數字地球輔助選線方法在鐵路前期選線設計中的應用

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摘要：本文對數字地球輔助選線方法在鐵路前期選線設計中的應用進行了簡述。

關鍵詞：數字地球；選線方法；前期選線；設計應用

一、數字地球輔助選線引入鐵路前期選線設計的必要性

（一）提高選線效率的必要性

在鐵路勘察設計中，選線在是研究線路方案的關鍵步驟。每個設計階段研究的側重點不同，選線研究的規模和精度也相應變化。

在預可研階段等前期研究階段，選線更側重于走向方案、局部方案等宏觀層面上的方案研究，方案少則十幾個，多則幾十個，選線任務繁重，作為上序控制專業，大部分時間用在與各專業配合的選線過程中，因此，提高選線效率，保證選線精度，是縮短項目周期，提升項目研究質量和效率的必要途經。

（二）基于數字地球輔助選線的流程

長期以來，前期研究一直遵循紙上選線，即使是計算機選線普及以后，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行計算機上的紙上選線，地面點仍需人工在圖上點出，仍然需要投入大量的人員，同時由于購買的大比例1：5w地形圖測繪年代較早，隨著社會經濟的迅速發展，很多近年建造的地物一般不會體現在5w圖上，則方案的精度和設計周期都已經不能完全與激烈的競爭市場相適應。

隨著數字地球應用的普及和地理信息系統的逐步完善，相關研究機構已經通過大地坐標與數字地球坐標相對關系的轉換，將傳統地形圖與數字地球聯系起來，實現了平面地形圖中的平面線位轉化至數字地球內三維線位的功能，通過反向提取數字地球內的三維線位數據可得出并轉化成線路在平面圖中的地面高程，通過線路軟件進行平縱斷面的設計及優化得出合理的線路方案。其選線流程及與傳統選線方法的主要區別見圖1所示。

圖1 基于數字地球輔助選線流程

二、數字地球輔助選線方法在鐵路前期選線中的應用

（一）基于數字地球輔助選線精度的分析

在將數字地球輔助選線方法應用于項目之前，為驗證該方法的精度，對已經實施的項目采用此方法提取的線路平縱面數據與通過準確的數字地形圖采集的數據進行對比分析。考慮到數據對比的可視性，本次以已經開工的烏扎線為例，對地形地物、平面坐標、地面點高程等三方面的精度進行對比。

1.地形地物的精度

將烏扎線的平面線位分別導入1：5w地形圖、1：1w地形圖、1：2000地形圖、數字地球地形圖中對比典型地形同一位置地物的差異。結果如下：

圖2 不圖地形圖地形地物對比圖

對比可知，數字地球的地物清晰，與地形圖中位置相符，精度介于1：5w、1：1w地形圖之間，部分地形圖上沒有的新建房屋、工廠等人工建筑物在數字地形圖上有體現。線位在數字地球內與地形地物相對位置的精度可滿足預可研階段及航測1：2000地形圖前的設計要求。

2.平面坐標及高程的精度

采用數字地球輔助選線方法提取烏扎線在數字地球內的平面位置與地面高程，在全線99.85km的范圍內，按60m里程間隔分別提取1665個平面坐標點和1665個高程點，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個平面坐標點和1665個高程點，通過不同坐標系統間的轉化并對比二者的差值，結果如下：

表1 平面坐標對比誤差分布表

分布區間誤差≤2m2m≤誤差<5m5m≤誤差<10m10m≤誤差<20m20m<誤差

坐標點分布48199307108427

所占比例2.88%11.95%18.44%65.11%1.62%

注：坐標誤差為同一點位的距離誤差，誤差已經考慮了坐標與經緯度轉化時產生的誤差。

經對比得出：線位在數字地球內的平面坐標與1：2000地形圖平面坐標相比，誤差小于2m的點位占2.88%，不滿足可行性研究的線位精度，但是小于20m的點位為1602個，占98.38%，可滿足預可研階段及航測1：2000地形圖前的設計要求。

表2 地面高程的對比誤差分布表

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

坐標點分布5595095087811

所占比例33.57%30.57%30.51%4.69%0.66%

注：高程誤差已經考慮了不同高程系統間轉化時產生的誤差。

對比線位在數字地球內的地面高程與2000地形圖地面高程相比，小于1m的點位占33.57%，低于可行性研究要求的精度，但是小于10m的點位為1654個，占99.34%，且多分布于5m誤差以下區間，可滿足預可研階段及航測1：2000地形圖前的設計要求。

3.數字地球輔助選線方法的適用情況

采用數字地球輔助選線方法可補充1：5w、1：1w地形圖上缺失的近年來新建交通設施、建筑物等控制方案走向的地物。對于較大型的項目，在方案研究、預可行性研究以及初測前穩定1：2000地形圖航測范圍階段均能使用該方法輔助選線，其提取地面點的效率（百公里線路約耗時8～10min鐘）較人工點地面點提高20倍以上，對城鎮、建筑物、地類、河流、山脈等地物能有直觀感受，方便各專業對實地狀況的把握。

（二）數字地球輔助選線方法的實際應用

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

1.在新建孫遜鐵路預可研選線中的應用

在購買1：5w比例圖的同時，根據研究范圍，采用高配計算機下載了數字地球的比例圖并加載至選線軟件內，借助數字地球，對研究范圍內的道路、河流、保護區等上至1：5w地形圖上，在1：5w圖中初次選定線位，導入數字地球內修改平面線位并提取高程，轉換高程并拉縱斷面，得出初步平縱斷面，然后不斷優化線位得出線路方案。

該項目共研究了3個走向方案、2個局部方案、2個限坡方案、2個速度方案共計10個線路方案，算上中間方案優化過程，線路方案確實較多，但是采用數字地球輔助選線后，該項目線路方案共畫了6個工作日，精度也較3單純依靠1：5w圖選線有所提高。

2.在改建北黑鐵路預可研選線中的應用

改建北黑鐵路在根據既有線路技術履歷書恢復的過程中，發現恢復的線位與實際有較大區別，通過在數字地球中描繪既有鐵路，導出既有線平面至選線軟件中，輔助修正技術履歷書上的偏角等曲線要素，使既有線滿足預可研精度。其余輔助選線參照新線的方法，只是對斷鏈需進行消除換算。

3.基于數字地球輔助選線應用中的注意事項

由于數字地球高度依賴網絡傳輸下載數據，因此網絡環境直接影響提取數據的精度，建議在提取出的數據中需隨機抽樣復核合格后再用；線位在選線軟件與數字地球之間轉換過程中需要選擇正確的轉換參數，否則得出的結果不準確。

三、結論與展望