3S技术在土木工程中的应用

来源:用户上传      作者: 张明慧 张晓霞 高 潮

　　[摘　要]3S(RS、GIS和GPS)技术是当前空间信息获取、存储与分析评价的一种重要的技术集成系统，本文首先从理论上分析3s技术的本质特征，在此基础上从实际应用角度系统分析了3s技术在土木工程4个主要工程阶段的应用现状及潜力，包括3S技术在土木工程勘察与规划中的应用、3S技术在土木工程生态环境影响中的应用、3S技术在土木工程施工中的应用和3S技术在土木工程监理中的应用。最后展望了3S技术在土木工程中的应用前景和存在问题。
　　[关键词]3S技术；土木工程；GIS；RS；应用
　　
　　1“3S”意义及本质
　　3s技术是近十多年来发展起来的主要空间信息调查管理技术集成系统。它是遥感(Remote Sensing，RS)技术、地理信息系统(Geographical InformationSystem，GIS)技术和全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)技术的英文缩写的简称。RS技术主要是通过遥感平台获取地表各类地物的空间分布、质量、数量及其空间相互关系等信息；GPS技术主要用于获取地表地物的空间位置信息及其动态变化轨迹；GIS技术是指在计算机硬件支持下，对具有空间内涵的地理信息输入、存贮、查询、运算、分析、表达的技术系统，它可以用于地理信息的系统动态描述，通过时空构模，分析地理系统的发展变化和演化过程，从而为咨询、规划和决策提供服务。
　　可以看出，3S技术是在空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、现代通讯技术的基础上，多学科高度集成的系统技术，是对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。它具有强大的空间信息获取、存贮与分析模拟功能，可以应用于与地理空间有关的很多领域。从大范围的全球变化、区域可持续发展，到局部区域的城市交通、公共设施规划及建筑工程选址，地产策划等方面，3s技术正深刻地影响着，甚至改变着这些领域的研究方法及工程技术体系。
　　
　　2.3S技术在土木工程中的应用
　　
　　土木工程是建造各类工程设施的科学技术的总称，包括房屋建筑工程、道路修筑工程、桥梁、隧道工程、机场工程、地下工程、给排水工程、港口工程、水利工程等。一般土木工程建设主要包括五个阶段，即：勘察规划阶段、环境影响评价阶段、项目施工阶段、项目监理验收阶段和用后服务阶段。在整个项目运营实施过程中，为了使各阶段的目标得以实现，必须加强土木工程项目的管理工作。
　　由于许多土木工程都是依托地表修建的，具有一定的空间地理位置、空间分布形状、空间特征属性以及空间相关性等空间信息，对于这些空间信息的处理长期以来主要以来地面人工测量、调查与绘制图形来完成的。3s技术的强大空间信息处理技术可为土木工程提供重要的技术支撑，改善传统土木工程在空间信息处理方面的技术瓶颈，提高土木工程的高新技术水平。
　　2.1　3s技术在土木工程勘察与规划中的应用：近年来，以法国SPOT5、美国Quick Bird和IKONOS等高空问分辨率的陆地观测卫星遥感技术，空间分辨率可以达到0.20～2.50m，制图精度可以达到1：200～2000；基于GPS的遥感探测，可以获得具有三维地理信息的遥感图像数据，并输出三维数字高程模型(DEM)和各种实用图件，大大简化了传统地形测量的过程，是地理制图技术的一个飞跃。应用GIS三维地形模型叠加遥感图像的技术，可以生成真实的地形模型，在地形复杂山区的土木工程勘察与规划过程中具有广泛的应用潜力。RS技术的大范围空间地理信息采集能力可以迅速查明土木工程沿线的地层岩性、地质构造、水文地质概况及控制线路方案的主要不良地质类型与分布。集成高空间分辨率的RS对地观测技术、高精度的数字高程模型(DEM)、GPS空间定位技术、区域地质、工勘资料等多源空间数据，形成的高精度三维可视化土木工程勘察与规划模型，可以为复杂山区土木工程的勘察与规划提供快捷的技术工作平台。3S空间信息集成技术可有效地指导土木工程勘察工作，为物探、钻探、原位综合勘探布置提供依据；为高精度、大比例的工程地质调查提供了可靠技术平台，实现了线路规划、工程地质调查、环境影响综合分析和评价等土木工程环节技术的快速发展，提高了复杂土木工程勘察与规划效率和质量，可以满足近年来土木工程勘察任务繁重、周期短、标准高，尤其是山区土木工程具有比较方案多、长大隧道多、缺乏地质资料等环境下的多种野外勘察与规划技术需求。
　　2.2　3S技术在土木工程生态环境影响评价中的应用：随着土木工程规模的日益扩大，其对生态环境的影响日益严重。传统地面数据采集调查手段投入高、周期长、效率低、涉及范围小，已无法满足大型土木工程环境影响评价对数据的要求，急需建立相应尺度范围内的土木工程生态环境影响评估技术体系。随着遥感技术的大尺度空间数据采集技术的日益完善，其在大型土木工程生态环境影响评价中作用也日益重要。从遥感数据中获取的有用信息，可以为大型土木工程生态环境影响评价提供从宏观到微观的各种快速、全面的资料支持。
　　在国外，很多国家都已经将遥感技术应用到了土木工程建设生态环境监测与评估中。其中比较具有代表性的是：从1980年开始至1993年，埃塞俄比亚研究人员利用航摄照片和卫星图像对一条高速公路沿线的环境变化做了长期监视和分析，通过对监测数据的分析，得到了生态环境时空演化的过程与发展趋势。美国联邦地调局研究人员利用遥感影像，通过对铁的氧化物和氢氧化物分布信息的提取，研究了科罗拉多州废弃矿山对生态环境的影响等。在国内，我国政府也开展了多个大型项目的遥感监测。许多学者也通过遥感影像对比分析研究了工程建设对生态环境产生的影响，为掌握环境变化趋势、进行环境管理提供了有效的手段。很多学者以不同工程为研究对象，开展了大量工作。
　　遥感技术以其快速、从宏观到微观全面观测等优势条件，在大型土木工程环境影响评价方面具有重要的应用基础。但由于受天气限制比较严重等原因，遥感在重大自然灾害监测中应用的作用，还远远没有充分发挥出来。如光学遥感受天气的制约比较严重，在天气不是很好的情况下，有时候甚至无法成像。相信随着对地观测小卫星星座的日益增多、科学的工程环境评价指标体系的日益完善及其国际合作的加强，遥感将在大型工程环境影响评价中发挥更加重要的技术支持作用。
　　2.3　3S技术在土木工程施工中的应用：GIS为土木施工项目管理提供了一个非常好的开发平台。通过二次开发，可以把RS技术采集的土木工程施工进程空间图形图象信息、GPS采集的土木工程施工进展空间定位信息、土木工程属性信息融合～起，为复杂的土木工程施工建立一个可视化信息管理系统。它为施工设计与管理提供强有力的分析工具，为决策分析提供迅速的信息支持，有着广泛的应用背景和需求。基于3s技

术的土木工程施工导流三维动态可视化数字模型，可以实现了模型的动态显示、交互操作、空间分析以及施工导流全过程可视化仿真等功能，从而为土木工程施工组织设计与宏观决策提供了一个科学有效的可视化分析手段。目前，虽然3S在土木工程施工项目管理和工程施工的可视化信息管理中得到应用，但是还处在研究的初步实验阶段，应用的程度有限。随着3S技术的不断提高完善，其在隧洞开挖断面的自动绘制与量算，确定弃碴场的位置与范围等更深领域的应用会不断展开。
　　2.4　3S技术在土木工程结构监测与监理中的应用：为保证土木工程项目施工的质量、进度及投资，减少开发建设的风险，土木工程监理与监测制度是土木工程质量管理的重要环节。土木工程监理单位作为专业的技术管理部门，对项目进行全面监督与管理，参与项目的招标、评标、技术方案的审核、过程检查，协助解决项目执行中出现的技术和管理问题，代表业主方全面检查和验收提交的成果资料。
　　随着3s技术精度和功能的不断提高和完善，其在土木工程监理中的应用越来越广泛。GPS定位仪的定位精度相当高，特别是采用了差分定位技术，建立了适当的精度控制网络后，GPS定位仪的定位精度完全满足土木工程监理中多种定位测量的需要。差分GPS精度高、采集数据量大、速度快与GIS结合使用能最大限度的发挥其优点。随着计算机网络技术以及卫星通讯技术的发展，利用GPS实时快速定位能力，通过遥感技术支持的计算机通讯系统，实现GPS和GIS的联合工作，可获得各种土木工程精确的实时图形。在GIS支持下，可以将这些监测的实时图形与土木工程规划、设计图形进行空间叠加，空间相关统计分析，实现土木工程的空间自动监理。另外，GPS技术的快速定位为RS技术数据实时、快速地输入GIS提供了可能，RS技术可以迅速地将采集的土木工程空间信息输入GIS分析处理系统，进行实时动态地分析地表某个土木工程空间形状与规划、设计方案的差异。
　　
　　3.发展与展望
　　
　　众所周知，我国目前正处于基础建设高速发展时期，大规模的基础建设使土木工程整体推进面临着多种技术瓶颈。3S作为一门新型技术集成系统，以其管理空间信息的独特优越性，已经广泛应用于土木工程方案勘察与规划、大型土木工程生态环境影响评价、不良地质调查以及土木工程地质调绘成图的应用，取得了较理想的效果。3S技术在土木工程中的应用不但加快了工作速度，而且提高了质量，节省了人力物力，有很高的经济效益和社会效益。目前，国内外虽然已开展了3s技术在土木工程中的开发和研究应用工作，但是应当指出，由于许多技术人员对3S技术了解的不够全面，大部分人员只能用到制图功能，把3s尤其是GIs和CAD等同起来，没有发挥3S技术在土木工程中的应有潜力。
　　3S技术的发展应用，为土木工程勘测设计与管理提供了全新高效的方法，尤其在大型土木工程的宏观规划、路线调查及大型隧道、桥位工程的方案论证等方面。3S技术可以全面掌握土木工程规划区的环境地貌与地质构造要素，提高决策水平和设计质量，对优化方案节约投资起到关键作用。随着3S技术以及计算机信息技术的进一步发展普及，应用3S与3D(三维)环境模拟技术优化设计方案，通过3S，3D与常规勘察设计技术的紧密结合，可进一步提高土木工程建设的快速优化，提高人类利用、改造、美化环境的水平，对促进整个人类社会的进步具有重要意义。
　　
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