[建筑]分析将现代测绘技术应用于线路工程设计系统中对变革线路工程设计手段的意义及作用.doc

分析将现代测绘技术应用于线路工程设计系统中，对变革线路工程设计手段的意义及作用1 遥感技术在铁路勘测中的作用中国地域辽阔，地形、地质条件复杂多样，是世界上地质灾害类型多样、发育最为严重的国家之一。在铁路建设中，地质工作十分重要，其根本目的是发现可能对铁路工程产生危害的各种地质灾害(各类不良地质和特殊岩土)，查明其类型、性质、规模、特征，预测其对工程的危害方式和程度，进而提出防治措施。遥感技术是实现上述目的重要手段之一。1.1 应用实例1.1.1 可行性研究阶段的应用(1)赣州至龙岩线可行性研究工作中，针对龙岩至瑞金段具有多方案比选的越岭地段，在6 000 km。区域进行了遥感工程地质勘测，内容涉及地层岩组、地质构造、不良地质、活动断裂、花岗岩风化、煤窑采空区、边坡稳定性等工程地质的各个方面，对主要工程可能存在的地质问题及存在地质问题的主要地段进行了评述，发现与线路方案有关的断裂构造就有85条。(2)川渝东通道可行性研究工作中，针对万县枝城、重庆石门、重庆怀化三条线路方案，选取其中地形地质条件复杂的地段开展了遥感地质勘测，面积达l5 000 km ，在线路两侧各5 km 范围内共发现斜坡不良地质444处、泥石流沟32条、各类岩溶现象4 376处、暗河127条，基本查明了三条线的岩溶、不良地质、顺层边坡、断裂构造、煤系地层等工程地质问题的宏观分布特征，及其可能对铁路工程的影响。1.1.2 在初测(加深地质工作)中的应用(1)宁西线越秦岭地区初测加深地质工作中，对线路越秦岭地区(含山前展线地区)的北起渭南，南至杨斜镇，西起西安东至商州的约4 500 km 区域，开展了遥感工程地质、水文地质勘测。系统查明了测区不良地质的分布、发育规律和成因类型；新发现滑坡(群)、崩塌463处，泥石流沟27条，其中与线路方案直接有关的滑坡、崩塌40处，泥石流沟13条；新发现长度大于3 km 的断裂构造53条，其中与线路方案有关的21条，并对19条较大规模的断裂就其破碎带宽度、构造岩特征、富水性和活动性进行了详细评价；进行了工程地质岩组的划分和水文地质分带；对影响线路方案的滑坡及边坡稳定性问题、断裂破碎带问题、软弱岩层问题、石灰岩带岩溶突水问题及主要断裂的地震活动性进行了评述；为线路方案的比选提供了较全面的地质资料和地质比选意见。(2)内昆线天星场至仙水段初测加深地质工作中，采用遥感技术对可能涉及越岭方案比选的洛泽河、大关河、洒渔河3 300 km 的区域，进行了工程地质和水文地质勘测，编制了工程地质遥感判释图、煤系地层分布图和岩溶分布图。判释发现了30余条断裂构造，滑坡、崩塌、泥石流沟533处；分析了不良地质的分布规律及其与岩性和地质构造的关系；提出了易产生滑坡的5个岩组及泥石流的发育特征；查明了5个地质时代煤系地层的分布规律，分析了其可能对铁路工程的危害性；发现了9 064处岩溶漏斗、落水洞、岩溶洼地等各种岩溶点，并分析了岩溶发育规律；发现了4条工程活动断裂和两条一般活动断裂，并探讨了其与地震活动的相关性；基于遥感地质资料的分析，提出了线路方案的比选意见及地质勘探工作的建议。1.1.3 在勘测设计后期的应用(1)在南昆铁路的施工阶段，针对部分工点(段)的主要工程地质问题开展了遥感地质勘测工作。主要有：南盘江八渡桥桥位探大断裂问题、兴义至威舍段岩溶工程危害性问题、家竹箐隧道水文地质条件、上西铺大桥上游段家河流域泥石流危害性、犀牛唐隧道进口至康牛隧道出口段斜坡稳定性分析等。这些遥感勘测成果提交有关施工单位使用。之后，为了验证这些遥感勘测成果，到现场进行了调查和回访，其结果是：遥感地质勘测提供的l5个工点的勘测成果中，有11个经施工验证是正确的，2个尚未开挖，2个工点的勘测成果与实际情况不符。(2)鉴于西安至安康线横穿秦峙，之后沉乾佑河、旬河、汉江展布，地形、地质条件十分复杂在技术设计完成后，对秦岭隧道及其以南地区进行了遥感地质勘测，在营盘至安康段180 km线路两侧各5 km 范围内，共查明断裂构造68条、滑坡742个、崩塌67个、岩堆23个、错落17个、溘坍l2处、泥石流沟54条、岩溶洞穴8个；归纳了93处(段)可能存在的主要工程地质问题，并提出了工程措施建议；对主要隧道的工程地质条件及存在的主要工程地质同题进行了较详细的评述，发现并分析了杜家沟、梁家沟、高家沟三条泥石流沟对铁路桥涵工程的影响并提出了工程措施建议；从方便施工和水土保持出发，对地形困难的主要隧道提出了7处供选择的弃碴场地，为保证施工安全，对41处可能的施工场地进行了地质环境分析，并提出了灾害防范建议。1.2 遥感地质勘测的作用地质现象的多因素性和复杂性决定了工程地质勘测必须在手段上采取综合勘探的方法。遥感技术为地质测绘提供了全新的手段，其宏观性、直观性和综合性是其他任何地面测绘所达不到的。铁路工程地质勘测中，遥感勘测的作用是其他手段所不能替代的，它是铁路工程地质勘测不可或缺的手段之一。其作用可归纳如下：1.2.1 弥补区域地质资料的不足利用既有区域地质资料进行工程地质测绘存在资料老化、比例尺过小、工程地质内容缺乏（如不良地质、特殊岩土）以及资料不齐全等问题，这使得铁路工程地质测绘工作带有很大的盲目性，影响测绘质量是在所难免的。开展遥感勘测，特别是在前期工作中，可以很好的弥补这些不足。(1)各类不良地质是铁路工程地质勘测的最核心内容之一，遥感技术在发现各种不良地质现象方面是最为有效的。包括属于斜坡应力的滑坡、崩塌、溜坍、岩堆等；属于流水应力的泥石流、河岸冲刷、坡面冲蚀等；溶蚀营力的岩溶漏斗、落水洞、暗河、溶蚀洼地等；风沙营力的各种沙丘以及人工开挖的矿山采空区、小煤窑等。在以上列举的几条线的遥感勘测中，均发现几百、几千处各种不良地质现象，内昆线仅岩溶漏斗、落水洞和岩溶洼地就发现9000多处。不采用遥感技术，就不可能全面揭示这些不良地质，难免对铁路施工和运营留下隐患。(2)通过遥感勘测不仅可以大量修 既有资料上已经反映的断裂构造，包括位置、长度、规模、性质，查明断裂和线路方案的确切关系，还会发现许多新的断裂；并可结合铁路工程地质勘测的要求，对较大规模的断裂就其破碎带宽度 构造岩特征、富水性及活动性等工程地质特征进行分析评价。(3)在区域地质资料的基础上，对各出露地层、岩性进行界限修测，结合其工程地质特征划分工程地质岩组，分析其风化特征，并区分煤系地层、碳酸岩带等特殊工程地质岩组；进行水文地质分区，分析水文地质条件。1.2.2 弥补地面测绘的局限这方面的作用主要体现在前期工作中没有系统进行遥感勘测工作，在勘测设计后期补充进行遥感地质勘测的情况 由于既有资料的不足和地面测绘受视野的局限，在地质条件复杂地区，在地表覆盖较严重的情况下，某些地质现象的遗漏是难免的，在需要的地段补充进行遥感勘测，可以使地质工作更加完善，避免疏漏。1.2.3 查明主要地质问题，稳定线路方案 在勘测设计前期开展遥感勘测，由于在较大的区域内获得了较为全面的工程地质信息，可以从宏观上发现测区的主要工程地质、水文地质问题，工程地质问题严重的地段，以及铁路主要工程(桥梁、隧道等)存在的主要工程地质问题，局部线路比较方案工程地质条件的优劣，为方案的选择提供比较可靠的地质依据和比选意见，稳定线路方案。这对于选线正确决策，避免重大失误，提高勘测设计质量，具有重要作用。1.2.4 指导地面勘测，提高勘探效益在勘测设计前期开展遥感工程地质勘测，由于从宏观上已经查明了铁路线路方案存在的主要工程地质问题以及沿线的基本工程地质特征，主要地质现象对铁路工程的影响，从而对大比例尺地面测绘起到指导作用，作到有的放矢，突出重点；通过遥感分析和地面测绘相结合，可以指导工程物探、勘探工作，科学合理地布置勘探，避免盲目钻探，提高勘测质量和效益 在地质测绘阶段，遥感地质调查可以起到龙头的作用。1.2.5 加快勘测速度，提高勘测质量在铁路勘测设计工作中尤其是前期工作中，相对于其他专业，地质专业往往滞后和被动。这一方面是因为地质问题因素复杂且具有多解性、专业工序多、内容复杂、工作量大；另一方面大量的时间和力量用在了基础资料的获取及一般性地质测绘工作上，削弱了对与工程有关的重要地质问题的研究 开展遥感勘测，可以在极短的时间内获取测区全面的基础地质资料，发现对工程有影响的主要的和重大的地质问题，从而保证有充裕的时间集中研究主要的地质问题，保证工作进度和质量。1.3 遥感地质勘测应用模式1.3.1 可行性研究阶段在可行性研究阶段大范围内全面开展遥感地质勘测工作，勘测成果作为线路方案的地质依据。主要工作内容是搜集卫星数据和小比例尺(1：20 00050 000)航空像片，进行遥感数据处理和航天航空遥感资料工程地质遥感判释，在搜集和研究已有区测资料的基础上，通过重点外业验证，编制工程地质遥感判释图。主要提供成果包括：卫星影像图(1：100 000200 000)、工程地质遥感判释图(1：50 000)、工程地质遥感勘测报告1.3.2 初测（加深地质工作）阶段对于地形地质条件复杂地段，在可行性研究阶段遥感地质工作的基础上，利用初测阶段摄影的大比例尺航空像片和测绘的地形图进行遥感工程地质和水文地质判释，编制工程地质遥感判释图(1：10 000或l：2 0005 000)，需要时针对主要工程地质问题(如岩溶、煤系地层等)编制遥感判断专题图，遥感工程地质勘测报告。在可行性研究阶段没有系统进行遥感地质勘测的情况下，应该在初测前或加深地质工作中补充开展遥感地质勘测，其工作深度应比可行性研究阶段适当加深。1.3.3 勘测设计后期在铁路勘测设计的后期开展遥感地质勘测应该是一种比较特殊的情况，或者是在以前的勘测设计过程中没有系统进行过遥感地质勘测而地质条件叉特别复杂，或者是线路方案有新的变动，拟或有特殊情况下的需要 这个阶段遥感地质工作，一般围绕工点展开，使用的遥感资料主要以大比例尺航空像片为主，根据需要提交工点判断图(1：2 0005 000)及判断说明。1.4 小结遥感技术尚处在快速发展的阶段，尤其是航天遥感技术发展迅速，它是和航天技术、通讯技术 及计算机技术紧密相联系的。主要体现在两个方面：一是遥感资料的类型越来越多，遥感资料的分辨率超来越高，有多光谱扫描数据、全色扫描数据 雷达数据、光学成像资料等等，目前市场上可提供的遥感数据分辨率高达l m；二是遥感数据的处理能力越来越强，随着计算机技术的飞速发展，对于大量的遥感数据的存贮、运算、分析应用能力不断增强，尤其是地理信息系统技术和多媒体技术的发展，为遥感数据的应用提供了广阔的前景。遥感技术本身的发展，将带动铁路遥感勘测工作从经验性定性判释逐步向半定量、定量化的人工辅助自动化判释发展，使其成为实现铁路勘测设计一体化、智能化的重要手段。2 遥感技术在铁路勘察选线中的应用现代遥感史以2O世纪6O年代末人类首次登上月球为重要里程碑，随后美国宇航局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和其他一些国家，如加拿大、日本、印度和中国先后建立了各自的遥感系统。所有这些系统已提供了大量从太空向地球观测而获取的有价值数据和图片。随着计算机技术、通讯技术、数字化技术和传感器技术的进步，卫星遥感技术水平已经得到很大提高，目前，这一技术正朝着高精度、多光谱、高时空分辨率方向发展。1972年美国发射了第一颗地球资源技术卫星(ERTS1)，标志着地球遥感新时代的开始。1972年以后，美国发射了一系列陆地卫星，包括陆地卫星1号至7号，所携带的传感器由4波段的多光谱扫描仪(MSS，分辨率为80m)发展到2O世纪8O年代初投入使用的专题制图仪(TM，7个波段，分辨率除第6波段的120m外，其余皆为30m)，再到1999年4月发射升空的陆地卫星7号所搭载的增强型专题制图仪ETM+(增加了分辨率为15m的全色波段)。法国从1986年2月发射第一颗SPOT地球观测卫星起，到目前已发射了5颗SPOT卫星。SPOT卫星上搭载了两台相同的高分辨率遥感器，遥感器使用了CCD线性阵列探测器和堆扫式技术，提高了SPOT影像的质量。SPOT图像具有两个突出特点：第一，具有较高的地面分辨率，SPOT5全色图像的地面分辨率为2.5m，多光谱波段地面分辨率为10 113；第二，可以同时利用两个线性阵列探测器分别从不同角度对目标地物观测，获取同一地物的立体图像。印度发射的IRS卫星上载有6.25m分辨率的全色波段。1999年，美国开始向全球提供分辨率为1m、用于民用的IKONOS卫星资料，清晰度可以和航空摄影照片媲美，使得高清晰度遥感解译成为可能。2.1 系统介绍ERDAS公司是世界一流的遥感图像处理和遥感与GIS集成软件提供商，其旗舰产品ERDAS IMAGINE系统可以处理的遥感图像包括卫星图片(IKONOS、Landsat和SPOT等)、航测图片和雷达图片。ERDASIMAGINE集成了矢量数据处理模块，使用的是ESRI公司的Coverage矢量数据模型，可直接显示、查询、编辑矢量数据及相应的属性数据，支持对矢量的空间分析和从栅格到矢量的转换。同时ERDAS IMAGINE提供数量丰富的扩展模块，有Vector(矢量数据处理)、Radar(雷达影像数据)、Virtual GIS(虚拟三维现实)及OrthoBASE(正射影像纠正)等。各个模块的功能如表1所示。表1 ERDAS IMAGINE8.7各模块的功能2.2 技术流程遥感技术在铁路勘察选线中技术流程的设计思想是充分利用现有条件、现有资料的可获取性及其时空代表性，通过全面、客观而科学的分析和计算方法，尽可能应用已有基础地质和工程地质资料，充分发挥卫星图像宏观逼真、动态、多波段特征和工程地质信息的优势，利用遥感图像处理软件解译、增强卫星影像，根据遥感影像所反映出来的纹理、色调、图形、图案，判释区域内地层、岩性、地质构造、不良地质等现象。主要包括遥感图像处理、地学信息提取、野外调查验证、线路方案比选修改等。技术流程如图1所示。图1 遥感图像处理生产作业流程2.3 技术路线及相应过程2.3.1 遥感信息源和相关资料本次研究采用了大量资料：卫星遥感信息源采用美国陆地资源卫星Landsat7号ETM+数据，采集时间为2000年7月；其他相关资料为研究范围内的区域地质资料、航空像片、1:1万地形图、1:2 000地形图等。2.3.2 遥感卫星数据的处理遥感卫星数据的处理均在ERDAS IMAGINE中完成。利用IMPORT功能导入到系统中，成为img格式，并进行相应的大气纠正、几何纠正和图像增强等预处理，将几何纠正后的影像进行拼接。为了提高影像的分辨能力，使用ETM数据中的15m分辨率全色波段，将其与其他几个波段进行融合，并通过彩色合成，形成分辨率较高的彩色遥感影像。融合方法采用主成分变换(Principal Component)融合法：首先对原始ETM数据进行主成分变换，然后把15m分辨率的全色波段拉伸到第一主成分数值范围(保持其本身的直方图不变)，然后代替第一主成分，并进行主成分逆变换，得到融合图像。2.3.3 地学信息的提取在ArcMap中将融合后的彩色合成图像作为底图，在底图之上建立地层界线层、不良地质分布层、断裂构造分布层、设计线路方案层等。然后对处理后的卫星遥感影像进行特征对比分析，根据遥感影像上所反映出来的形状、大小、色调、灰度、亮度、纹理、结构等影像特征，结合实地的区域调查资料，按建立好的数据层依次勾画出大的地貌单元、区域构造形迹及岩类的分布等；然后将各种信息数据组合迭加，对各种线状要素数据指定不同的线型和颜色，对各种多边形图层数据指定不同的填充图案、标注和颜色，对各种点状图层数据指定不同的符号和颜色。定义图件的比例尺，形成成果图并用绘图仪输出，完成遥感影像地质图的编制。2.3.4 野外地质调查验证根据所提取的信息资料，对不良地质地段以及在判释中有疑问的地段，必须到实地进行调查验证，以修改和补充室内地质判释成果。2.3.5 线路方案的选择及修改根据计算机信息提取及验证结果，对遥感资料进行综合分析，进行铁路工程地质稳定性分析，全面认识铁路沿线工程地质环境的特征，再次对遥感判释进行修改，并及时反应到线路方案中，为选线设计提供准确的地质依据。2.4 应用实例在阿荣旗至北海高速公路(柞水至安康段)梅花铺滑坡群的不良地质论证过程中应用了遥感手段。通过航空遥感图片，进行工程地质问题调查与解译，不但查明了该滑坡群的大小，分布、起因等，而且减少了野外地质工作的盲目性，大大减轻了劳动强度，为路线与隧道的勘察设计提供了有效的参考资料。在西安至安康铁路(安康至旬阳段)增建二线项目中，利用美国陆地资源卫星像片结合区域地质资料，编制了1:10万的遥感影像地质图，该图地物色彩和光谱信息十分鲜明，反映的信息也比较准确，有较高的可信度，林地与庄稼地的分布状况，主要村镇、道路和河流的分布情况等，在图像上都有比较清晰的特征，为下一步勘察选线提供了宝贵的资料。2.5 小结遥感图像的宏观、逼真、多光谱特征，能够清晰直观的显示铁路设计方案的走向和地形地貌、地质构造之间的关系，不仅开阔了眼界和思路，而且使政府领导和设计审查人员耳目一新，对路线环境有了更为深刻的印象，十分有助于设计方案的论证与表达。遥感技术应用于不良地质调查，长大隧道、桥位的选址中，不但加快了工作进度，减轻了工作人员的劳动强度，而且具有巨大的经济效益和社会效益。卫星多波段数据，影像信息量丰富，在卫星图像上能清楚地反映出大的地貌单元、区域构造行迹、水系分布及某些大型物理地质现象等。遥感技术在铁路勘察选线中的应用，可以全面提高路线方案质量和水平。参考文献：1 李建安. 浅析现代测绘与信息技术J. 标准化报道, 2000,(01) 2 宁汝新, 姚珺. 支持创新的数字化产品开发技术J. 设备管理与维修, 2001,(02) 3 王浩, 张军. 缩微影像数字化技术之我见J. 数字与缩微影像, 2005,(03) 4 成宇. 遥感技术的新应用J. 百科知识, 2007,(07) 5 王宇明. 遥感技术的动态J. 铁道勘察, 1984,(02)6 马相三; 铁路地理信息产业促进可持续发展行动要点 J; 铁路航测; 1997年01期 7 胡志贵，陈绍光; 铁路航测面临新的机遇和挑战 J; 铁路航测; 1994年01期 8 郑魁信; 我国铁路航空勘测的发展特点及对策 J; 铁道勘察; 1993年04期9 张莉,田杰; 航测技术在铁路选线中的应用现状与展望 A;中国交通土建工程学术论文集（2006） C; 2006年10 吴明先; 公路勘测设计技术应用现状与发展展望 J; 公路; 2002年08期 11 张犁,林晖,李斌; 互联网时代的地理信息系统 J; 测绘学报; 1998年01期 12 卓宝熙; 铁路部门GIS进展情况及思考 J; 铁路航测; 1997年02期13 齐颖; 基于GIS的高速磁悬浮铁路车站选址决策技术研究 D;西南交通大学; 2004年 14 张莉; 基于GIS的选线系统开发方法研究 D;西南交通大学; 2007年 15 戴建军; 铁路勘测设计一体化系统的研究与开发 D;中南大学; 2007年16 卓宝熙; 卫星遥感在铁路选线勘测中的应用J; 中国航天; 1998年06期; 7-917 刘文熙; 我国铁路航测遥感技术的现状与展望 J;测绘通报; 1998年02期; 8-10+25 18 张光禄; 大力发展铁路航测遥感技术 J;铁路航测; 1994年04期; 1-2 19 陈绍光; 我国既有铁路航测技术及应用 J;测绘工程; 1999年03期; 68-72 20 陈绍光; GPS技术在铁路勘测中的应用特点 J;北京测绘; 1997年01期; 14-19 21 张幼莹; DTM应用于铁路线路优化设计的研究和实践 J;测绘通报; 1994年03期; 24-27 22 陈绍光; 近代先进技术在既有铁路测量中的应用 J;北京测绘; 1997年03期; 40-42 23 张永平; 工程测量运用CBE教学改革探索 J;东北测绘; 2000年01期; 45-46 24 卢庆珠; 新建铁路德龙烟线航测数字化测图的生产实践 J;铁路航测; 1999年02期; 22-24第9页