數(shù)字地球輔助選線方法在鐵路前期選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院 黑龍江哈爾濱 150000

摘要：本文對(duì)數(shù)字地球輔助選線方法在鐵路前期選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字地球；選線方法；前期選線；設(shè)計(jì)應(yīng)用

一、數(shù)字地球輔助選線引入鐵路前期選線設(shè)計(jì)的必要性

（一）提高選線效率的必要性

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中，選線在是研究線路方案的關(guān)鍵步驟。每個(gè)設(shè)計(jì)階段研究的側(cè)重點(diǎn)不同，選線研究的規(guī)模和精度也相應(yīng)變化。

在預(yù)可研階段等前期研究階段，選線更側(cè)重于走向方案、局部方案等宏觀層面上的方案研究，方案少則十幾個(gè)，多則幾十個(gè)，選線任務(wù)繁重，作為上序控制專(zhuān)業(yè)，大部分時(shí)間用在與各專(zhuān)業(yè)配合的選線過(guò)程中，因此，提高選線效率，保證選線精度，是縮短項(xiàng)目周期，提升項(xiàng)目研究質(zhì)量和效率的必要途經(jīng)。

（二）基于數(shù)字地球輔助選線的流程

長(zhǎng)期以來(lái)，前期研究一直遵循紙上選線，即使是計(jì)算機(jī)選線普及以后，也需將大比例地形圖掃描成可載入cad的圖片，然后配合選線軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)上的紙上選線，地面點(diǎn)仍需人工在圖上點(diǎn)出，仍然需要投入大量的人員，同時(shí)由于購(gòu)買(mǎi)的大比例1：5w地形圖測(cè)繪年代較早，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，很多近年建造的地物一般不會(huì)體現(xiàn)在5w圖上，則方案的精度和設(shè)計(jì)周期都已經(jīng)不能完全與激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)相適應(yīng)。

隨著數(shù)字地球應(yīng)用的普及和地理信息系統(tǒng)的逐步完善，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)通過(guò)大地坐標(biāo)與數(shù)字地球坐標(biāo)相對(duì)關(guān)系的轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)地形圖與數(shù)字地球聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了平面地形圖中的平面線位轉(zhuǎn)化至數(shù)字地球內(nèi)三維線位的功能，通過(guò)反向提取數(shù)字地球內(nèi)的三維線位數(shù)據(jù)可得出并轉(zhuǎn)化成線路在平面圖中的地面高程，通過(guò)線路軟件進(jìn)行平縱斷面的設(shè)計(jì)及優(yōu)化得出合理的線路方案。其選線流程及與傳統(tǒng)選線方法的主要區(qū)別見(jiàn)圖1所示。

圖1 基于數(shù)字地球輔助選線流程

二、數(shù)字地球輔助選線方法在鐵路前期選線中的應(yīng)用

（一）基于數(shù)字地球輔助選線精度的分析

在將數(shù)字地球輔助選線方法應(yīng)用于項(xiàng)目之前，為驗(yàn)證該方法的精度，對(duì)已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目采用此方法提取的線路平縱面數(shù)據(jù)與通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)字地形圖采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。考慮到數(shù)據(jù)對(duì)比的可視性，本次以已經(jīng)開(kāi)工的烏扎線為例，對(duì)地形地物、平面坐標(biāo)、地面點(diǎn)高程等三方面的精度進(jìn)行對(duì)比。

1.地形地物的精度

將烏扎線的平面線位分別導(dǎo)入1：5w地形圖、1：1w地形圖、1：2000地形圖、數(shù)字地球地形圖中對(duì)比典型地形同一位置地物的差異。結(jié)果如下：

圖2 不圖地形圖地形地物對(duì)比圖

對(duì)比可知，數(shù)字地球的地物清晰，與地形圖中位置相符，精度介于1：5w、1：1w地形圖之間，部分地形圖上沒(méi)有的新建房屋、工廠等人工建筑物在數(shù)字地形圖上有體現(xiàn)。線位在數(shù)字地球內(nèi)與地形地物相對(duì)位置的精度可滿(mǎn)足預(yù)可研階段及航測(cè)1：2000地形圖前的設(shè)計(jì)要求。

2.平面坐標(biāo)及高程的精度

采用數(shù)字地球輔助選線方法提取烏扎線在數(shù)字地球內(nèi)的平面位置與地面高程，在全線99.85km的范圍內(nèi)，按60m里程間隔分別提取1665個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)和1665個(gè)高程點(diǎn)，同理，采用一般方法按60m里程間隔提取烏扎線在1：2000比例地形圖中的1665個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)和1665個(gè)高程點(diǎn)，通過(guò)不同坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)化并對(duì)比二者的差值，結(jié)果如下：

表1 平面坐標(biāo)對(duì)比誤差分布表

分布區(qū)間誤差≤2m2m≤誤差<5m5m≤誤差<10m10m≤誤差<20m20m<誤差

坐標(biāo)點(diǎn)分布48199307108427

所占比例2.88%11.95%18.44%65.11%1.62%

注：坐標(biāo)誤差為同一點(diǎn)位的距離誤差，誤差已經(jīng)考慮了坐標(biāo)與經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生的誤差。

經(jīng)對(duì)比得出：線位在數(shù)字地球內(nèi)的平面坐標(biāo)與1：2000地形圖平面坐標(biāo)相比，誤差小于2m的點(diǎn)位占2.88%，不滿(mǎn)足可行性研究的線位精度，但是小于20m的點(diǎn)位為1602個(gè)，占98.38%，可滿(mǎn)足預(yù)可研階段及航測(cè)1：2000地形圖前的設(shè)計(jì)要求。

表2 地面高程的對(duì)比誤差分布表

分布區(qū)間誤差≤1m1m≤誤差<2.5m2.5m≤誤差<5m5m≤誤差<10m10m<誤差

坐標(biāo)點(diǎn)分布5595095087811

所占比例33.57%30.57%30.51%4.69%0.66%

注：高程誤差已經(jīng)考慮了不同高程系統(tǒng)間轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生的誤差。

對(duì)比線位在數(shù)字地球內(nèi)的地面高程與2000地形圖地面高程相比，小于1m的點(diǎn)位占33.57%，低于可行性研究要求的精度，但是小于10m的點(diǎn)位為1654個(gè)，占99.34%，且多分布于5m誤差以下區(qū)間，可滿(mǎn)足預(yù)可研階段及航測(cè)1：2000地形圖前的設(shè)計(jì)要求。

3.數(shù)字地球輔助選線方法的適用情況

采用數(shù)字地球輔助選線方法可補(bǔ)充1：5w、1：1w地形圖上缺失的近年來(lái)新建交通設(shè)施、建筑物等控制方案走向的地物。對(duì)于較大型的項(xiàng)目，在方案研究、預(yù)可行性研究以及初測(cè)前穩(wěn)定1：2000地形圖航測(cè)范圍階段均能使用該方法輔助選線，其提取地面點(diǎn)的效率（百公里線路約耗時(shí)8～10min鐘）較人工點(diǎn)地面點(diǎn)提高20倍以上，對(duì)城鎮(zhèn)、建筑物、地類(lèi)、河流、山脈等地物能有直觀感受，方便各專(zhuān)業(yè)對(duì)實(shí)地狀況的把握。

（二）數(shù)字地球輔助選線方法的實(shí)際應(yīng)用

為提高工作效率，在驗(yàn)證了數(shù)字地球輔助選線精度的前提下，在孫遜鐵路的預(yù)可行性研究和北黑鐵路擴(kuò)能改造方案研究中分別就新線和既有線改造采用了數(shù)字地球輔助選線方法。

1.在新建孫遜鐵路預(yù)可研選線中的應(yīng)用

在購(gòu)買(mǎi)1：5w比例圖的同時(shí)，根據(jù)研究范圍，采用高配計(jì)算機(jī)下載了數(shù)字地球的比例圖并加載至選線軟件內(nèi)，借助數(shù)字地球，對(duì)研究范圍內(nèi)的道路、河流、保護(hù)區(qū)等上至1：5w地形圖上，在1：5w圖中初次選定線位，導(dǎo)入數(shù)字地球內(nèi)修改平面線位并提取高程，轉(zhuǎn)換高程并拉縱斷面，得出初步平縱斷面，然后不斷優(yōu)化線位得出線路方案。

該項(xiàng)目共研究了3個(gè)走向方案、2個(gè)局部方案、2個(gè)限坡方案、2個(gè)速度方案共計(jì)10個(gè)線路方案，算上中間方案優(yōu)化過(guò)程，線路方案確實(shí)較多，但是采用數(shù)字地球輔助選線后，該項(xiàng)目線路方案共畫(huà)了6個(gè)工作日，精度也較3單純依靠1：5w圖選線有所提高。

2.在改建北黑鐵路預(yù)可研選線中的應(yīng)用

改建北黑鐵路在根據(jù)既有線路技術(shù)履歷書(shū)恢復(fù)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)的線位與實(shí)際有較大區(qū)別，通過(guò)在數(shù)字地球中描繪既有鐵路，導(dǎo)出既有線平面至選線軟件中，輔助修正技術(shù)履歷書(shū)上的偏角等曲線要素，使既有線滿(mǎn)足預(yù)可研精度。其余輔助選線參照新線的方法，只是對(duì)斷鏈需進(jìn)行消除換算。

3.基于數(shù)字地球輔助選線應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

由于數(shù)字地球高度依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)傳輸下載數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡(luò)環(huán)境直接影響提取數(shù)據(jù)的精度，建議在提取出的數(shù)據(jù)中需隨機(jī)抽樣復(fù)核合格后再用；線位在選線軟件與數(shù)字地球之間轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要選擇正確的轉(zhuǎn)換參數(shù)，否則得出的結(jié)果不準(zhǔn)確。

三、結(jié)論與展望