、信息量丰富的显著特色,在公路工程前期工作中势必会得到越来越广泛的应用。
3.2勘测设计阶段
传统的公路勘测是依靠大量的工程技术人员在野外收集、调查、分析、处理公路沿线平纵断面的数据。在交通不便、勘测难度大的高山、湖泊、森林等地段,时间长、效率低、精度差。以GPS技术、GIS技术及其集成技术为核心的3S技术系统,则会在公路工程的勘测设计中大显神通,推动公路设计自动化,提高设计质量。GPS技术具有全天候、高精度、速度快的显著特点。构建高速公路平面导线控制网,以50km山区高速公路为例,时间只需2~3d;平原微丘区高速公路控制网的布设,所需时间还会缩短。而采用常规大地控制测量方法,甲级测绘队伍也至少需要20d左右的时间,还需要进行人工平差、补偿等一系列细部工作。在GPS基准点(站)控制精度范围内,对定线、中桩、横断面进行细部测量,可以快速获取各相关点的坐标及高程。利用RS技术将室内获得的公路沿线地形、地质形态,在外业勘测中可充分利用初设阶段的有关数据,对大(中)桥、涵洞位置及不良地质和特殊路段,结合地形图、GPS进行野外现场实地布点、检查、补充和校正,为设计提供充足、完整的准确资料。“3S”技术的高度集成及计算机辅助设计技术的发展,为3S技术系统的设计提供了崭新的天地。高精度、高分辨率的图像技术、地理信息技术、数字地面模型技术、3维立体技术使公路工程设计达到智能化水平。用公路沿线的信息数据,在计算机上建立起数字模型,在拟建公路的布线走廊内进行平、纵线布设,流域内排水设计,特殊路段防护工程设计,不良地质桥位桥型选择布置,高大边坡设计以及公路景观等仿真设计和工程数量、投资预算的计算。通过3维透视,以计算行车速度在计算机上模拟沿路线行驶,来检验平纵线型指标、行车视距、公路全景等综合技术指标,对局部设计进行优化,在工程数量、投资费用增加不大的情况下,相互比选确定最佳路线方案[4]。
3.3工程施工
公路工程施工作为设计的一种延伸和结果,其质量取决于施工过程的控制。特大桥梁、隧道往往是工程控制的难点和重点。3S技术系统在施工控制方面,运用先进的空间信息系统技术,则会缩短工期,保证质量。荆州长江公路大桥运用GPS布设平面控制网进行动态实时控制,保证了特大桥梁的施工质量,广东汕梅高速公路莲花山隧道运用GPS进行隧道施工测量控制,缩短工期一半,经济效益显著。运用GPS、全站仪空间矢量数据采集系统,配合GIS,完成路线土石方数量计算,自动搜寻填挖平衡点和最佳土石方调运距离,在这方面亦有成功的例子。
3.4运营管理
建立以“3S”集成技术为核心的智能运输管理系统,也是3S技术系统的重要组成内容。高速公路运营期间的交通流量调查、预测,恶劣天气(大雾、雨雪等)的汽车导航,交通事故报警,最佳行驶路线等,均可通过监控中心与运营车辆进行联络,计算机屏幕会自动显示车辆所处方位的电子地图,显示车辆的地点、车身颜色、行驶速度和方向,并预测行驶路线和速度,如车辆被盗或被劫,监控中心采取遥控熄火,使车辆无法行驶,以实现交通运输的合理调度和管制。同时,随着高等级公路网络的逐步建立和形成,对现代公路的管理就需要先进的科学管理方法,3S技术系统对公路信息的获取、存储、检索、分析、处理具有直观、动态的特点,是实现公路管理现代化的重要手段。反映某一行政区域内国道主干线、国道、省道及县乡道路的分布,途经主要城镇的路网信息、路况信息、桥梁信息、附属设施信息及沿线管养机构信息,通过3S技术系统来完成对公路信息的查询、显示、报表等管理工作,真正实现现代公路管理的现代化、决策的科学化、工作的高效化。目前,国内安徽等省市已完成公路地理信息系统的建立和应用,效果及作用显著。
4.3S集成技术在公路工程中的应用实例
不良地质现象是公路建设的主要隐患,目前陕西省已建成的高等级公路发生的灾害问题主要是不良地质问题造成的。因此,应用遥感技术解译调查各种不良地质现象,是提高勘察设计质量和水平的必要环节,在实践中也取得了很好的应用效果[5]。
国道210线陕西境南段和108线西安-汉中段是沟谷发育,滑坡、坍塌、泥石流较为多见的地区,尤其滑坡是主要危害公路建设的重要地质问题。对此经过遥感图像处理和信息增强,编制了1∶50000和1∶25000比例尺的遥感图像,地质解译划出200多处滑坡、崩塌及泥石流分布区,为路线与隧道的勘察设计提供了有效的依据。
在冲积平原区的公路勘察中,应用遥感图像可以发现许多常规方法不易发现的隐伏信息,为深部钻探指出了方向。例如在国道主干线阎良-禹门口段的工程地质调绘中,在图像上发现多条线性影像带,他们控制了平原区微地貌的边界,通过与区域物探资料对比分析,是隐伏断裂带的反映。同时发现合阳县地区有黄色调的图像信息异常,实地验证是煤矿采空塌陷区,地表有密集的裂缝分布,图像上的黄色调是塌陷失水后的相对干燥土壤的分布区。
黄土区的滑坡是经常发生的灾害现象,对当前陕北高等级公路建设常常造成巨大的损失。我们应用航空遥感图像准确划出了合阳-韩城段的黄土沟谷滑坡20余处,并得到了物探和钻探工作的证实,为合理布置桥位奠定了基础。
5.3S集成技术在公路工程中应用前景
数字公路是极为庞大的技术投入和组合，特点是集成化、数字化、自动化、智能化。除了硬件设备，其核心技术还是GPS、RS、GIS以及3S集成技术等。主要技术包括：空间地理信息系统技术，利用GPS在内的一切定位测量手段和平台，多波段、高分辨率RS数据，通过GIS系统，实现公路工程中空间数据的自动采集、编辑、管理、分析、制图以及多维的参数处理，完成工程规划、勘测、设计、施工、运营、养护等工作，用地理坐标或里程来管理所有与公路相关的信息，通过计算机网络在公路带状走廊中真实地再现出来[6]。
在公路工程可行性研究初步设计阶段，利用GPS技术建立公路工程控制网，采用摄影测量与遥感技术进行拟建公路地形图测绘。勘测设计阶段：布设公路带状GPS控制网，在GPS基准点（站）控制的精度范围内，对定线、中桩、横断面等进行细部测量，可以快速获得各相关点的3维坐标。利用RS技术在室内获得的公路沿线地质、形态等信息，在野外勘测和设计中利用，以确定最佳路线方案。3S技术的集成为数字公路的设计提供了新途径。
工程施工阶段：在施工控制方面运用空间信息系统技术，则会缩短工期，保证质量。许多跨江跨河公路大桥运用GPS布设平面控制网进行动态实时控制。运营管理方面：利用3S集成技术建立高等级公路网络，对公路信息的获取、存储、检索、分析和处理直观且动态。反映某一行政区域内的国道、省道及县、乡道路分布，途径主要城镇的路网信息、路况信息、桥梁信息、附属设施信息及沿线管养机构和人员信息。
卫星多波段数据与航空彩红外图像相结合,在大区域盆地平原构造格局解译划分、隐伏断层分析及详细解译沟谷地区的不良地质现象中发挥了重要作用。同时,应用GPS技术可以大大提高调绘速度和定位精度,可以全面提高路线方案的质量和水平。
随着人类对环境质量的要求越来越高,更促使我们应用3S与3D(3维)环境模拟技术优化设计方案,而只有通过3S,3D与常规勘察设计技术的紧密结合,才能使公路勘察设计快速优化成为可能[7]。提高人类利用、改造、美化环境的水平,对促进整个人类的进步具有重要意义。3S高新技术的发展应用,为公路勘测设计提供了全新高效的方法。尤其在高速公路网的宏观规划、路线调查及大型隧道、桥位工程的方案论证等方面,可以全面掌握公路规划区的环境地貌与地质构造要素,提高决策水平和设计质量,对优化方案节约投资起到关键作用。
结语
遥感等3S技术在公路方案规划、隧道选线、不良地质调查以及高速公路工程地质调绘成图的应用,取得了较理想的效果。不但加快了工作速度,而且提高了质量,节省了人力物力,有很高的经济效益和社会效益。
我们相信,随着遥感、地理信息系统、全球定位系统以及计算机信息技术的进一步发展普及,将对人类公路交通建设事业起到更大的促进作用,使国家与整个世界的高速公路网络化与信息高速公路网络化远景得以更快地实现。
参考文献
[1]冯仲科．3S技术及其应用[M]．北京：中国林业出版社，2000.
[2]李德仁．地理空间信息学的机遇[J]．武汉大学学报（信息科学版），2005，29（9）：753-756.
[3]朱照宏,符锌砂,李方,等.道路勘测设计软件开发与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2003.
[4]冯仲科.“3S”技术及其应用[M].北京:中国林业出版社,2000.
[5]潘宝玉,王贵祥.3S技术集成及其在地质领域中的应用[J].地矿测绘,1999,15(1):10-20.
[6]傅肃性.地理信息系统与遥感的一体化[J].国土资源遥感,1995,7(3):9-12.
[7]戴文晗,魏清,戴磊.遥感技术在公路勘察设计中的应用[J].地理信息科学,2001,3(3):50-53.
