我国高速公路的建设始于2 0世纪8 0年代, 到2005年底, 高速公路通车里程已达4.1万km, 其中, 通车时间在10年以上的占总里程的13%。这些高速公路在过去一段时间为国民经济的迅速发展起到了积极作用, 但是随着时间的推移, 这些技术指标相对较低的高速公路, 其交通容量已达到饱和, 再加上各种病害, 使得车辆在这些高速路上难以“高速”行驶, 服务水平明显降低, 不能满足当地经济快速发展的需要, 因而有必要对其进行改扩建, 使其能够更好地为车辆提供安全、高效、快捷的服务。由于高速公路改扩建工程需要面对既有的道路实体, 因此与高速公路新建工程有着较大的差异, 这也带来了一系列新的问题和难题, 先进的数字化勘测设计技术则为这些问题和难题提供了有效的解决方案。
1 航空摄影测量技术
对于高速公路改扩建而言, 包含既有道路数据的地形数据是进行公路路线设计的基础。在计算机技术、电子与信息技术、空间技术和各种测量高新技术研究不断深入、应用日益普及的今天, 航空摄影测量、遥感、全球定位系统、全站仪等数字化勘测技术成为获取大规模地形数据最有效的方法。
1.1 航空摄影测量
航空摄影测量是以空中摄影获取的像片为基础, 根据所获航片上的构像信息, 从几何和物理方面加以分析研究, 从而获取所摄对像信息的一门学科。由于摄影获取的信息量大, 反映物体细致、客观, 真实和详尽地记录了摄影瞬间的地表形态, 具有良好的量测精度和判读性能, 能方便地获得被摄地区的大比例地形资料[1]。与传统的公路勘测设计手段相比, 航测把繁重的外业工作大部分变为室内工作, 节省了人力、物力, 不但大幅度降低劳动强度、提高工效, 而且可以保证地形图成图精确, 特别是对人烟稀少、气候恶劣和地形困难的地区, 效果尤为明显;由于利用航测像片可以获得大面积与实地相似的立体模型和地形图, 有利于在大区域内进行路线多方案比选, 不遗漏优秀方案;借助数字摄影测量, 可直接产生被摄地区的地形三维数据, 为公路测设自动化系统提供原始地形数据。
1.2 公路改扩建应用实施要点
(1) 准备工作。准备工作主要包括接受任务, 收集资料, 进行路线方案研究, 航带设计, 完成航摄技术计算, 编制领航图等。 (1) 航摄范围的确定:由于老路改扩建工程较多利用原有道路进行改扩建, 很少重新开辟新的走廊带, 因而航摄范围基本是确定的。在局部路段, 可能会有分线, 也可能需要采用新的路线方案, 因而需要结合实际情况, 对这些地段左右加宽200m甚至更大的区域, 以保证不漏测, 为多方案比选创造条件。 (2) 航摄仪、摄影比例尺与航高的确定:为了保证航摄资料的质量, 应尽可能选择性能先进的航摄仪, 一般公路航摄首选23×23cm大像幅的航摄仪。公路摄影测量规范规定, 航测高程误差可达1/2～1倍等高距, 相当于1∶2000比例地形图上0.5m～1m (平原区) 和1m～2m (山区) 的高程误差[2]。由于老路改扩建的测设工作涉及到路面加宽、桥梁拼接等问题, 对既有路面和构造物的高程精度要求较高, 上述常规航测精度是难以满足实际工程需要的。因此, 在满足航摄飞机的安全飞行高度、航摄范围覆盖公路路线方案走廊的前提下, 应尽可能选用较大的摄影比例尺。在航影比例尺和航摄机选定的条件下, 可以根据式1确定设计的摄影航高:
式中:
H为摄影航高;m为航摄比例尺分母;
f为航摄机主距 (即镜头中心至像片平面的垂直距离) 。
不难看出, 为了适用于老路改扩建应用, 得到大比例尺的地形图, 应尽可能降低航高, 使用长焦距镜头。
(2) 航带设计。航测是沿着路线方向进行的, 但是路线并不是一条直线, 所以为了保证航线的直线性, 需要将路线分成若干个测段, 每一测段再分成若干条航带。航带设计, 应满足实际生产的需要。测段和航带一旦确定, 就可以根据摄影比例尺及航向、旁向重叠度的要求, 确定摄影基线和航线间隔, 最后得到可用于摄影工作的一系列资料。 (1) 摄影工作:对于老路改扩建而言, 摄影工作没有特殊要求, 只要满足相关规范要求即可, 最后得到的成果是航片。 (2) 外业工作:外业工作主要是指像片的调绘和野外控制测量 (GPS、RTK、电子水平仪、全站仪) 。 (3) 内业工作:常规的内业工作主要包括电算加密、立体测图、底图清绘整饰、晒印等。考虑老路改扩建设计的实际需要, 一般要求提供可以由计算机自动识别和处理的地形数据资料。现阶段已经推广应用的数字摄影测量系统完全可以满足实际生产的需要。
2 数字地面模型的应用
为了研究如何利用从摄影测量获得的数据通过数字化计算方法来加快公路设计, 美国麻省理工学院的Chaires.L.Miller教授提出了数字地面模型这一概念。从数模概念的提出至今, 随着计算机技术的飞跃发展, 数模的应用越来越广泛, 在公路工程领域, 它已经成为现代CAD系统的核心, 是进行数字化设计的前提。
2.1 高精度构网数据的获取
由于航空摄影测量技术自身的限制, 航测数据中路面部分的高程精度往往难以达到设计要求的精度, 这就有需要采取必要的补测措施, 获取高精度的路面三维坐标。G P S-R T K+电子水准仪三维测量技术为此提供了一套可行的解决方案。RTK是指载波相位实时动态差分定位 (Real-Time Kinematic) , 它是GPS发展的最新形式。RTK要求一台基准站和至少一台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时地把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站, 流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。其平面精度可以满足设计需要, 但高程精度则不能, 需要采取有效的方法来弥补。高程测量中通常应用的高程系统主要有大地高程系统、正常高系统和正高系统。大地高程系统以椭球面为基准, 正高系统以大地水准面为基准。正高实际上是无法严格确定的, 为实用上的方便, 通常采用前苏联莫洛金斯基的理论建立的正常高系统, 通过计算得到正常高。计算正常高的精度, 主要取决于大地高差和高程异常的精度, 其中高程异常差的精度与其计算方法及其所利用的资料密切相关。GPS测量资料与水准测量资料相结合, 来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当, 分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差, 并根据建立的适当大地水准面数学模型, 内插出计算点的高程异常或异常差, 从而得出特定点的正常高。这套G P S-R T K+电子水准仪三维数据采集方案, 使GPS测量的高程值能够满足工程需要, 且效率较高, 完全可以取代常规地面测量作业。
2.2 数字地面模型和数字路基模型
数字地面模型是一个表征地形特征的、空间分布的、有规则的数字阵列, 也就是将地形表面用密集的三维坐标表示的一种数学表达式。根据数模中已知数据点的分布形式并考虑到数据输出格式及数据处理方式, 可将数字地面模型大致分为规则数模、半规则数模和不规则数模三大类, 现在公路CAD系统中经常使用的是不规则三角网数模。构建不规则三角网数模的各项关键技术, 如海量数据的处理技术、考虑地形特征线等约束线的构网技术、多模型叠加技术等, 已经解决并大范围推广应用。针对老路改扩建, 数模的应用又具有特殊性。首先, 要以航测数据建立大范围的数字地面模型;然后利用高精度路基三维坐标数据构建数字路基模型, 为了真实再现既有道路的真实几何面貌, 需要采用考虑约束条件的构网技术;最后, 将数字地面模型和数字路基模型进行叠加, 得到可用于公路设计各个阶段的高精度整体数字模型。使用本方案得到的数字模型, 即满足了路线多方案比选所需的宽广范围, 又保证了路基数据的准确性, 满足设计的高精度要求。
3 实际工程应用
3.1 项目背景
合宁高速公路安徽段起自安徽省合肥西郊大蜀山, 终于苏皖交界的周庄, 全长约133.4km, 为上海至成都的沪蓉公路和上海至伊宁312国道的重要组成部分, 是安徽省交通的大动脉, 是目前连接苏皖两省省会的唯一直达高速通道, 也是安徽省通往沿海发达地区的重要交通干线。本次扩建的为合宁高速公路大蜀山至陇西立交段, 全长42.6km。由于技术标准提升, 设计中根据原有路况改造方案有分线、两侧拼宽两种形式, 勘察设计中不能中断现有交通, 要求快速提供用于方案设计的正射影像、大比例三维数字地图、宽域数字地面模型、可用于道路拼接的高精度老路基数字模型, 并将各种模型融合形成整体模型, 并与设计模型和数字影像叠加, 用于可视化质量控制、环境和景观评估等。
3.2 航空摄影测量技术的应用
(1) 大比例尺低空航片。合宁高速公路地处平原微丘区, 安全航飞高度受到一定的限制, 航空摄影是沿老路和设计线摄制1∶5 0 0 0的大比例尺低空航片, 相对航高750m, 通过GPS全野外像片控制测量和数字摄影测量, 最终航测获取的地面数据高程中误差±0.20m。 (2) 数字摄影测量。生成全线1∶5000正射影像地形图, 用于初步设计方案研究;生成1∶1000三维数字地形图用于纸上定线和建立数字地面模型。对地面和老路路基范围内的各种地形地物要素和现有公路要素均设计了采用唯一可识别的要素编码和图层;对原有公路上的各种空间交叉和架空设施采用了特殊处理方法, 确保了建立数字地面模型和老路路基模型的准确性和地物空间关系的合理性。 (3) 高精度三维路基数据。一般路基结构线数据采用GPS-RTK一次性获取三维数据, 路面数据采用RTK放样平面位置, 电子水准仪按四等作业规定获取高程数据并与RTK高程互为检核的方法。在GPS控制网中对GPS高程进行了严格的设计和优化, 引入了适应地形的精化工程大地水准面模型, 使GPS大地高转化为水准高与互通检核的水准测量结果相比较差在0.06m以下, GPS高程具有足够的精度。
3.3 数字地面模型技术的应用
(1) 数字地面模型。合宁高速公路大蜀山至陇西立交段路线里程长42.6km, 航测数据源为1∶1000三维数字地形图DWG格式文件共135张, 模型控制总点数为5, 335, 271 (263) 个, 生成的三角面有10, 405, 169个, 采用Bid-Land数字地面模型系统建立全路段的整体DTM, 仅用时2min。数模用于桩号为K20+964～K26+800的多方案比选时, 每20m插值一个横断面共285个横断面, 每4s就可获取一个方案的全部纵横断面和土石方填挖结果。由于数字地面模型系统与公路CAD系统的集成, 并能快速响应随时优化的各种设计方案, 使真正的路线多方案比选成为可能。 (2) 数字路基模型。对老路路基和路面进行了高精度的地面测量和调查, 并对边沟、挡墙、桥梁等规则结构物等编制程序进行了纠正和规算, 在此基础上建立了高精度的原有道路路基模型, 然后将该模型叠加融合至航测数字地面模型中, 取代原航测模型中相应的路基部分, 同时对两个模型由于精度不匹配产生的叠合误差进行了修正, 由此生成一个统一的数字模型, 既有方案设计可供比选的宽域范围, 又有施工图路基拼接范围内的高精度, 大大方便了CAD应用和可视化设计质量效果检查。
4 结语
航测数模技术应用于高速公路改扩建工程, 解决了部分改扩建工程中的关键问题, 大大减少了野外工作量, 进而缩短了测设周期, 同时也提高了设计的质量。其应用必将促进数字化公路的建设进程, 使我国的高速公路建设事业进入数字化时代。
摘要：本文笔者结合实际工程项目, 对高速公路改扩建工程中的航测数模技术应用进行了介绍。
关键词：高速公路改扩建,航测,数模,应用
参考文献
[1] 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].人们交通出版社, 2003, 9.
[2] 赵喜安.高速公路改扩建数字化勘测设计新技术体系[J].中国公路网, 2006, 7.