摘要：本文对数字地球辅助选线方法在铁路前期选线设计中的应用进行了简述。
关键词：数字地球；选线方法；前期选线；设计应用
一、数字地球辅助选线引入铁路前期选线设计的必要性
（一）提高选线效率的必要性
在铁路勘察设计中，选线在是研究线路方案的关键步骤。每个设计阶段研究的侧重点不同，选线研究的规模和精度也相应变化。
在预可研阶段等前期研究阶段，选线更侧重于走向方案、局部方案等宏观层面上的方案研究，方案少则十几个，多则几十个，选线任务繁重，作为上序控制专业，大部分时间用在与各专业配合的选线过程中，因此，提高选线效率，保证选线精度，是缩短项目周期，提升项目研究质量和效率的必要途经。
（二）基于数字地球辅助选线的流程
长期以来，前期研究一直遵循纸上选线，即使是计算机选线普及以后，也需将大比例地形图扫描成可载入cad的图片，然后配合选线软件进行计算机上的纸上选线，地面点仍需人工在图上点出，仍然需要投入大量的人员，同时由于购买的大比例1：5w地形图测绘年代较早，随着社会经济的迅速发展，很多近年建造的地物一般不会体现在5w图上，则方案的精度和设计周期都已经不能完全与激烈的竞争市场相适应。
随着数字地球应用的普及和地理信息系统的逐步完善，相关研究机构已经通过大地坐标与数字地球坐标相对关系的转换，将传统地形图与数字地球联系起来，实现了平面地形图中的平面线位转化至数字地球内三维线位的功能，通过反向提取数字地球内的三维线位数据可得出并转化成线路在平面图中的地面高程，通过线路软件进行平纵断面的设计及优化得出合理的线路方案。其选线流程及与传统选线方法的主要区别见图1所示。
图1 基于数字地球辅助选线流程
二、数字地球辅助选线方法在铁路前期选线中的应用
（一）基于数字地球辅助选线精度的分析
在将数字地球辅助选线方法应用于项目之前，为验证该方法的精度，对已经实施的项目采用此方法提取的线路平纵面数据与通过准确的数字地形图采集的数据进行对比分析。考虑到数据对比的可视性，本次以已经开工的乌扎线为例，对地形地物、平面坐标、地面点高程等三方面的精度进行对比。
1．地形地物的精度
将乌扎线的平面线位分别导入1：5w地形图、1：1w地形图、1：2000地形图、数字地球地形图中对比典型地形同一位置地物的差异。结果如下：
图2 不图地形图地形地物对比图
对比可知，数字地球的地物清晰，与地形图中位置相符，精度介于1：5w、1：1w地形图之间，部分地形图上没有的新建房屋、工厂等人工建筑物在数字地形图上有体现。线位在数字地球内与地形地物相对位置的精度可满足预可研阶段及航测1：2000地形图前的设计要求。
2．平面坐标及高程的精度
采用数字地球辅助选线方法提取乌扎线在数字地球内的平面位置与地面高程，在全线99.85km的范围内，按60m里程间隔分别提取1665个平面坐标点和1665个高程点，同理，采用一般方法按60m里程间隔提取乌扎线在1：2000比例地形图中的1665个平面坐标点和1665个高程点，通过不同坐标系统间的转化并对比二者的差值，结果如下：
表1 平面坐标对比误差分布表
分布区间 误差≤2m 2m≤误差＜5m 5m≤误差＜10m 10m≤误差＜20m 20m＜误差 坐标点分布 48 199 307 1084 27 所占比例 2.88％ 11.95％ 18.44％ 65.11％ 1.62％
注：坐标误差为同一点位的距离误差，误差已经考虑了坐标与经纬度转化时产生的误差。
经对比得出：线位在数字地球内的平面坐标与1：2000地形图平面坐标相比，误差小于2m的点位占2.88％，不满足可行性研究的线位精度，但是小于20m的点位为1602个，占98.38％，可满足预可研阶段及航测1：2000地形图前的设计要求。
表2 地面高程的对比误差分布表
分布区间 误差≤1m 1m≤误差＜2.5m 2.5m≤误差＜5m 5m≤误差＜10m 10m＜误差 坐标点分布 559 509 508 78 11 所占比例 33.57％ 30.57％ 30.51％ 4.69％ 0.66％
注：高程误差已经考虑了不同高程系统间转化时产生的误差。
对比线位在数字地球内的地面高程与2000地形图地面高程相比，小于1m的点位占33.57％，低于可行性研究要求的精度，但是小于10m的点位为1654个，占99.34％，且多分布于5m误差以下区间，可满足预可研阶段及航测1：2000地形图前的设计要求。
3．数字地球辅助选线方法的适用情况
采用数字地球辅助选线方法可补充1：5w、1：1w地形图上缺失的近年来新建交通设施、建筑物等控制方案走向的地物。对于较大型的项目，在方案研究、预可行性研究以及初测前稳定1：2000地形图航测范围阶段均能使用该方法辅助选线，其提取地面点的效率（百公里线路约耗时8~10min钟）较人工点地面点提高20倍以上，对城镇、建筑物、地类、河流、山脉等地物能有直观感受，方便各专业对实地状况的把握。
（二）数字地球辅助选线方法的实际应用
为提高工作效率，在验证了数字地球辅助选线精度的前提下，在孙逊铁路的预可行性研究和北黑铁路扩能改造方案研究中分别就新线和既有线改造采用了数字地球辅助选线方法。
1．在新建孙逊铁路预可研选线中的应用
在购买1：5w比例图的同时，根据研究范围，采用高配计算机下载了数字地球的比例图并加载至选线软件内，借助数字地球，对研究范围内的道路、河流、保护区等上至1：5w地形图上，在1：5w图中初次选定线位，导入数字地球内修改平面线位并提取高程，转换高程并拉纵断面，得出初步平纵断面，然后不断优化线位得出线路方案。
该项目共研究了3个走向方案、2个局部方案、2个限坡方案、2个速度方案共计10个线路方案，算上中间方案优化过程，线路方案确实较多，但是采用数字地球辅助选线后，该项目线路方案共画了6个工作日，精度也较3单纯依靠1：5w图选线有所提高。
2．在改建北黑铁路预可研选线中的应用
改建北黑铁路在根据既有线路技术履历书恢复的过程中，发现恢复的线位与实际有较大区别，通过在数字地球中描绘既有铁路，导出既有线平面至选线软件中，辅助修正技术履历书上的偏角等曲线要素，使既有线满足预可研精度。其余辅助选线参照新线的方法，只是对断链需进行消除换算。
3．基于数字地球辅助选线应用中的注意事项
由于数字地球高度依赖网络传输下载数据，因此网络环境直接影响提取数据的精度，建议在提取出的数据中需随机抽样复核合格后再用；线位在选线软件与数字地球之间转换过程中需要选择正确的转换参数，否则得出的结果不准确。
三、结论与展望
本文通过对基于数字地球辅助选线在铁路选线中的精度分析，得出了该方法在铁路预可研等前期方案研究中应用可行的结论，通过实际使用，进一步验证了该方法能大幅度提高线路设计者选线质量和效率的想法。
大数据时代已经到来，铁路选线方法也迎来变革时机，国内高校和相关设计研究机构已经开始在铁路选线中逐步引入数字化选线概念并尝试搭建应用平台。随着我国自主研发的北斗系统和地理信息系统商用功能的逐步完善，伴随我国铁路勘察设计走出去的步伐加快，数字化、可视化及BIM选线的时代即将到来。基于数字地球辅助选线方法作为数字化选线系统普及前的过渡方法，可以应用于项目前期选线研究。
参考文献：
1．《铁路线路设计规范》GB50090-2006 中华人民共和国建设部
2．《铁路数字化选线设计系统的原理与方法》易思蓉著 西南交通大学出版社
3．《中铁五院东北分院选线培训资料》中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院
4．《新建铁路乌兰浩特至扎赉特旗音德尔线可行性研究报告》中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院
论文作者:柴小龙
论文发表刊物:《基层建设》2015年第35期
论文发表时间:2016/12/7
标签：数字论文; 地球论文; 地形图论文; 误差论文; 高程论文; 精度论文; 方法论文; 《基层建设》2015年第35期论文;