基于道路纵断面的桥隧自动分界方法应用分析

引言

在道路工程体系中，桥梁与隧道作为跨越障碍、穿越复杂地形的关键结构，其分界的准确性直接影响工程勘察设计的合理性、施工组织的科学性及运营维护的安全性。

一、道路纵断面与桥隧分界的内在关联

1.1 道路纵断面的核心特征

道路纵断面是沿道路中线方向的竖向剖面，主要反映道路高程随里程的变化规律，其核心特征参数包括坡度、坡长、高程转折点及曲率。坡度是纵断面相邻两点间高程差与水平距离的比值，直接决定道路竖向走势— 上坡段坡度为正，下坡段为负，平坡段接近零；坡长指同一坡度段的水平长度，影响车辆行驶动力性能与道路结构设计；高程转折点是坡度发生变化的临界点，通常对应地形起伏或工程结构衔接位置。

1.2 桥隧结构的纵断面特性

桥梁与隧道的结构功能差异，使其在道路纵断面上呈现显著不同的特征。桥梁的核心功能是跨越山谷、河流等凹陷地形，为保证行车平顺性与结构安全性，其纵断面通常设计为 “凸形竖曲线”—— 以跨越山谷为例，桥梁两端与道路衔接段坡度逐渐变化，形成中间高、两端低的高程走势，纵断面坡度从正坡度过渡至负坡度，转折点位于桥梁中点附近。

二、基于道路纵断面的桥隧自动分界方法原理与流程

2.1 核心原理

基于道路纵断面的桥隧自动分界方法，核心是通过数据挖掘技术提取纵断面特征参数，结合桥隧结构的纵断面特性，构建分界判定模型，实现桥隧边界的自动化识别。其原理可概括为 “参数提取 - 特征匹配 — 边界判定” 三步：首先，从道路纵断面数据中提取坡度、高程转折点、曲率等关键参数；其次，将提取的参数与预设的桥隧纵断面特征模板进行匹配；最后，通过判定模型计算参数匹配度，当匹配度达到阈值时，确定桥隧边界位置。

2.2 实施流程

2.2.1 纵断面数据预处理

数据预处理是确保自动分界精度的基础，主要包括数据清洗、坐标统一与平滑处理。数据清洗需去除纵断面原始数据中的异常值，通过均值滤波、插值法填补缺失数据，保证数据连续性；坐标统一将纵断面数据的里程坐标、高程坐标转换为统一坐标系，避免因坐标偏差影响参数计算；平滑处理采用移动平均法消除数据噪声，如对相邻 5 个里程点的高程进行平均计算，减少测量波动对坡度、曲率计算的干扰，确保特征参数提取准确。

2.2.2 特征参数提取

基于预处理后的纵断面数据，采用数值计算方法提取关键特征参数。坡度计算通过相邻两个里程点的高程差除以里程差得到，公式为：坡度 i=（高程 i+1 - 高程 i）/（里程 i+1- 里程 i），并记录每个坡度对应的坡长；高程转折点通过对比相邻坡度值确定，当相邻坡度差值绝对值超过预设阈值（如 0.02）时，判定该点为高程转折点；曲率计算针对纵断面曲线段，采用圆曲线拟合方法，通过 3 个相邻里程点的坐标计算竖曲线半径，公式为 R=Ω(Ω1+Ωk²) ）^(3/2)/|k’|（其中 k 为曲线段斜率，k’为斜率变化率），进而得到曲率值（曲率 μ=1/R ）。提取过程中需按里程顺序存储参数，形成“里程 — 坡度 — 坡长 — 高程转折点 — 曲率” 的参数序列，为后续匹配提供数据支撑。

2.2.3 桥隧特征匹配与边界判定

根据提取的参数序列，与预设的桥隧特征模板进行匹配。桥梁特征模板设定为：存在连续正坡度段（上坡） $$ 高程转折点 $$ 连续负坡度段（下坡），且坡度绝对值 ⩽5% （高速公路标准），竖曲线曲率≥1/1000（凸形竖曲线半径 ⩽1000m ）；隧道特征模板设定为：存在连续正坡度段（上坡） $$ 高程转折点 $$ 连续负坡度段（下坡），且坡度绝对值 ⩽3% （隧道设计标准），竖曲线曲率 ⩾1/2000 （凹形竖曲线半径 ⩽2000m ）。匹配过程中，通过计算参数序列与模板的相似度（如坡度变化趋势吻合度、曲率偏差率），当相似度 ⩾90% 时，触发边界判定：桥梁起点为正坡度段的起始里程点，终点为负坡度段的结束里程点。

三、方法应用中的关键技术要点

3.1 特征参数阈值优化

分界阈值作为特征参数影响着分界精度，应根据道路等级、地形类型做动态的优化。不同的道路等级对应的纵断面设计对桥梁的要求不同，如高速公路上桥梁最大坡度控制为 5% ，二级公路上桥梁最大坡度为 7% ，所以应该针对不同的等级道路设定不同的坡度阈值——高速公路桥梁设定坡度阈值为 ±5% ，二级公路坡度阈值为 ±7% ，以此避免低等级道路由于设置统一的阈值而导致分界偏差。地形类型也应该纳入阈值优化的考虑范围当中：对于山区道路纵断面起伏大，变化频繁，需要调整阈值，缩小坡度差值的阈值 ( 如从 0.02 缩到 0.01) 来增加对高程转折点的敏感度；而平原道路纵断面平缓，变化小，可以增大坡度差值的阈值( 如从0.02 扩大到0.03)以减少误判。

3.2 多源数据融合校正

单一纵断面数据易受地形复杂、测量误差影响，需融合其他数据进行校正，主要包括横断面数据、遥感影像数据与工程设计数据。横断面数据反映道路横向高程变化，可辅助验证纵断面分界的合理性 —— 如桥梁分界位置的横断面若呈现 “中间高、两侧低” 的特征，与纵断面 “凸形” 特征匹配，可确认分界准确；遥感影像数据可直观显示地形地貌，如纵断面判定的隧道起点若对应遥感影像中的山体边缘，可验证分界位置正确；工程设计数据可作为最终校验依据，将自动分界结果与设计图纸对比，修正偏差。

3.3 模型自动化迭代升级

建立桥隧自动化分界模型的过程中，要针对实际工程应用进行反馈迭代，形成“应用—反馈—优化”的闭环管理，针对每个项目应用之后收集人工复核的分界误差信息，判断误差产生的原因—由于特殊地形使得纵断面特征不明显，需要增加判别模型中的参数“隧道埋深”；由于桥梁或高架连接线的纵断面特征重叠，因此需要调整曲线曲率阈值进行区分。根据误差产生的原因利用机器学习算法改变判别模型中的参数，在已有的历史工程应用中进行训练，通过迭代算法定位调整特征参数权值及匹配规则，使模型更加适用于工程复杂情况；并且建立模型版本更新管理流程，记录每一次模型参数变化及应用情况，实现模型的溯源可查，可修改优化，以提高模型分界自动化水平。

结语

自动桥隧分界方案根植于道路纵断面上的桥隧分界方法，充分提取利用纵断面特征与桥隧结构的内在关联性，构建自动判定模型，从根本上摆脱了传统人工分界的效率低下、精度不足，实现了分界数据由人到机器、由低维度到多维度、由经验到逻辑的转变。以数据前处理为依据，以特征参数提取为手段，以多源数据校准为检验，在提高桥隧自动分界效率和精度水平的同时实现了道路工程的数字和智慧化建设。实践证实，自动桥隧分界方法适用于任意地形，对于道路等级不限，具有广范的工程应用性。

参考文献：

[1] 王佳亮 . 基于道路纵断面的桥隧自动分界方法应用分析 [J]. 安徽建筑 ,2025,32(09):138-140.DOI:10.16330/j.cnki.1007-7359.2025.9.48.

[2] 张鹏鹏 , 王世东 . 基于全站仪的道路纵断面测量研究 [J]. 地理空间信息 ,2020,18(08):76-78+109+7.