道路勘測設計

現(xiàn)代道路勘測與設計新技術

主講教師：秦建平

長安大學

本章摘要:

本章主要介紹道路測設新技術的發(fā)展現(xiàn)狀；航空攝影測量技術、全球定位技術（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統(tǒng)(GIS)的基本原理及其在道路設計中的應用；數(shù)字地面模型（DTM）建立方法；路線計算機輔助設計的任務和系統(tǒng)功能設計以及路線平面、縱斷面、橫斷面計算機輔助設計；道路虛擬仿真技術等內容。第一節(jié)概述摘要內容：

主要介紹道路測設新技術的發(fā)展現(xiàn)狀。講課重點：1.國外道路計算機輔助設計技術發(fā)展狀況；2.國內道路計算機輔助設計技術發(fā)展狀況。講課難點：

GPS系統(tǒng)組成與性能。一、國外道路計算機輔助設計技術發(fā)展狀況計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）是包括繪圖與說明的設計活動。20世紀60年代，計算機運用到道路設計主要是完成繁重的計算任務，如多層路面結構力學計算、路基穩(wěn)定性分析與計算、橋梁結構計算、路基土石方計算及平面和縱斷面線形計算等。20世紀70年代，道路優(yōu)化技術從縱斷面優(yōu)化擴展到一定寬度范圍的平面線形優(yōu)化和平縱組合線形綜合優(yōu)化，數(shù)字地面模型開始應用，計算機繪圖技術發(fā)展為實用階段。20世紀80年代，道路CAD系統(tǒng)的發(fā)展更加完善，并逐步向系統(tǒng)化、集成化方向發(fā)展。進入20世紀90年代，國外一些較成熟道路CAD軟件，向國際化方向發(fā)展。

二、國內道路計算機輔助設計技術發(fā)展狀況我國道路設計應用計算機起步較晚。20世紀70年代末至80年代初，國內有關高校和設計單位在收集國外路線優(yōu)化技術和CAD技術資料的基礎上，開展了路線優(yōu)化技術方面的研究，編制相關優(yōu)化程序。20世紀80年代中后期，隨著我國道路建設的快速發(fā)展，對道路CAD技術的需求也不斷增大，促進了道路CAD技術的發(fā)展。20世紀90年代至今是道路基礎設施建設大發(fā)展期，道路建設的速度明顯加快，建設規(guī)模不斷擴大，對道路CAD軟件的要求越來越高。第二節(jié)道路勘測新技術摘要內容：

主要介紹全球定位技術（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）的基本原理及其在道路設計中的應用；數(shù)字地面模型（DTM）建立方法。講課重點：1.全球定位技術（GPS）的基本原理；2.遙感技術（RS）的基本原理；3.地理信息系統(tǒng)（GIS）的基本原理。講課難點：GPS系統(tǒng)的基本原理。一、全球定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)主要由GPS空間衛(wèi)星部分（衛(wèi)星星座）、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分組成。如圖12-1，GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中有21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。該布設方案將保證在世界任何地方、任何時間，都可進行實時三維定位。一、全球定位系統(tǒng)（一）GPS衛(wèi)星基本功能1.接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息，并執(zhí)行它的控制指令；2.利用微處理機進行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作；3.通過星載高精度的原子鐘提供精密的時間基準；4.向用戶發(fā)送導航與定位信息；5.通過指令調整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。（二）GPS定位原理

GPS定位方法主要有偽距法定位、載波相位測量定位和GPS差分定位。1.偽距測量是測定衛(wèi)星到接收機的距離，即由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。一、全球定位系統(tǒng)2.差分定位也稱GPS相對定位，是確定觀測點（也稱流動站）與某一地區(qū)參考點（也稱基準站）的相對位置。如圖所示。3.載波相位測量是測定GPS衛(wèi)星載波信號到接收機天線之間的相位延遲。一、全球定位系統(tǒng)式（12-1）

式中：D——為兩相鄰點間的距離（km）；

a——固定誤差（mm）；

b——比例誤差(ppm)。不同用途的GPS網的精度不同，GPS控制網分為A、B、C、D、E五個等級。

按GPS測量實施的工作程序，可分為GPS網設計、選點與建立標志、外業(yè)觀測及成果檢核與處理等幾個階段。1.GPS網精度標準的確定精度指標通常以網中相鄰點之間的距離誤差表示，其形式為一、全球定位系統(tǒng)2.GPS網的圖形設計根據(jù)GPS測量的不同用途，GPS網的獨立觀測邊應構成一定的幾何圖形，基本形式有三角網、環(huán)形網、星形網。3.選點、建標志選點時除應遠離產生磁場源的地方和保證觀測站在視場內周圍障礙物的高度角應小于10°～15°外，其它要求及建立標志同常規(guī)控制測量。4.GPS測量的觀測工作GPS測量的觀測工作主要包括天線安置、觀測作業(yè)、觀測記錄及觀測數(shù)據(jù)的質量判定等。一、全球定位系統(tǒng)（四）實時GPS測量（RTK）在道路工程中的應用1.實時GPS測量原理RTK定位技術，需在兩臺GPS接收機之間增加一套無線數(shù)字通訊系統(tǒng)（亦稱數(shù)據(jù)鏈），將兩相對獨立的GPS信號接收系統(tǒng)聯(lián)成有機整體。基準站通過電臺將觀測信息和測站數(shù)據(jù)傳輸給流動站，流動站將基準站傳來的載波觀測信號與流動站本身測得的載波觀測信號進行差分處理，解出兩站間的基線值，同時輸入相應的坐標轉換和投影參數(shù)，實時得到測點坐標。實時GPS系統(tǒng)通常由GPS信號接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)組成。2.實時GPS測量在道路工程中可完成多種工作：(1)工程控制測量(2)制做大比例尺地形圖(3)道路中線測設(4)道路縱、橫斷面測量(5)施工測量二、遙感技術(一）遙感技術系統(tǒng)現(xiàn)代遙感技術系統(tǒng)一般由四部分組成，如圖12-3所示。1.空間信息采集系統(tǒng)；2.地面接收和預處理系統(tǒng)；3.地面實況調查系統(tǒng)；4.信息分析應用系統(tǒng)。二、遙感技術（二）遙感專題制圖流程遙感專題制圖的工藝流程如圖所示。二、遙感技術（三）遙感技術在道路工程中的應用目前，遙感技術在道路工程中的應用主要是工程地質勘測方面。1.重點工程的布局；2.判釋區(qū)域地質構造薄弱環(huán)節(jié)；3.借助遙感圖片對長隧道、大橋的區(qū)域進行穩(wěn)定評價三、數(shù)字攝影測量技術（一）數(shù)字攝影測量方法1.計算機輔助測圖計算機輔助測圖是利用解析測圖儀或模擬光機型測圖儀與計算機相聯(lián)的機助(或機控)系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，形成數(shù)字高程模型DEM與數(shù)字地圖，輸入相應的數(shù)據(jù)庫。也可在數(shù)控繪圖儀輸出線劃圖，或在數(shù)控正射投影儀輸出正射影像圖，或用打印機打印各種表格。2.全數(shù)字攝影測量全數(shù)字攝影測量是在解析法測圖基礎上發(fā)展起來的一種攝影測量方法。它與解析法測圖的主要區(qū)別是利用相關技術和掃描技術將相片影像數(shù)字化，無需人眼進行觀測便可得到被測區(qū)域的地表三維數(shù)據(jù)。全數(shù)字攝影測量的主要設備是掃描儀和具有圖形圖像處理功能的計算機。全數(shù)字攝影測量的測圖程序是先將相片影像的灰度數(shù)字化，在計算機上進行數(shù)據(jù)處理。三、數(shù)字攝影測量技術（二）數(shù)字攝影測量在道路工程中的應用1.建立數(shù)字地面模型DTM；2.自動生成等高線地形圖；3.制作正射影像圖、景觀圖、DTM透視圖及立體模型等；4.提供各種工程設計需要的工程信息、各種信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫所需的定向信息。四、地理信息系統(tǒng)

（一）地理信息系統(tǒng)的基本概念地理信息系統(tǒng)是一門學科，是描述、存儲、分析和輸出空間信息理論和方法的一門新興交叉學科。地理信息系統(tǒng)具有以下三個特征：1.具有采集、管理、分析和輸出多種地理信息的能力，具有空間性和動態(tài)性；2.由計算機系統(tǒng)支持進行空間地理數(shù)據(jù)管理，并由計算機程序模擬常規(guī)或專門的地理分析方法，利用空間數(shù)據(jù)，產生有用信息，完成人類難以完成的任務；3.計算機系統(tǒng)的支持是地理信息系統(tǒng)的重要特征，使地理信息系統(tǒng)能快速、精確、綜合地對復雜地理系統(tǒng)進行空間定位和過程動態(tài)分析。四、地理信息系統(tǒng)（二）地理信息系統(tǒng)的構成一個完整的GIS主要由四個部分構成，即計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)（或空間數(shù)據(jù)）和系統(tǒng)管理操作人員。系統(tǒng)構成如圖所示。第三節(jié)道路計算機輔助設計

摘要內容：

主要介紹路線CAD的任務及功能設計以及路線平面、縱斷面、橫斷面計算機輔助設計。講課重點：

1.路線平面計算機輔助設計；

2.路線縱斷面設計；

3.路線橫斷面設計。一、啦路線CA套D的任務量及功能斗設計（一）掃路線CA敵D的任濫務路線CAD的任務匙是利用測計算機包快速計前算取代瞎人工繁桐重的計味算與繪牧圖工作襪，而用倚優(yōu)化技浩術自動鋒進行部爹分修改制工作，溉另一部簡分由人絡機交互涼修改，環(huán)把設計忌者的精懲力主要周用于分晨析判斷境及處理獨一些難駛于用數(shù)扁學模型請表示的寸問題上座。這樣從，可減禁輕設計梢者的勞宰動，利收于多做皮方案，蒸對提高捉設計效紹率和設揉計質量沫有重要瘦意義。一、路嫌線CA渡D的任旱務及桃功能銷設計（二）攀系統(tǒng)的泛功能設城計根據(jù)企路線扣設計戶的特怖點，裙在路頌線方偽案確挖定后偵，需踩考慮包下述攪主要宏功能熱：1.系統(tǒng)應功能接受忽和處理林不同數(shù)類據(jù)來源獨的原始鉗資料；2.系統(tǒng)應鐵能進行予與路線妄設計有貓關的設禾計計算容工作；3.系統(tǒng)兇應具件有強細大的滾人機臥交互毅設計捕與修塌改功蠢能；4.信息檢反饋膠；5.數(shù)據(jù)管券理功能陸；6.支持分胖布式設醬計；7.系統(tǒng)鞠應能期輸出澇設計丈中需展要的續(xù)各種熟表格子。二、路民線平面疫設計利用生計算通機進粥行平燃面設懂計，莫常用免做法造：一憂是在石數(shù)字茫地面參模型帽支持者下，涂人機卡交互屯完成絡設計縣過程植；二詳是由節(jié)設計晨者確銀定路懶線平叔面設授計參循數(shù)后戀，輸鎖入計響算機費，由膠計算環(huán)機逐挨一完挖成計夠算和覆繪圖貞工作漫。將摧第一鞠種做浸法稱妻為交狐互設郵計，污第二昂種稱甲為輔房誠助計冒算和宵繪圖駛。二、撈路線啦平面婚設計（一姑）交還互設哭計交互設蒸計的工棍作過程餡可描述擊為：在貴路線平敢面方案員確定的不基礎上霜，設計野者根據(jù)賓地形、蔬地物情織況，利邁用交互抽設備（兔如鼠標刺、鍵盤霧等），賣確定控眼制路線乖線位的凡控制點贈，再由餐控制點螺分布情鼓況，定灣出控制租線位的吹線形單字元，如雅圓曲線養(yǎng)或直線協(xié)，形成蘆一個圓督弧與圓膛弧或圓環(huán)弧與直滑線組成葵的具有煙錯位的齊間斷線擾形，如債圖12架-6所示走。設缸計者梯選定歸兩個面或多畏個控終制單康元，止計算蘆機根斧據(jù)給組定的柏連接箭信息波，確鉗定中月間連筋接線魂元，水形成疏連續(xù)呆的線洽形，曉如圖12-刻12c）。設庫計者可墻以根據(jù)糠計算的它結果確余定是否府修改，躍直到滿鍵足設計取要求。險具體流渣程如圖12勢-1暈3所示報。二、路吊線平面劇設計a)主b)肢c)圖12系-1禿2平面筒線形廉的控禍制單楚元圖12美-1列3平面交垂互設計舉流程二、路漫線平面愧設計（二俱）輔奶助計野算和扶繪圖輔助根計算勿和繪校圖是蔽在路陽線平嘉面位上置完趁全確框定的奏情況姐下進接行的呢，計壯算機鬼在平體面設罰計過軌程中味，只暗相當倘于一肌個計恭算和到繪圖材工具訓，對春設計斯的支貝持層字次較離低。細具體擦流程宮如下散圖所肚示。三、溜路線嫌縱斷怨面設檢計（一）專縱斷面乖設計流譯程圖縱斷面安設計是擴在縱斷牛面地面終線數(shù)據(jù)誰和控制何點數(shù)據(jù)爸已知的終基礎上晨進行的豎。縱斷寄面設計標系統(tǒng)的奏流程如陡下圖所壁示。三、路陰線縱斷慈面設計（二）用縱斷面撥設計的哈主要內渴容1.縱斷面剩設計計嬌算；2.交互修霉改，包扒括修改綠變坡點附位置、扯變坡點裙平移、竄取消或飛增加變拔坡點以銳及改變博豎曲線偵半徑等揉；3.工程設量估昏算。四、路頁線橫斷幣面設計（一陽）橫個斷面校設計羨流程利用計夢算機進巴行橫斷圾面設計喝的工作慢過程：趕設計者勾根據(jù)地邀形、地狀質、水魚文、氣日候等條引件，分晃段確定納標準斷短面形式另及構造娘物布置默形式，賽計算機產根據(jù)標鋸準橫斷夠面自動析進行設述計。設屬計成果怨由計算屈機逐個肆顯示，著設計者厘在屏幕舌上交互仇修改不浙合理的敞設計斷登面。計借算機自雜動存入爆修改后秀的數(shù)據(jù)垮，完成派后續(xù)計摸算，輸機出橫斷拔面設計乒圖。上緩述過程亡可用下紀圖表示翁。四、路晨線橫斷恩面設計四、路即線橫斷首面設計（二硬）主處要設樣計內百容1.輸入杰橫斷柱面地何面線胞；2.橫斷繪面自顫動設強計；3.橫斷奸面修誼改設你計；4.橫斷踏面面壘積計牙算；5.土石方磚數(shù)量計追算。第四牽節(jié)殘道離路虛效擬仿眨真技窯術摘要墨內容德：主要勵介紹塵道路浸虛擬轉仿真扯技術蘿。講課重仁點：1計算嘗機仿淘真基卵礎；2.道路慚線形掠仿真農與評奮價。一、恐計算銜機仿聚真基嶼礎（一浮）仿稈真基綠本概養(yǎng)念仿真男是為說分析奪與研災究已測存在序或尚礙未建致成的俘系統(tǒng)刺，建素立系找統(tǒng)模索型，臟并對紅模型熱進行范實驗弊與分果析的則過程徐。仿券真概匆念框財架總恰結了伴仿真壁研究行的三踢個基塌本要暖素：1.對仿魚真問禮題的粗描述超；2.行為閣產生趁器；3.模型剖行為嚴及其喉處理窗。一、醒計算敲機仿洞真基升礎下圖表姻示了三勸個要素統(tǒng)的具體堵內容及殲相互關斗系。一、計悔算機仿追真基礎（二廊）仿蛾真系棕統(tǒng)開踐發(fā)的磚基本映原則1.蓮.實驗讓與模奸型分環(huán)離；2.模型與井數(shù)據(jù)分積離。（三）驢仿真系絕統(tǒng)的基喂本結構根據(jù)仿愿真的基急本概念寄框架，蝕仿真軟濾件必須耀具備的資功能為科：1.模型描芽述的規(guī)戲范及處象理；2.仿真抄實驗問的執(zhí)焦行與標控制振；3.數(shù)據(jù)與道結果的佳分析、終顯示及萬文檔化暖；4.對模竄型、潔實驗陪模式網、數(shù)衫據(jù)、紗圖形限或知錫識的疲存儲袖、檢射索與奸管理留。二、奇道路陣線形擦仿真晌與評忙價（一服）道客路仿輕真系性統(tǒng)具宋有下家述特伯征：1.持續(xù)響怖應反饋旋特性；2.智能擺仿真禍特征斬；3.混雜性餡。（二）全仿真系乓統(tǒng)建立懶及應用洋方法1.汽車雕系統(tǒng)咸、道青路環(huán)漏境的盆物理尤抽象塞；2.獲取模隆型的運醉動學（捉幾何定錫位）參表數(shù)，建嫌立抽象齊系統(tǒng)的閥運動部殼件、約對束，建勁立運動醋學模型特；3.獲得模蓬型的動減力學參尖數(shù)，定絹義模型凝中部件紗、鉸鏈齒等及外碌界條件炎，如道討路特性桂、空氣蘭阻力等劉，建立狐動力學剖模型；4.選擇設李計車型蜂，對汽臥車模型頸進行仿沸真驗證謙；5.建立道蝴路模型始，根據(jù)沸道路模戒型和汽獵車模型歲特點，緒確立駕細駛員操名縱策略利并建立巷駕駛員幣模型；6.進行仿漢真，獲脅得汽車普的速度往、加速駱度、操憂縱特性粘等數(shù)據(jù)面；7.對仿技真計帶算結冠果進創(chuàng)行后勵處理宿，評纖價道宏路線切形設夏計的價合理址性。二、清道路倘線形刑仿真名與評蠅價（三）執(zhí)仿真模葬型的建網立1.汽車多習體動力鋸學模型利用MSC公司的AD閣AM雁S軟件賄建立侮的整向車仿澇真模我型如頑圖12駛-1違8所示羊。該熊模型效有16個自拉由度堤，5個為坦前懸攝架自她由度衡，分念別是麗左右蝦懸架堤的上嘩下擺學動、里左右屋車輪詠繞車啦軸的均轉動蒙和車策輪繞德主銷編（轉玻向系隨統(tǒng)）波的轉勉動；因轉向殿機構旋齒條找的1個移動霞自由度練；后懸醋架4個自浴由度湯，分參別為捧左右逼懸架掏的上常下擺木動、梅左右進車輪鼻繞車謠軸的撈轉動壩；車合身有6個自由彩度。二、豎道路窯線形路仿真蘇與評稠價圖12茄-1補8汽車仿替真模型二、綱道路堅線形木仿真祥與評仰價2.基于輛預瞄串理論導的駕幼駛員慎模型根據(jù)對黎人的刺賤激－機少體－反的應經典溜模式，