S技术及其应用结课论文Word下载.docx

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1.绪论

地铁（隧道）工程规模大造价技术复杂工期长涉及面广,是城市中最最重要的基础设施之一。

因此,地铁的规划设计施工显得尤为重要,需要不断引人新技术、新方法和新工艺,以期科学、高效、低耗地建设地铁。

以GIS为核心的3S（GIS、RS、GPS）技术的发展成熟,其强大的空间数据处理分析和表达能力可以为工程的勘测、设计和施工提供各种有用的信息,并有力地促进勘测、设计和施工水平的不断提高。

今天,3S技术已走出实验室,正在发展成为直接为规划设计等领域服务的一种高新技术。

目前,3S技术已不同程度地应用于地铁建设,取得了良好的经济效益和社会效益,展现了无可比拟的优越性和巨大潜力。

本文介绍了3S技术在地铁（隧道）工程中的应用情况、应用特点和应用前景,论述了部分相关技术。

2.国内外研究现状

从20世纪70年代起，国内开始将遥感技术以用在工程领域。

1976年京广线南岭隧道（长6.06km）开始使用卫片和航片进行地质判释，即利用卫片判释，查明岩溶发育受到阻碍；

1976---1981年完成洛阳黄河水下铁路隧道（长15．86km）地质遥感判释；

1984年完成大秦线军都山隧道（长8．46km）遥感判释；

1986年在京广线大瑶山隧道（长14．295km）遥感判释，并进行航空遥感试验；

1992年完成南昆线米花岭隧道（长9．392km）地质遥感判释；

1998年完成内昆线新寨隧道（长4．409km）和闸上隧道（长4．068km）遥感判释；

2000年完成渝怀线金洞隧道（长9．105km）遥感判释。

另外，还对宜万线8座长大复杂岩溶隧道进行了遥感判释。

近年，还相继在西安一安康线秦岭隧道（长18．448km）、朔黄线长梁山隧道、京九线孟良山隧道、湘黔线雪峰山隧道等铁路隧道地质调查和综合勘察中应用了遥感技术。

而国外起步要相对较早一些，在隧道工程中3S技术应用的更加普遍。

如加大太平洋铁路Rogers山口的麦克唐纳山隧道、美国的Locaron隧道等。

尤其是横穿英吉利海峡的欧洲隧道，更是把遥感技术应用和隧道工程完美的结合。

二.3S技术的应用

1.GPS的应用

GPS作为新一代卫星导航与定位系统,具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位系统,具有良好的抗干扰性和保密性。

GPS定位技术的高度自动化及其高精度和应用潜力是传统定位技术难以比及的。

十几年来,GPS定位技术在应用基础研究、新领域的开拓、软硬件开发等方面取得了迅速发展。

在地铁建设中引人GPS是地铁建设者的自然选择。

在国外,GPS普遍应用于

隧道工程,如加拿大太平洋铁路Rogers山口的麦克唐纳山隧道、国的Locaron隧道等。

最值得一提的是横穿英吉利海峡的世纪工程—周卫（210005）欧洲隧道,该项工程可与苏伊士运河（1849~1869）和巴拿马运河（1906一1914）相媲美。

隧道长达50km,海底部长36.skm,是仅次于贯通日本津轻海峡的青函隧道长53·

k6m）的世界上第二大海底隧道。

该工程需要建立高精度的平面和高程控制网,以便确定隧道端点之间的几何关系,通过人口斜井和竖井,指导隧道的掘进二按常规方法布设的控制网采用电磁波测距仪观测,其结果不够理想。

为了提高平面控制网的精度,英、法、加拿大于1987年用GPS测量技术在海峡两岸同时使用双频接收机iT41oo

各测了三个控制点,英、法两国分别用rTim-ble4000s和Sereel单频接收机布测了7个和5个GPS点,并与本国的3个用Ti410o机测定的点重合。

将由GPS所测定的坐标差推出的水平距离和方位角作为伪观测值参加网的平差,平差在国际参考椭球体上进行,用高斯正形投影将地理坐标换算为直角坐标。

由于引人高精度的GPS观测,控制网的精度从原先的士4PPm,提高到了士IPPm,相当于隧道长度为4k0m时,由地面测量引起的纵横向贯通误差为士c4m,顾及人口点与控制网的联测误差等,该项标准差估计为士scm。

在高程方面,由于英法两国水准’又统基准面不一致,尽管两国在两岸都布设有精密的水准网,但隧道跨越海峡两端点间的高程联测难度很大。

如果采用三角高程测量,由于受天顶距观测、折光和大地水准面曲率差影响较大,故不能采用。

如果使用流体动力水准测量,又会因潮汐作用以及海流影响的不确定性,该方法精度也受到限制。

最后还是采用卫星法以厘米级精度测定了两岸点之间的高差。

在国内,_自1990年北京地铁复八线开始至今,GPS已成功地应用于北京地铁西客站预埋隧道、上海地铁、广州地铁、青岛地铁、晋南云台山铁路隧道等大型工程中。

如果说GPS刚开始应用于地铁工程,对其可靠性尚存疑虑,那么GPS在上述工程和其它大型工程中的应用成果已无可置疑地说明,地铁工程使用PS不仅效率高、费用省,而且成果可靠。

以北京地铁复八线GPS控制测量为例,其成果平均点位中误差3.lmm,边长相对中误差1/148万,完全满足地铁建设的需要。

在国外,对瑞士Naret大坝的监测中GPS已取得了小于1毫米的精度。

在地铁建设中GPS主要用于地面控制。

根据GPS技术条件、特点以及GPS的使用经验,在GPS建立地铁用控制网时除应遵守国家有关规范规程外,尚需注意以下几个方面:

1）.由于在城市建地铁与城市的地质、水文、地貌和地面上下建筑物关系密切,必然要碰到并利用大量的已有侧绘资料,为了充分利用这些资料,并确保设计与环境吻合,应充分利用原有控制基础。

2）.根据需要分期分级（二级）布设相对独立的控制网,首级网点宜少,边宜长,尽量与高等级城市控制点（二、三等点）重合,重合点不少于三个,并均匀分布在线路两端和中间,以三角形、四边形或中心多边形等构成带状图形,一般可参照表1规定:

坐标系统的选择应满足变形值不大于1/40000的要求,投影面可采用1985国家高程基准水准面、测区抵偿高程面或测区平均高程面。

3）.点位应尽量靠近地铁人洞口（竖井口）,沿线路方向布设,以减小对横向贯通误差的影响。

每个洞口附近,应有三个或三个以上的控制点,并保证与邻点有两个以上的通视方向,以提供洞内测量。

4）.地铁GPS控制网的主要技术规定可参照表二执行。

5）.为了提高精度,虽待定点的分布是线状,但也应采用网状观测和平差处理,且宜首次级网整体平差。

2.航测与遥感技术的应用.

遥感是一门综合性的技术,它集中了航空、航天、电子学、计算机技术、现代光学、信息科学、生物、地学等学科发展的最新成就,成为现代科学技术的重要组成部分。

不同类型的遥感平台,组成一个多层次的、立体的、多谱段的、多时相的空间探测体系。

这一技术很快渗透到测绘学科中,根本改变了传统测绘对地球表面的信息获取与表象能力。

利用航片建立光学（立体）模型和数字地面模型（DTM,如将航片经扫描进人计算机,在软件系统的支持下,对影像作各种处理和分析。

航测遥感技术提供了一个大面积、多层次、高精度、信息丰富的地形、地质影像地图,可以调查地铁（隧道）沿线区域内的地形地貌分布状况和地质水文等情况,使设计人员能进行大范围的立体选线,而不至遗漏方案,也有利于方案比较,充分显示出航测遥感方法的直观、高效、信息容量大的优越性,因而可大大提高设计质量和工效。

如在京广线大瑶山隧道、朔石线雁门关隧道、西康线秦岭隧道、大秦线军都山隧道、西昆线米花岭隧道,遥感技术都发挥了独到的作用。

南京等地使用1/.25万彩红外相片,制作l/1万覆盖市区和近郊影像图,进行多要素、多专业的判释,从中提取各种有用信息,用于地铁建设的前期规划和研究工作。

航测遥感在GIS数据采集与更新方面也具有其它手段无法比拟的优越性。

航片包含了地表原始而又极其丰富的信息,其现势性高于人工或自动数字化成图。

这几年来,国内外在数字摄影测量系统（DPS）方面取得了长足的进步。

数字摄影测量系统利用人工和自动化技术,由数字影象经过各种数字摄影测量处理（包括各种数字图像处理）而生成各种数字的和模拟的产品,可按常规摄影测量成果硬拷贝输出,也可直接送人Gls或CAD中使用。

系统处理的主要过程见图l。

在国外,徕卡公司继HELA-VA数字化摄影测量系统之后,又推出了台式数字测图系统DvP。

目前,世界上共有120多家用户在使用。

在国内,武测研制的WU-DAMS软件（现更名为VIRTUOZO）,可自动完成内定向到生产DTM绘制等高线透视图、景观图和制作数字正射影像等,在地图数字影像自动识别等方面也有较大突破。

铁道部第一勘测设计研究院正着手进行将该技术引人铁道设计的应用研究工作。

可心预见,随着数字遥感技术的日益成熟,必将在地铁建设和其它领域中发挥出越来越大的作用。

图1

3.GIS的应用

地理信息系统是在计算机软硬件支撑下的一种十分重要的空间信息系统,它是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气圈、生物卷和岩石圈）与空伺和地理分布有关的数据的空间信息系统。

从构成看,地理信息系统是由空间数据以及有效管理这些数据的软件所组成的集合体。

GIS基本系统包括五个子系统:

数据输人、图形与文本编辑、数据管理、空间查询与分析和数据输出,其相互关系如下（图2）

图2

地铁建设中所涉及到的客流与流向、交通网络、城市规划、地形地质等数据具有空间的特性,而GIS如上所述恰恰是对空间数据进行采集、存贮、检索、分析、建模和表达的计算机系统。

就是说,它不仅可以象传统的DBMS那样管理数据（属性）信息,而且可以管理空间信息（图形、图像）,并提供各种空间分析的方法,对各种不同的空间信息进行综合分析和解释,回答用户提出的问题。

能够把勘测、设计、施工和运营获取的大量的多样的信息合理地组织,有效地利用,还能灵活地制作出各种精美的成果图件,为规划设计人员提供了在计算机辅助下对地铁建设涉及的多因素,如交通、人口、地形、地质等进行自动或交互式对比、综合、分析的有力工具,以获得新的启发和完善优化方案,这是传统方法很难或无法实现的。

以下介绍GIS在地铁建设地形、地质、选线、客流量预测等方面的应用。

首先是地形地质方面的应用,为地铁选线等设计提供了基础。

GIS可进行三维数据的创建、分析和显示,自动生成地面高程模型DEM,可从视点的不同方位,不同距离,不同高度观察物体,可任意设置剖面切割线,显示三维剖面立体图,并利用DEM作为三维数据源生成坡度和坡向面层。

可进行多源信息的叠置,产生与这些要素相关的综合的新信息,如能与遥感、专题属性和图像叠加,生成专题三维影像图。

通过GIS在地形方面的应用,为复杂的可见性和规划问题提供答案。

当用不同的方式来观察结果时,可以获得许多规划方案用以比选。

前已述及工程地质信息是空间信息,其所代表的空间实体具有一定的空间位置和几何形态及其属性特征。

据此,工程地质信息可用三种抽象数据类型作为描述的基础:

点状信息,在计算机中以坐标x（、y）表示。

如层理产状,钻孔位置等;

线状信息,用坐标串表示,如断层线、分区界线等;

面状信息孤段表示,如地层、地质病害等。

通过GIS利用各种断面图、透视图等,设计人员可对各种岩类分布、地质构造格局,水文地质条件等情况一目了然。

当然GIS用于地铁工程地质不可能完全取代野外工作,它必须与传统理论相结合,才能产生巨大的应用效果。

其次是lGs用于地铁选线。

选线工作是地铁设计的核心,要有长远规划,要考虑众多的影响因素。

目前选线虽然采用遥感方法进紧接地质与水文的判释,但基本上仍采用纸上选线与野外选线相结合的办法。

由于地铁在建筑物密集、地下管网、地下构筑物繁多的城市环境里选线设计,对地下情况依赖程度高,很难在实地上选点,通过初测、复测、定测确定线路中线参数的方式进紧接。

主要还是在地铁路网规划和客流要求指导下参考城市规划资料,利用大比例尺现状图和大量实测控制点（制约线路走向的地上、地下建筑物、构筑物、管网、地质勘探等特征点）三维坐标进紧接选线设计的。

即首先在地形图上研究线路布置,而后在实地上具体确定线路在地面上的走向和实际位置。

这一传统方法很难对全部的影响因素进紧接综合分析,而各因素之间关系复杂,相互制约,得传统的选线方法工作量大,需经多个选线阶段的反复过程,才能确定下来。

GIS的出现加速了传统的定性分析向定性、定量和定位分析转化,从单一要素的分析发展为多要素、多时相、多变量的综合时空分析,从信息的静态分析向动态分析发展。

如果采集了与选线方案有关的规划、设计、统计资料、地形地质、水文、气象等资料和各种比例尺地形图、地质图、影像图等,GIS就可以生成数字地面模型DTM,设计人员可以从宏观的角度鸟瞰工作区,对整个地区的地形地质和水文特征有较完整的概念,帮助设计者认识线路状况。

可以直接在屏幕上解释影像,并由系统量计出各种专题数据,综合分析评价各因素对选线的影响程度,可任意地选择与个性修改线路方案,对每一方案系统很快地计算出线路里程、坡度、各种工程数量、运营费用等,可以立即生成线路的断面图。

还可以通过预先设定某些数值,让系统自动进选线方案的比选,得出经济合理的线路方案,并可显示在DTM上。

由此可见GIS使线路方案的选取变得非常直观和灵活,不但减轻了选线工作的劳动强度,而且使方案选择更趋合理。

最后是在客流量及流向预测方面的应用。

这种按照工程的规模年限,进科学准确的预测是地铁规划建设重要的基础工作之一,是确定地铁运载能力、车站规模、设备能力以及运输组织、工程投资估算,进经济效益、社会效益分析等的重要依据。

在地理信息系统日益应用于交通规划之际,如何调整和改变传统的预测方法,并将数据有效地存贮在Gis中,使其能充分利用GIS空间分析功能,以增加需求模型的预估准确性,应该成为地铁建设的一个重要课题。

在城市交通GIS应用中,其分析通常依赖各种交通需求预测模型。

东南大学为南京交通建立了几处数学模型:

l）分区发生,吸引客流量预测模型;

2）区域客流量分布模型;

3）各种交通模式的客流量分配及预测模型;

4）站间OD客流预测及主线客流量预测模型。

此类模型又依赖实际交通调查数据和专家测评等手段来校正其参数。

使用GIS存贮这些数据必须对数据库的设计有完整的考虑。

如道路流量与道路特性通常是以“线性参考坐标”为基础,而路口交通转向流量则是以点为参考的线与线之间的匹配,出行的起讫点数据则是点与点之间的数据,这些性质不同的数据必须以不同方式存贮在GIS内,以便数据的利用和分析。

目前地理信息系统的发展趋势是走向集成化（与遥感、全球定位系统等技术结合）和智能化（与专家系统结合）,形成智能化的高度集成的地理信息系统。

这将对包括地铁建设在内的许多领域产生巨大的影响,最终实现地铁勘测设计的自动化和现代化。

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