摘要：土木工程是一个很古老的行业，早在公元前就出现了。当前，伴随着计算机技术的发展，土木工程这门传统行业出现了新的变化，越来越多的新技术运用于土木工程中，使得土木工程这一行业有了长足的发展。3S技术在测量中的运用，提高了测量精度和速度，越来越受到大家的欢迎。 

1、3S技术概述

自从1998年1月31日美国副总统戈尔提出了“数字地球”(Digital Earth)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(Global positioning systems，GPS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)和遥感(Remote sensing，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。 

2 、3S技术与公路勘察设计

公路勘察设计离不开地理信息、空间信息、社会信息。公路勘察设计是在全面掌握了地形、地貌、地质构造、城镇发展规划、现有路网、社会经济状况以及预测未来社会经济发展、交通量发展趋势等综合因素上确定公路建设的可行性、公路等级和公路在路网中的功能。将3S技术合理的运用在公路勘察设计中可迅速得到所需信息并合理加以管理，智能化的给出决策建议，从而加快设计速度，提高设计质量、经济效益和社会效益，具有广阔的发展前景。

3、GPS技术在公路勘察设计中的应用

GPS(Global Positioning System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，他是以卫星为基础的无线电测时定位和导航系统，单点导航定位与相对测地定位是GPS应用的两个方面。作为一种全新的现代定位方法，相对于常规光学和电子仪器，GPS有测站之间无需通视、定位精度高、实时提供三维坐标、观测时间短、操作简便、劳动强度低等优点，因此在公路勘察设计中得到了广泛的应用，可以说GPS技术特别是GPS—RTK技术(实时动态定位)应用于公路勘察行业是公路外业勘察的一项重大的技术。

目前，GPS在公路勘察设计中的应用主要有以下几方面：在公路勘察设计的前期，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制网，为勘察阶段测绘带状地形图、路线平面、纵面测量提供依据；勘察阶段采用动态定位模式(RTK)完成大比例尺工点地形图测绘、中桩测量、纵断面地面线测量、横断面测量等工作；施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网；后期营运阶段可以用GPS精密定位、全天候观测的特点对重点桥涵、隧道、软土路基及对公路运行有影响的滑坡体进行变形观测。

3. 1GPS测量用于加密国家控制点 

京珠国道主干线粤境高速公路汤塘至广州北二环段路线长约60公里，所处地形为重丘区，路线设计为6车道。该段有11个各种系统的平面控制点，经过实地寻找，找出了7个，有4个被破坏，破坏中有2个国家Ⅱ等点。在已找出的的7个控制点中，国家测绘局系统Ⅰ等点1个，Ⅲ等点1个；城市测量系统点2个；总参军控点3个。这些平面控制点分属不同测量系统，且等级不同。为提高京珠国道粤境高速公路汤塘至广州北二环段测设质量，决定在国家测绘系统基础进行控制点的加密。加密的控制点布设方案是：沿公路路线每10km布设一对点，该对点相距约1km，且应通视良好。这样，该段共设了6对GPS加密点，加密点的精度要达到四等控制网的要求。该四等网采用4台Trimble SE400单频接收机作业。该机的标称精度为10mm+2PPm。四等网的观测时间为90min。数据采样间隔为15s。通过平差处理，该四等网最弱点位中误差为4.11cm，平均点位中误差3.18cm，最弱边相对中误差1/27669，平均边长相对中误差1/453578。 整个四等网作业仅花4d时间。其效率较常规测量手段至少提高3倍。 

3. 2GPS测量用于隧道控制测量

在京珠国道主干线粤境高速公路翁城县境内有座靠椅山双洞直线型平行隧道，初测的左、右洞起讫桩号分别为ZK144+710～ZK147+730，YK144+730～YK147+740。其洞长分别为3020m和3010m。根据《公路隧道勘测规程》中对隧道类别划分标准，属公路特长隧道，洞外测量在贯　通面上对贯通误差影响值限值为±55mm。靠椅山隧道地处亚热带地区，雨量充沛、荆棘丛生，沟深林密，野外作业条件十分艰苦，采用常规方法不仅费时费力，而且选点困难，砍伐工作量大。结合靠椅山地形特征，采用GPS测量，布设了GPS控制网。靠椅山隧道控制网由14个点组成，网中最短边长为100.842m，最大边长为3597.4m，平均边长为1104.848m。采用Wild 200 GPS接收机进行静态观测，观测时间为20～50min，采样率为10s，共观测了29条基线向量。经过平差处理，网中最弱边相对精度为1/60106，最高相对精度达1/137万；最弱点位中误差为±0.83cm。在贯通面上贯通误差左、右线分别为±0.707cm和±0.693cm。通过实施GPS测量可看出：GPS测量灵活、方便，能大大节省人力、物力、减少野外砍伐工作量，减少一些不必要的过渡点；具有极高的精度，它完全能达到《公路勘察规程》对隧道测量的要求；较红外仪导线测量，可提高效率4～5倍。 

4、RS技术在公路勘察设计中的应用

遥感（Remote Sensing）的含义就是“遥远感知事物”,亦即不与物体直接接触,便能得知物体的属性等情况。是指人们使用各种遥感器,不直接接触研究对象,感测对象的特征(一般是电磁波的反射或发射辐射) ,经过传输、处理,提取必要信息等过程。实现这个过程的各种技术手段的总称称为遥感技术。遥感技术是通过不同遥感传感器来获取所摄目标的影像，然后进行处理、分析，最后获得各种几何和属性信息的科学技术。其系统由遥感平台、遥感仪器、图像接收处理和分析判读四部分组成。现代遥感技术的发展主要表现在他的多传感器、高分辨率和多时相特征，其获得的信息也越来越丰富，能真实地反映地形、地貌、地表岩性、地质构造和不良地质等内容。

4.1公路工程地质勘测中的遥感图像处理

遥感图像处理系统是对从遥感器获取的数据进行管理和分析处理,从中提取有用信息的设备、方法和技术的总称。随着遥感技术的发展,获取地球环境信息的手段越来越多,信息越来越丰富,人工处理遥感资料的方法已远不能满足对大量信息处理的需要。采用计算机对遥感图像及其资料进行的各种技术处理,是促使大量的遥感信息进入自动识别和自动处理成图阶段的唯一途径。遥感图像处理系统的应用,使遥感工程地质解译方法由单一的目视解译扩展到计算机解译,它改变了以往凭解译人员经验,靠人脑对影像进行对比和综合分析,应用手工操作将解译线条贴于影像图上的工作方法。计算机图像处理,为公路工程地质解译提供了准确可靠的信息来源。遥感图像数据是最原始的数据,如TM、MSS、SPOT 卫星遥感图像数据和各类航空像片是从这些原始数据上我们还不能得到我们所需要的资料,还必须经过图像处理系统的处理,将原始数据转换为数字图像,并经过坐标配准来统一地物、地貌的地理坐标和空间位置,使同名地物能够在新产生的复合图像上其地理坐标、空间位置与几何形态吻合起来。与此同时,还必须根据地面实际情况或地形资料,使参加复合的各种数据得以配准。从复合处理得到的各种资料中提取有关的地学信息,根据所提取的信息资料,对于那些对路线危害较大的不良地质路段以及在解译过程中有疑问路段,必须到实地进行充分的野外调查验证。在各类数据配准以后,即可生成遥感影像地质平面图,还可利用地学资料中钻探、物探、坑探等数据在重大构造物地段进行切剖,制作地下三维模型显示。经过以上几步处理,我们就可从遥感图片上判释地形、地貌,给路线选线及设计阶段使用。

4.2遥感判释在公路工程地质勘测中的应用

遥感图像是地表地物及地质体的综合缩影,是地形地貌、地表岩性、地质构造和不良工程地质现象的真实反映,又是一幅实际材料丰富的影像地质图。充分提取遥感图像丰富的地质信息,结合必要的野外工作,可以满足线路选线对工程地质及灾害地质研究的要求。为了最大限度的提取图像的有用信息,有效地发挥遥感图像宏观、真实、现实性的特点,适应公路工程地质调查的需要,首先必须合理的选取图像资料,确保图像质量,提高图像的可解译程度。在公路测设过程中,应用遥感资料,主要目的是从宏观和超宏观方面分析区域地质、地貌特征,从而综合评价区域工程地质条件的稳定程度,为路线方案比选提供可靠的科学依据。依据遥感图像所反映的情况可以帮助我们全面合理地定设路线。总体来说,遥感判释在公路勘测中的应用主要有以下几个方面:

(1) 重点工程的布局。路线走向选择中最主要的问题是沿线的重点工程布局是否合理,各类重点工程的区域地质条件是否稳定。如果某些重点工程布置在地质构造的薄弱环节,一旦公路建成通车后将会给运输带来无穷的后患。遥感图像能为我们提供宏观的区域地质特征,如断裂构造的展布格局、活动构造和不稳定程度、构造薄弱带的分布规律等,从而使我们在进行公路勘测过程中,能够合理的考虑重点工程的布局问题。

(2) 判释区域地质构造薄弱环节。区域地质构造薄弱环节是那些区域地质构造不稳定的部位如岩体的碎裂地段、断层的破碎带及Φ 形构造的薄弱环节。他们在卫星像片上都有比较明显的反映。我们可以凭借这些特征判定以利于我们选线。尤其是当地形陡峻或受河流冲刷时,碎裂地带更增加了不稳定因素,在选线过程中应尽量避开这些不稳定地段。当路线穿越活动的断裂带时,应选择相对稳定的地段通过。因为即使活动断裂,也并非整个断裂带活动的程度是相同的,其中有些活动剧烈,而有些地段相对活动不那么剧烈。这就需要从遥感图像的宏观影像上去寻找那些相对稳定的地段。而且在路线测设过程中,重点工程也决不能布置在Φ 形环状构造的断裂带上及环状构造的周边上,因为这些部位均为不稳定部位。

(3) 借助遥感图片对长隧道、大桥的区域进行稳定评价。在公路勘测选线过程中,对于长隧道、大桥的重点工程,应特别注意工程的区域稳定情况。对于隧道工程除了查明一般工程地质、水文地质条件外,尚应特别注意宏观的区域地质构造问题。如有的断裂带往往延伸到隧道附近即行隐伏,断裂构造被表土掩盖而不易查明。这将会对隧道的稳定造成一定的影响,甚至会给施工及营运阶段留下许多隐患。此外,在进行公路勘测过程中,深埋隧道的岩爆问题往往难以查明。在以往采用地面方法进行地质测绘时,只能依据隧道的埋深、岩体的自重,对可能发生的岩爆情况给予粗略的估计。而应用遥感图像的宏观特征,分析区域地质构造的展布格局,则能对岩爆的预测提供比较科学的依据。桥址的选择是以往公路勘测中较为困难的问题。尤其是平原、丘陵地区,沿河流域大都为第四系堆积层所覆盖,给桥址稳定的确切评价带来了一定的困难。而应用遥感图像的宏观特征,为桥址的选择提供了许多新的途径。一条较大的河流及其分支系统,在遥感图像上不仅记录了它的形态特征,而且记录了一些地面上不易发现的历史演变形迹。在遥感图像上,不仅可分析水系与构造、水系与地貌、水系与岩类之间的相互关系,而且还可从线性构造、环形构造方面进行综合研究,从而选择稳定的桥址位置。

(4) 判释平原地区的隐伏构造。在以往工程地质测绘过程中,在裸露的基岩地区,由于其构造形迹保留较为完整,因而常能引起调查者的重视,测绘工作也做的比较详细;而在平原地区,由于第四系堆积层掩盖了地质构造的形迹,则不易查明覆盖层下部的地质构造情况。这是传统的工程地质勘测难以解决的问题。而应用遥感图像,通过宏观影像的判释,可从测区范围外的山区将地质构造引申过来,从而可对工程的稳定条件提供可靠的依据。有时还可应用地质力学构造体系配套的方法,分析重点工程的稳定情况。

5、GIS技术在公路勘察设计中的应用

GIS就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统，它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息；而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等；还能查询、检索、修改、输出、更新等。地理信息系统还有一个特殊的“可视化”功能，就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时还能在屏幕上动态地监测“信息”的变化。总之，地理信息系统具有数据输入、预处理功能、数据编辑功能、数据存储与管理功能、数据查询与检索功能、数据分析功能、数据显示与结果输出功能、数据更新功能等。通俗地讲，地理信息系统是信息的“大管家”。地理信息系统一般由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型图形用户界面及系统人员组成。地理信息系统技术现已在资源调查、数据库建设与管理、土地利用及其适宜性评价、区域规划、生态规划、作物估产、灾害监测与预报、精确农业等方面得到广泛应用。

公路项目前期决策中(可行性研究阶段)，应用GIS建立的不同尺度的空间数据库和决策支持系统，可以向项目规划人员提供多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策，通过对公路走廊带内的人文经济、自然资源、水土保持、环境敏感点等多种信息进行管理和分析，从而掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，为公路设计的决策提供依据。

6、3S集成技术是公路勘察设计的先进技术平台和手段

3s技术在空间信息管理上各具特色，均可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缺点。RS技术是当今空间信息获取和更新的一个非常重要的手段和工具，有着范围广、速度快、信息广的特点，能快速获取详细的地理信息，但无法获取地物的空间位置信息；GPS可以迅速对目标进行定位，但却无法得到目标的地理属性信息，GIS具有信息存储、组织、分析信息的能力，但没有获取信息的能力，因此他们三者的结合是当代信息技术发展的必然趋势，3 s技术的集成构成了对空间数据实时进行采集、更新、处理、分析及为各种实际应用提供科学的决策咨询的强大技术体系，也为公路勘察设计提供了先进的技术平台和手段。通过3 s集成技术可以对地上、地下、三维空间环境加以分析、模拟，综合考虑沿线的地质、地形、气候、水文分布、生态环境敏感点、工程造价、运营成本等因素，实现公路设计方案的最优化，并可以大幅度降低工程建设费用和勘察设计费用，缩短勘察设计周期。目前3 s集成技术在公路勘察设计中的应用，国内几个综合实力比较强的公路设计院走在这方面的前沿，借助于部省科研项目，做了比较全面的系统研究，取得了一些成果，但还没有在全国大范围推广，中小设计院则主要在GPS和RS应用方面投入的比较多，GIS基本处于试验研究阶段。

6．1 以GIS为基础平台

如前所述GIS的优点在于信息的存储、组织和分析，而公路勘察设计正是需要在大量调查地形、地貌、社会、经济、气象、生态等信息的基础上，进行综合判断、取舍，从而得出相应的决策，在以3 s技术为平台的公路勘察设计体系中，对GIS平台有较高的要求，需要着重解决好数据标准化、平台网络化、决策智能化等三个方面的问题。

6．2 以RS+GPS为空间信息的采集端

RS+GPS的数据采集方式，可以将获取的地形、地貌信息与三维坐标结合起来，为GIS提供可靠的空间数据信息，在此基础上可以制作三维数字地面模型(DEM)和各种地形图，大大简化了传统地形测量的过程，减轻了劳动强度、提高了效率。基于GIS平台可将三维数字地面模型(DEM)与相应的遥感影像图进行叠加，可以生成真实地形模型，再通过智能专家系统进行地理条件分析，是优化路线方案的现代技术，对优化路线方案，提高设计质量和加快设计进度有很大的作用，是当前实现公路勘察设计智能化的方向。

7 结语

利用3s技术可以全面掌握公路走廊带内的地形、地貌、地质构造等各种因素，为公路勘察设计的前期规划(预可阶段)、工可研究及后续的详细设计阶段提供技术平台和决策支持，对提高决策水平和设计质量、优化设计方案、节约投资成本都会起到关键的作用。通过3s集成技术和常规勘察设计技术的紧密结合，使公路勘察设计实现内外业一体化、自动化、设计方案最优化成为可能。

参 考 文 献

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