数字化道路勘测生产实习基地体系的建立与应用

来源 :中国电力教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:colinvin
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  摘要:利用水准仪、全站仪、GPS等先进的测量工具高精度地采集地形、地物、地貌等基础数据,应用路线设计软件CARD/1建立测区的数字地面模型,完成路线平、纵、横的优化设计,二次开发行驶模程序,实现了设计路线的三维显示、行驶模拟和路线设计指标实时查询功能。实现道路勘测生产实习基地的数字化建设,对提高学生生产实习的质量和提高实践教学水平具有重要的意义。
  关键词:道路勘测;生产实习;CARD/1;三维效果
  作者简介:王龙(1968-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,副教授;解晓光(1975-),女,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,副教授。(黑龙江 哈尔滨 150090)
  基金项目:本文系教育部高等学校特色专业建设项目、黑龙江省高等教育教学改革工程项目的研究成果。
  中图分类号:G642.44     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)13-0116-02
  
  一、建立数字化道路勘测生产实习基地体系的目的与意义
  道路勘测生产实习是道桥以及交通工程专业学生在野外实习基地进行的一次实践性极强的实习任务。通过实习,学生们可以将所学的理论知识与实际生产很好地结合起来,同时学习并掌握公路勘测设计的全过程。但是传统的实习操作方法存在很多不足,因生产实习基地缺少基础数据,致使手工计算工作量大,计算结果精度相对较低,严重影响了道路勘测生产实习的质量。数字化道路勘测生产实习基地是指对生产实习基地进行平面控制和高程控制测量,以此为基础,高精度地采集地貌和地物的数据,应用相应的地理信息软件,建立测区的数字地面模型;采用道路路线计算机辅助设计软件系统,对测区内可能的路线进行优化选线,提出最优方案,并借助设计软件完成最优方案的平、纵、横等的设计,建成数字化生产实习基地。借助数字化勘测实习基地,在外业踏勘之前,学生可以通过数字地面模型了解测区的地形、地貌特征,教师可以通过数字地图讲解选线的原则、方法,使学生初步掌握其过程;在野外数据采集过程中,指导教师可以通过数据点的平面位置,通过数模检查学生野外数据采集的精度;通过学生路线偏离最优路线的程度来评价各组的实习成果的质量等等。解决道路勘测设计传统方法的难点,提高实习质量,形成具有时代特色的现代化实践成果。
  二、数字化道路勘测生产实习基地建立方法
  针对道路勘测生产实习基地条件落后以及对现代化勘测技术应用落后的现状,拟订的主要研究内容是建设数字化道路勘测生产实习教学基地,并在数字化基地模型的基础上完成路线的优化设计与教学示范。主要研究内容与方法包括四部分。
  第一部分:实习基地地形基础数据采集。利用先进的测量仪器设备(如DS3水准仪、全站仪、GPS等)到现场完成,主要包括生产实习基地的平面控制网建设、高程控制网建设、地形图测绘,属外业工作。
  第二部分:实习基地数字地面模型的建立。将采集的相关数据,主要是数字地形图以及其高程系统的数据导入计算机进行设计,利用CARD/1数模设计功能模块建立测区的三角网,实现实习基地数字地面模型的建立与数字地面模型的三维空间显示。
  第三部分:路线优化设计。借助数字地面模型,利用CARD/1道路设计软件在数字地面模型上进行路线优化设计,形成三条基于不同规则设计的规范的线路:一是基于旧路拟合指标(设计思想是按设计路线的路中线偏离旧路中线小于50cm进行控制)设计的线路;二是完全基于三级公路规范指标设计的线路,路线所有指标源于《公路路线设计规范》;三是主要基于通视条件并且兼顾设计指标的线路,此条线路主要考虑的是真正实习的时候设计的主要限制因素就是通视条件,所以参照以往实习的设计成品形成了这样一条规范线路。以上三条线路均是利用CARD/1软件完成轴线、纵断面、横断面以及土石方的设计工作。
  第四部分:借助数字化地面模型以及路线设计成果,应用CARD/1软件的行驶模拟功能模块实现实习基地三维数据显示与查询。
  三、实习基地野外数据采集
  实习基地的基础地形数据包括平面控制数据、高程控制数据和地形数据。
  1.实习基地GPS平面控制测量
  平面控制测量是指在测区内,按测量任务所要求的精度测定一系列控制点的平面位置,建立起平面控制网,作为各种测量的基础。采用静态GPS进行观测,利用南方测绘公司的专业软件进行解算,建立GPS平面控制网,精度满足四级要求;通过平差技术,推算数据,埋设永久性点位,作为学生生产实习的平面起算点和附合点。
  (1)平面控制网的布设。平面控制测量根据国标《公路全球定位系统(GPS)测量规范》要求,按四级标准进行控制。共设13个控制点,点位均在视野开阔并且无其他设备干扰信号接收的区域内,此次应用的是南方测绘的专业结算软件,采用单基线解算方案,每条基线的方差按大于3控制,不满足要求的也要进行补测。在基线向量解算符合要求后,将GPS网进行平差,平差结果应包括相应坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线边长、方位、转换参数及其相应的精度。此测区测量共设13站,28条基线,测区平面控制网图如图1所示。
  (2)GPS控制测量技术成果。采用南方测绘公司的GPS数据处理软件进行测量数据平差计算以及坐标转换,再对点位精度进行评定,精度不满足要求的点位也要进行补测。生产实习基地测区内所布的四级GPS控制网成果如表1所示。
  2.基地高程控制网的建设
  高程控制网建设的主要目的是在测区使用水准仪与已知水准控制点进行联测,建立测区水准控制网,精度按四等水准测量要求进行控制,水准路线沿原有旧路路线布设,水准点均在路线两侧50m范围之内,埋设永久性水泥混凝土桩点位,作为学生生产实习的高程起算点和附合点。线路采用闭合水准路线进行测量。方法为双仪高法,每测站按两次高差不大于6mm控制,全线闭合差容许值为(其中n为测站数)。此实习线路共设10个水准点,表2为水准控制测量成果。
  3.实习基地基础数据采集与地形数字化
  数字化成图是对成图对象信息的获取、加工、传输、系统分析、图形显示与存储的技术手段和方法。其主要生产过程为数据采集、数据处理、图形编辑和图形输出,具体可用下面流程表示:控制测量→(控制点布设、控制点测量、控制点平差)→碎步测量→内业成图→精度分析。目前国内使用较多的测图软件是南方CASS软件。
  野外地形数据采集。为满足道路勘测实习精度要求,需要实测比例尺为1:1000、等高距为2m的带状地形图,测区长约2.3km、宽约0.85km。地物主要为山岭微丘区,地物包括房屋、河流、涵洞、水渠、树林等。以GPS平面控制为基础,采用全站仪进行图根导线的布设,采用电子平板进行地形、地物碎步点测量。
  4.实习基地的地形数字化建设
  数字地面模型(Digital Terrain Model,简称DTM或数模)是一种按照某种数学模型表达地形特征的专用数据库,主要由地形点的三维坐标X、Y、Z组成。数字地面模型是道路计算机辅助勘测设计的基础,只有建立在数字地面模型基础上的道路计算机辅助设计系统才是真正意义上的道路CAD系统。道路设计中常用的数字地面模型依据构网形式分为三角网式数模、方格网式数模、扇形网式数模、鱼骨网式数模等。CARD/1系统建立的是三角网式数模。三角网式数模是由许多平面三角形逼近地形表面来表征地形特征的,即将地形表面看成是由许多微小三角形平面所组成的折面。它在道路工程中被广泛用于模拟地球自然表面地形,这种三角网地面模型有许多优点。例如:不改变原始数据点、精度高、易于处理地形特征线等。建立三角网地面模型的基本思想是以离散的测量控制点为顶点,构造不交叉不重复的平面三角形来逼近地表曲面,当测量控制点的分布合理且达到适当的密度时,可以很好地表述地面。首先将测区实测的地形图导入CARD/1项目中,建立控制表(一般包括图层表、图块表、线型表),将DWG格式的图形信息读入CARD/1中,另存为地形数据即可。但是图形中的符号信息不能完全正确显示,因此在建模之前要先建立本图形的符号库。地形图数据储存到CARD/1之后便可以进行数字地面模型的建立了。本次建模所形成的三角网共有216个线连接和1295个点连接,图2为实习基地地形三角构网,图3为实习基地三维地形。(说明:CARD/1空间视图的颜色是按高程显示的,按蓝→绿→棕→白的顺序高程递增。)
  四、标准路线设计与成果应用
  在已经完成的数字地图上进行标准路线的优化设计,完成测区实习路线的平、纵、横以及土石方设计工作,以此路线为标准用于评价学生设计路线的质量,对学生的实习质量具有一定的评价作用。实习基地的标准设计路线基于三种不同的设计原则,一是基于旧路拟合原则,主要考虑利用原有路基,节约工程造价;二是基于三级公路规范指标原则,主要是使熟悉规范的要求,设计出满足技术要求的路线;三是基于通视条件设计原则,本设计方案主要是考虑学生实习的时间为每年的9月,由于旧路比较窄,而且两侧多树木和农田,枝叶繁茂,通视条件受限制,所以导线点的位置就是基于通视条件设定的并且为路线设计的主要限制因素。
  1.基于旧路拟合的路线设计方案
  基于旧路拟合的路线设计方案主要按设计线路的路中线偏离旧路中线小于50cm进行控制,在满足此条件的前提下尽量提高路线的设计指标。由于旧路比较窄而且多弯,所以按此方案设计出的线路具有导线单元多而繁杂、设计指标差等缺点。但是,它却很好地利用了旧路,对于旧路改造具有重要的指导意义。该轴线共有52个导线点,对应51个平曲线单元,路线全长1923.285m。圆曲线最小半径只有5m,最小长度仅6m,其中共有12个单元在长度或半径方面不满足规范指标要求。但是路线的全部单元的位置设计均满足与旧路偏差小于50cm,符合基于旧路拟合设计的控制要求。图4为在实习基地按旧路拟合设计的平面图,在纵断面方面,则是按照三级公路的规范设计指标进行设计,此纵断面设计线中共有7个变坡点、4个高程控制点。最大纵坡是公路线形设计控制的一项重要指标,它直接影响到路线的长短、使用性能、行车安全以及运输成本和工程造价;最小纵坡是为排水而规定的最小值。由于该路段经过垭口,故而在垭口处纵坡较大,为极限坡度7%,满足设计速度为40km/h时对应的7%的最大纵坡要求;最小坡度为1.7%,满足排水最小纵坡0.3%的要求。此条设计路线的最大坡长长度为512m,满足规范上纵坡为最大坡长700m的要求。最小坡长为270m,满足规范上最小坡长为120m的要求。此路线竖曲线最小半径为2000m,满足规定的竖曲线一般最小半径为700m的要求;竖曲线最小长度为49.50m,满足规范规定的35m的要求。除垭口外,其他竖曲线的纵坡均较小,其各项指标也均满足规范要求。图5为纵断面图。
  此外,根据路线两侧的地形特点,在较大汇水区处设置了涵洞,小的汇水区则直接排至边沟;路线中有一处经长年冲蚀形成可一条小河,在此处考虑设置了一座小桥。所以其主要构造物包括3个涵洞和1座小桥,也是此路线纵断面设计时的4个高程控制点,具体信息如表3所示。
  关于横断面设计方面,也是严格按照三级公路的规范标准控制,由0.75m的土路肩和7m的行车道组成,同时满足超高和加宽的要求。路拱设置为行车道2%,土路肩3%,既要考虑路面排水的要求,也要兼顾行车舒适安全的要求。
  2.路线三维展示应用
  以往的平、纵、横设计完成以后无法形成路线的三维空间展示,只有工程完工以后才能看到完整的设计成果,利用CARD/1提供了一个形式模拟开发平台,学生和实习指导教师可以采用三维动画行驶模拟能动态的查看设计成果,发现错误或不合理的设计指标,进行数据修改后只需要重新生成平、纵、横数据即可;如空间视距的安全性检查在二维状态下是无法完成的,在设计工作中用该行驶模拟进行视距、平纵配合的检查和线行的优劣评价,使公路的设计更加人性化,更加安全,学生在实习中应用程序的这些功能更激发了学习热情和成就感。
  五、总结
  针对当前道路勘测生产实习基地使用状况的不足,建设数字化道路勘测生产实习基地并提出三个标准路线设计原则,并设计标准路线,以提高学生实习质量和教师的指导效率,主要完成了以下成果:利用先进的测量仪器完成了实习基地基础数据的采集,借助计算机技术完成了包括基地平面控制网、高程控制网以及地形图的测绘工作;进行了测区的三角网设计,建立了基于三角网的数字地面模型;根据实习的需要,在数字地形图上完成了不同设计准则下的路线优化设计,应用道路行驶模拟功能模块可以实时实现道路路线设计质量的评价。
  
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  (责任编辑:苏宇嵬)
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