基于GIS的山区铁路枢纽土石方工程测绘技术研究.pdf

南 方 职 业 教 育 学 刊JOURNAL OF SOUTHERN VOCATIONAL EDUCATION第 13 卷 第 2 期2023 年 3 月Vol.13 No.2Mar.20231 前言山区铁路枢纽建设时会涉及到土石方工程，开挖方量少则数十万方，多则数千万方。开挖方量的实时获取是铁路枢纽工程建设面临的一大难题1。4G 及 5G 网 络、北 斗 定 位、IT 技 术 的 发展，推动了铁路枢纽土石方工程测绘技术的快速发展，方量计算所需的测绘输入精度将更接近实际，劳动强度和工作成本也大幅减少2。然而，如何快速获取较精准的方量、快速跟踪进度以及过程适时管控，无论在铁路枢纽工程建设还是在测绘工程研究领域，仍是值得关注的重要课题。基于 GIS 的山区铁路枢纽土石方工程测绘技术研究徐晓斌1，刘利星2，侯振坤3，李 莉4，王占华5，张 敏5(1.广州铁路职业技术学院，广东 广州 511300；2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060；3.广东工业大学，广东 广州 510006；4.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；5.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)摘 要：快速获取较精准的方量、快速跟踪进度以及过程适时管控，是铁路枢纽工程建设、测绘工程研究的重要课题。引入具有测绘参数获取、录入、分类和解译等功能的 GIS 技术，阐述了 GIS 在铁路枢纽土石方工程中应用的理论基础、系统建立、应用及分析，实现了土石方测绘的三维可视化状态。提出基于 GIS 的铁路枢纽土石方工程测绘技术，解决了铁路枢纽土石方工程测绘精度、高效率、及时性等关键问题。研究成果应用于实践，不仅对原始地形进行测绘、精确计算方量，对未开挖的土石方量实现实时获取，保证工程相关方对工程进度把控和预警，还推进 GIS 技术在工程建设中的应用。关键词：铁路枢纽；土石方工程；GIS；工程测绘中图分类号：P258 文献标志码：A 文章编号：2095-073X（2023）02-0104-06收稿日期：2023-01-29基金项目：广东省普通高校重点领域专项（2021ZDZX4074）作者简介：徐晓斌（1981），男，贵州织金人，广州铁路职业技术学院教授级高级工程师，博士生，研究方向为轨道交通与土木工程勘察、设计及关键问题研究。刘利星（1989），男，山西原平人，广州市城市规划勘测设计研究院工程师，硕士研究生，研究方向为岩土勘察、地质灾害。侯振坤（1988），男，河南周口人，广东工业大学高级工程师，博士，研究方向为交通工程、土木工程、能源工程等施工技术及相关理论研究。李莉（1980），女，重庆人，重庆工程职业技术学院教授级高级工程师，硕士研究生，研究方向为测绘地理信息技术研究与应用。王占华（1982），男，河南许昌人，广东省电力设计研究院正高级工程师，硕士，研究方向为土木工程。张敏（1985），男，江西赣州人，广东省电力设计研究院正高级工程师，硕士，研究方向为土木工程。105第 2 期徐晓斌，刘利星，侯振坤，李 莉，王占华，张 敏：基于 GIS 的山区铁路枢纽土石方工程测绘技术研究本文引入具有测绘参数获取、录入、分类和解译等功能的 GIS 技术，使土石方测绘实现了三维可视化状态。它不仅可以对原始地形进行测绘、精确计算方量，还能对未开挖的土石方量实现实时获取，以保证工程相关方对工程进度把控和预警，同时也促进 GIS 技术在轨道交通与土木工程中的应用。2 GIS 应用于铁路枢纽土石方工程的原理2.1 数据整合数据整合是指铁路枢纽土石方开挖管理数据整合、外部数据整合及电子信息技术整合3。可视化、高传输速度、减少延迟等是 GIS 技术的发展方向，这一技术若能在铁路枢纽土石方工程中应用，将实现土石开挖过程及工程量测绘的三维可视化，弥补了铁路枢纽土石方工程全过程控制及直观管理的不足。随着高性能计算机技术、先进的 4G 及 5G 网络传输技术引入及广泛使用，GIS 完全能满足铁路枢纽土石方工程所需的全方位、无延迟的自动化测绘技术4。GIS 在大数据、多专业、多领域的交叉融合，极大地提高铁路枢纽工程土石方开挖测绘的效率。另外，以节省资源、降低成本、提高效率和增大系统容量为创新驱动，相关研究不断推进 GIS 自身性能的完善，铁路枢纽土石方工程中GIS的应用必将得到发展。2.2 铁路枢纽土石方工程一体化的实现铁路枢纽土石方量计算与开挖过程之间具有必然的联系，GIS 在此类工程中的应用体现了土石方量计算与开挖过程之间形成一体化模式。在现有技术条件下，三维可视技术和模拟技术是实现一体化模式广泛认可技术5。三维可视技术和模拟技术要求将测绘数据、测绘信息、三维建模作为技术基础，建立施工期内的完整规划和已完成各施工时段的工作量对比可视化成果，分析存在差异的原因和制定应对方案6。对于岩石开挖区，特别是需要提前进行爆破的区域，可将灾害应对预案加载于系统中，以备查询和调用。对开挖临时边坡的稳定性和安全性按设计及规范要求进行监测，并在三维可视化模型中得以体现，便于安全预警和管理7。GIS 铁路枢纽土石方工程一体化、可视化，能实现对土石方工程的自动获取数据、自动建模、自动匹配参数和智能评价，对铁路枢纽地基负挖的地应力、粉尘堆积和地下水等进行监测将是 GIS 在铁路枢纽工程中应用的未来发展方向8。测绘科学及相关学科的发展，促使所需的人力物力大幅降低，推动了常规的铁路枢纽土石方工程测绘手段更新9-10。基于先进的测绘技术、精密的测绘仪器的应用，可视化、自动化的 GIS 技术将服务于铁路枢纽场平勘测、设计、开挖施工、边坡治理、施工监测以及运营阶段监测，同时也促进此项技术在铁路枢纽中的应用11-12。目前，铁路枢纽土石方工程测绘工作的内容主要有以下方面。（1）铁路枢纽土石方工程测绘控制系统的建立。做好该类工程测绘控制网和水准基点，分别与国家 2000 坐标系控制网和水准点对接联网。这样既符合最新国家测绘规范要求，也确保基准参数的正确可靠。（2）获取土石方工程计算所需的数据和资料。现场测绘数据，绘制计算断面图、等高线图等图纸，提供成果分析所需的各输入要素。（3）土石方开挖工程现场控制放样。根据相关的设计文件，土石方开挖地段，进行设备安装、线缆预设、边坡治理及上部结构施工和土石方工程影响范围等区域的测绘工作；另外，核查和监督土石方开挖施工及边坡治理施工是否按设计方提供的文件进行施工13-14。（4）在土石方开挖前，对开挖方案可行性进行试验段试验，在开挖施工过程中，对开挖方案定期核查，包括施工精度可靠性检查，施工进度南 方 职 业 教 育 学 刊106第 13 卷管控，已开挖量、未开挖量、边坡治理工作量统计等。（5）为土石方开挖的安全防护及文明施工提供技术支持。包括合理的炸药预量、齐全的开挖设计文件、安全管理文件、文明施工措施、应急处理措施等。（6）土石方开挖影响范围及边坡深部水平向及垂直向位移探究。埋设表层变形长期观测点和深部岩土体变形观测点，探究土石方开挖地段深部和表层水平向及垂直向的变形规律及发展趋势，以便更新开挖方案、设计图纸及参数。通过研究水平向及垂直向的变形参数，对开挖大面积滑坡或局部滑坡等事故的出现地段和时间做到超前预报，提前采取措施进行治理，也可为人员和施工设备撤离提供安全合理的时间和空间，避免土石方工程施工过程安全事故发生。（7）远期进一步研究铁路枢纽土石方工程挖填平衡监测、爆破监测、危险区智能预警等，有助于铁路枢纽土石方工程精细化、智能化发展，促进铁路枢纽工程与 GIS 技术的共同发展。结合铁路枢纽土石方开挖测绘工作内容及工程特点，将先进的 GIS 技术引入此类工程测绘和管理领域。拓宽 GIS 技术应用领域的同时，不断促进铁路枢纽土石方测绘的发展，也才能够适应现代铁路枢纽土石方工程的要求。3 铁路枢纽土石方工程 GIS 系统建立3.1 GPS 控制网建立在地理信息技术中，GPS 技术将实现铁路枢纽土石方工程测绘数字化、自动化、智能化。在工程量估算所需要的地表原始地形图获取中，将所得到的测绘数据与现场地形进行一一核对，大幅提高估算的测绘输入。工程实施期间，将先进测绘扫描仪器（如三维激光扫描仪等）所获得的成果与现场校核数据进行对比，使资料处理便捷化、智能化，而且测绘精度得到进一步提高。在信息管理和监控过程中，在大数据快速发展的基础上，也推动 GPS 技术提高获取数据精准度以及成果分析的能力。3.2 铁路枢纽土石方工程 GIS 关键输入在地理信息系统的建立及应用中，测绘电子数据、三维扫描影像成果和 DEM 图等是不可或缺的关键输入15。其中，测绘电子数据的获取可依托地面测绘与三维扫描地图的数字化方法，并通过专业的测绘软件处理，由此得到高精度、大比例尺电子地图等成果。铁路枢纽土石方开挖工程中，工程涉及区域的面积都超过数平方公里。项目实施时，土石方现场测绘开始前，按照先进的测绘资料处理软件，转换并统一相关的测绘资料格式，以保证测绘成果的精度达到铁路枢纽土石方工程的要求。通常情况下，利用 Arc GIS 平台，开发通用的数据格式的转换与数据之间的彼此叠加工具的软件，所得到的软件不仅使用便捷，购置成本也很低，处理效果也很好；同时，所开发的铁路枢纽土石方 GIS 系统更快捷高效，所获得的测绘数据更合理，成果更接近工程实际。3.3 关键问题的解决如何实现铁路枢纽土石方工程数据实时采集、自动处理、智能评价是 GIS 技术应用于铁路枢纽土石方工程的关键。随着网络技术特别是 5G 技术的发展，通过无延迟的移动技术，能够将数据传输和资料整理、成果分析同时进行、同时更新，并与项目管理系统有机结合。它不仅能达到室内管理与现场管理一体化，也能将监督、检查、管理人员提供的相关相信进行反馈，促进管理制度得以完善、系统各个部分相互促进发展。铁路枢纽土石方开挖GIS系统得到进一步的改进与完善。107第 2 期4 验证与应用我国西南地区某铁路枢纽，所处位置为丘陵地带，建设过程中需进行大范围的土石方开挖及回填施工，此工程项目山顶标高 1165.31m，底部标高1055m，高差超过 110m，铁路枢纽范围面积 245.23万 m2。施工过程中，石方爆破开挖 839 万 m3，土方开挖 409 万 m3。鉴于该铁路枢纽原始地形高差变化大，部分山体异常陡峭，土石方工程测绘难度大，若采用常规测绘方法，很难确保测量精度能够满足相关规范的要求。另外，参建单位所获得的 DEM 数字高程数据均有差异。为解决以上问题，采用 GIS技术，并验证其实用性及优势。4.1 GIS 数据的建立4.1.1 高程系统的建立收集的测绘资料所获得的 DEM 数字高程数据多为不同来源，难以保证其本身的可靠度达到百分之百，因此，在采用相关高程数据作为输入条件前，应进行对比和核查。另外，测绘系统里所获得的数字高程数据的精度要求统一，因此，土石方开挖工程测绘实施时，需对测绘系统下载的相关数据进行统一格式。将相关成果输入 Arc Catalog 平台，建立 GIS 数据，同时也顺利实现数据切换，保证了 GIS 在铁路枢纽土石方量测绘中应用的基础。4.1.2 三维 TIN 数据的建立和影像模型的建立从公开的测绘系统内能获得与 DEM 图分辨率相关的电子数据，然而，部分通过收集所得到的资料分辨率，难以达到铁路枢纽土石方测绘规范要求，数据误差达数十米甚至上百米。因此，Arc GIS 技术进行应用的过程中，铁路枢纽土石方测绘过程中，当收集的数据不能满足要求时，可通过采用三维激光扫描，借助数字高程模型，并将成果输入 Arc GIS 技术中，解决分辨率和数据误差问题。TIN 模型表面规则是连续的不规则三角形。建模前，需要对三维激光扫描或 DEM 图进行TIN 单元分割，然后把各单元的数据与影像栅格资料叠加，进行完整校对，得到相关成果后，对影像栅格的各图层属性修编。经过上述多数据来源的比对校核，实现了铁路枢纽土石方开挖范围内实际地形数据与影像的完美叠加。4.2 三维测绘数据的分析在铁路枢纽土石方工程前期工作中，均需要对相关区域的土石方勘察专题钻孔进行放样，相关成果也可构建开挖区 GIS 测绘数据，得到直观的土石方开挖三维模型，选取对模型控制影响明显的位置（如地势较高点等）作为 GIS 模型的参考站，以 GIS 模型参考站为中心，把可视的周边区域测绘数据作为待分析的输入，依照所建立的三维数据模型，便可清晰查看到中心参考站的覆盖区域。除此之外，覆盖区域可能存在的无信号区也能在模型里清晰分辨出来，便于采取措施，确保模型对整个土石方开挖区的全覆盖。4.3 优势分析（1）采用 GIS 技术，不仅能全天候进行铁路枢纽土石方工程测绘工作，还不会受制于天气变化的影响，确保测绘工作完全满足土石方开挖需求。（2）针对原始地形高差较大的铁路枢纽土石方工程，借助三维激光扫描与 GIS 技术融合，精度达到毫米级，完全满足规范要求，还能达到自动化测绘，解决了传统测绘技术精度不足问题。（3）GIS 技术彻底解决了不同来源的数据接口问题，并能将相关数据自动实现三维测绘模型。（4）采用 GIS 技术，铁路枢纽土石方工程测绘耗费时间大幅缩减，特别是整合三维激光技术和 VR 技术，整个测绘过程及数据处理过程均在几分钟内完成。（5）GIS 技术与土石方工程挖填平衡监测、爆破监测、危险区智能预警等融合，促进铁路枢徐晓斌，刘利星，侯振坤，李 莉，王占华，张 敏：基于 GIS 的山区铁路枢纽土石方工程测绘技术研究南 方 职 业 教 育 学 刊108第 13 卷纽土石方工程精细化、智能化发展。5 结语GIS 技术是应用在铁路枢纽土石方工程中，借助相关的三维建模软件和收集的或智能测绘得到的相关图像数据，并以铁路枢纽规范及要求为特定环境，得到适宜于铁路枢纽土石方工程开挖测绘、监管、预警等的一项技术，其在环境复杂、工期紧张、地形数据难以获取等情况下更是尤显优势，大大提升了项目管理方对开挖过程的管理水平。随着近年来 VR 技术发展越来越完善，项目实施过程中，对因多种制约因素导致土石方工程测绘危险区相关数据和信息难以顺利获得区域，可借助 VR 技术与 GIS 技术深层次对接应用，不仅能解决上述困难问题，更能将工作环境进行有效的数据分析及管理。随着 VR 技术的发展，GIS技术将为铁路枢纽土石方工程相关方提供全面而详实的数据和影像，保证铁路枢纽土石方工程前期设计输入，施工期间的人员、设备、物资计划管理，施工过程的时时管控；还能通过全面监测来进行安全评估，保证施工人员、设备和工程自身的安全，促进开挖铁路枢纽土石方工程顺利实施和资料有序归档。参考文献：1张国良，朱家钰，顾和和矿山测量学M徐州：中国矿业大学出版社，2001：34-412王晓海GPS 及应用新发展J电信工程技术及标准化，2002（3）：1-53宁津生，陈俊勇，等测绘学概论M武汉：武汉大学出版社，2008：142-1534李德仁论 21 世纪遥感与 GIS 的发展J武汉大学学报（信息科学版），2003（2）：127-1315龚健雅地理信息系统基础M北京：科学出版社，2001：203-2116李德仁关于地理信息理论的若干思考J武汉测绘科技大学学报，1997（2）：93-957何智铭三维激光扫描技术在陡峭山体土石方量测算中的应用J广东土木与建筑，2017（1）：70-728雷达阳江核电厂土石方一期工程设计经验总结J武汉大学学报（工学版），2009（S1）：113-1169陈本富，王贵武，谢小胜核电施工控制测量中数据处理方法的综合应用探讨J昆明理工大学学报（理工版），2009（6）：58-6110陈本富，郭先春核电建设中测量数据处理模型的选择方法探讨J北京测绘，2006（2）：13-1611苗刚锋方家山核电工程 EPC 模式下的测量管理J中国核电，2012（1）：46-4912邓立立，余小奎核电厂前期岩土工程勘察的若干问题探讨J电力勘测设计，2011（2）：14-1813董胜宪再论山东海阳核电厂厂区标高和厂区护堤设计标准的确定J电力勘测设计，2012（2）：32-3614黄政宇，胡寒婕漳州核电项目前期建设成本精益化管理研究J南方能源建设，2018（4）：135-14015陈隽敏资源三号正射影像和 DEM 制作及电力工程适用性分析J南方能源建设，2015（S1）：207-211109第 2 期Research on Surveying and Mapping Technology for Earthwork and Stonework Engineering of Montane Railway Hub Based on GISXU Xiao-bin1,LIU Li-xing2,HOU Zhen-kun3,LI Li4,WANG Zhan-hua5,ZHANG Min5(1.Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou 511300,China;2.Guangzhou Urban Planning&Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China;3.University of Technology,Guangzhou 510006,China;4.Chongqing Vocational Institute of Engineering,Chongqing 402260,China;5.Electric Power Design Institute Co.Ltd,Guangzhou 510663,China.)Abstract:Rapid acquisition of more accurate square quantity,rapid tracking of progress and timely process control are important topics in railway hub project construction and surveying and mapping engineering research.The paper introduces GIS technology,which has the functions of acquiring,inputting,classifying and interpreting surveying and mapping parameters,expounds the theoretical basis,system establishment,application and analysis of GIS application in earthwork engineering of railway junction,and realizes the three-dimensional visualization state of earthwork surveying and mapping.It puts forward the surveying and mapping technology of montane railway hub earthwork based on GIS,which solves the key problems of surveying and mapping accuracy,high efficiency and timeliness of mountain railway hub earthwork.The application of the research results in practice makes surveying and mapping of the original terrain,accurately calculates the volume of earth and stone,achieves real-time acquisition of the volume of earth and stone that has not been excavated,ensures the relevant parties of the project to control and forewarn the project progress,and promotes the application of GIS technology in the project construction.Key words:railway hub;earthwork;GIS;engineering mapping徐晓斌，刘利星，侯振坤，李 莉，王占华，张 敏：基于 GIS 的山区铁路枢纽土石方工程测绘技术研究