道路路线CAD基础.ppt

道路路线道路路线cadcad基础基础 *年十一月 *大学*学院 * 建筑之家 荣誉整理 第一章 绪论 一、历史 1. 国外 60年代 平、纵线形要素计算，横断面、土石方计算，平、纵 线形优化； 70年代 数字地面模型、图形显示及计算机绘图； 80年代 系统化（航测设备+计算机硬件+计算机软件的组合 系统）、集成化（数据采集+设计、分析+三维显示与成图+ 优化技术） 90年代 国际化、多元化、系统的深化及柔软性的提高； 智能化cad（ai+cad）；数据采集运用gps+航测或全站仪 建立数模。 2. 国内 70年代中期，有人收集国外情报； 79年 公路、铁路纵断面优化。同济大学开办培训班、研讨班， 形成国内路线cad的“火种”； 85年 武汉二院basic编写的公路路线cad软件已出版、推广， 李方、张雨化亦有类似软件； 80-90年 交通部“七五”攻关项目“高等级公路路线综合优化及cad 系统”，基于apollo工作站、ddm图形系统，获部一等奖； 90年代 单兵作战，在dos, autocad, windows3.x, windows95/98及网络环境下，利用basic, fortran, c/c+, vb, vc, autolisp等语言开发，但无一能与国外同类软件相比。 二、现状 1. 国外 1.1 moss 1.2 card/1 1.3 inroads of intergraph 1.4 geopak road 2. 国内 2.1 “七五”攻关成果 2.2 ricad, head, road for windows95/98, ahcad,. 问题：(1) 越是工程早期，cad/cae的支持越无力； (2) 很难做到勘测、设计一体化，效率不高。 三、发展趋势 1. 勘测、设计一体化； 2. 3d技术、virtual reality（虚拟现实）技术； 3. 多媒体技术； 4. 数据库技术、人工智能； 5. 集成化技术； 3s、5s、 xs 思考题： * 了解路线cad的基本内容； * 了解国内、外路线cad的发展历史及现状； * 了解路线cad的发展趋势。 第二章 数据采集系统 第一节 野外数据采集 一、传统测量与全站仪(total station)测量 仪器设备的电子化； 记录存储在磁介质或内存里； 数据的编码交换，为后续工作直接提供服务。 二、gps与rs gps(global positioning system) 对测量产生了革命性 的影响； gps系统： 1. navstar/gps navigation satellite timing and ranging/global positioning system 美国，经方案论证（1974-1978）、系统论证（1979-1987）、生产试验（ 1988-1993），卫星颗数为21+3，卫星轨道面数为6，高度为20220公里。 耗资200亿美圆。 2. glonass 前苏联，卫星颗数为24+1，1996年1月18日正常运行。 3. navsat 西欧欧洲空间局（esa）正在筹建。 gps系统 组成： 1. gps工作卫星及其星座 2. 地面监控系统 3. gps信号接受机 gps的特点： 1. 定位精度高 50公里内 10-6 100-500公里 10-7 1000公里以上 10-9 2. 观测时间短 相对静态定位，20公里内：15-20分钟 快速静态定位，15公里内：1-2分钟 动态相对定位：几秒 3. 测站间无需通视 4. 可提供三维坐标 gps水准可满足四等水准精度 5. 操作简便 6. 全天候作业 7. 功能多，应用广 测量、导航、测速、测时 rs(remote sensing) 对路线综合优化设计提供基础数据的 支撑。 “遥感”一词产生于60年代初期，意思是遥远的感知。 目标辐 射信息 遥感器 （收集、传递信息） 目标信息的 处理、判释、 应用 介质 传输 人工辐射源 三、航测 (一)象片的获取 (二)对航摄的基本要求 1、飞行质量 (1)象片重叠度 (2)象片倾斜角、航向重叠度 (3)航偏角 (4)航线弯曲度航线弯曲处最大偏离值与航线全长之比应小 于3% (5)摄影航高 2、对摄影质量的要求 (1)灰雾密度小于0.2，应小于0.3、 (2)影象的最小密度至少应比灰雾密度大0.2 (3)最大密度应在1.51.8以内，应大于1.0 (4)最大反差一般地区应在1.11.4之间，应大于0.6 (5)光学框标的影象应清晰、齐全 (6)底片上不应有云、云影、划痕、划伤及药膜损伤 (7)定影和水洗要充分 (8)底片的压平误差应在限差以内，压平线的弯曲不应超 过0.1mm (三)航摄成果的验收与移交 (四)航片的特点 1.航片是地面的中心投影； 2.在同一张航片上，构象比例尺是不均匀的； 3.航片上的影象存在象点的位移和方向的偏差； 4.在一定条件下，航片上的象点坐标可以转换为地面测量坐标 系坐标； 5.利用航片可以实现摄影过程的几何反转； (五)航测的测图方法及为道路勘测设计提供的图种 1、航测可行性过程 (1)外业 野外控制测量和象片判读调绘 (2)内业 室内控制点加密和测图 2、四种测图方法 (1)综合法 航测+普通测量 (2)分工法 (3)全能法 (4)解析法 3、为道路设计提供的图种 第二节 室内数据采集 一、人工制作 二、地形图像数字化（利用数字化仪、利用扫描图象） 三、栅格图像矢量化 （ geoscan，geostar吉奥之星 ) epsw, cass, read 四、数字摄影测量(dps) 思考题： * 正确理解路线cad中勘测阶段与设计阶段的关系，树立“勘测 设计一体化”的思想； * 了解野外数据采集的手段（传统测量、全站仪测量、航空摄 影测量、gps、rs等）及特点； * 全站仪测量的主要内容与过程； * 航空摄影测量的主要内容与过程； * 了解室内数据采集的手段（人工制作、地形图数字化、栅格 图象矢量化、数字摄影测量等）及特点； * 了解地形图数字化的方法； * 了解栅格图象矢量化的方法； * 了解数字摄影测量的方法。 第三章 数字地面模型 第一节 概述 数字地面模型（dtm, digital terrain model）最初是美国麻省 理工学院miller教授为了高速公路的自动设计与1956年提出的。 此后，它被广泛用于各种线路（铁路、公路、输电线）的设计 及各种工程的面积、体积、坡度的计算，任意两点间的可视性 判断及绘制任意断面图。 第三章 数字地面模型 1、定义：数模是以数字形式按一定的结构组织在一起 ，表示实际地形特征的空间分布模型，也是地形形状 大小和起伏的数字描述。 2、组成：数据的获取、转换、预处理、构网建模、存 贮和管理；数模的应用。 3、性能：精度、计算速度、处理的数据量，数据采集 工作量、用户界面等 第二节 dtm类型 按数据结构形式分 面状（格网、三角网、空间多边形） 线状（等高线、断裂线） 点状（散点） 按几何形状分 规则数模（方格、矩形、正三角形网） 半规则数模（等高线、地形断面） 不规则数模（散点、三角网tin） 第二节 dtm类型 一、方格网 路中线两侧一定范围内划分成大小相等的方格或长方格、按次 读取格网交(节)点的高程。 二、带状格网三角网： 鱼骨式：沿路中线及法线方向选取地形点，桩号支距+高程。 随意鱼骨式：几乎路中线法线方向选取地形点，相邻鱼骨线联 成三角网。 三、区域三角网 tin（ triangulation irregular networks ） 可包含路线走廊的较大区域的三角网 方格网数模 鱼骨式三角网数模 随意鱼骨式三角网数模 第三节 dtm的构造与高程的插值算法 一、方格网 1、构造 2、插值算法 双曲抛物面 z=a0+a1x+a2y+a3xy a0=z1, a1=(z2-z1)/dx, a2=(z3-z1)dy, a3=(z1-z2- z3+z4)/(dxdy) 3、特点 (1)优点：计算简单，数据组织与管理简单； (2)缺点：不能真实地反映地形； 二、带状格网、三角网 (一)鱼骨式 1、构成 2、插值 3、特点 (1)优点：构网简单，插值算法简单，数据量少； (2)缺点：不能很好地反映地形。 (二)随意鱼骨式 1、构成 2、插值 3、特点 (1)优点：构网简单，插值算法简单，数据量少，比鱼骨式能更 好地反映地形； (2)缺点：仍不能很好地反映地形。 三、区域三角网 1、构成 自动联网 delaunay(thiessen)、最小边长和 2、插值 3、特点 (1)优点：能较好地反映地形，插值算法简单，支持路线多方案 比选； (2)缺点：构网较复杂，数据处理量大，耗时较长。 第四节 dtm的应用 一、输出纵横地面线、平面图 二、3dface、 3d辅助生成 三、渲染、动画(真三维模型 autocad、3dmax) 思考题： 数字地面模型是连接勘测阶段与设计阶段的桥梁，是提高设计 质量与效率的核心。 * 树立数模在路线cad中的核心地位的思想； * 了解数模的种类及适用条件； * 了解鱼骨式及随意鱼骨式数模的构网方法； * 掌握方格网数模的构网方法与高程插值算法； * 掌握三角网数模的构网方法与高程插值算法； * 了解数模在路线cad中的应用。 第四章 平面设计与绘图 第一节 平面线形设计的理论方法 一、导线法(直线型设计方法) 三单元线法(不完整、不对称的回旋曲线) 二、模式法（曲线型设计方法） 第二节 平面线形组合设计 一、形式 12种 二、适用性 具体分析 第三节 动态、交互平面设计 一、非交互设计 “电算”“非交互”“交互”三个实现的发展阶段； 二、交互设计 特点：图形、数据的双向连接，一一对应 动态：实现技术上锦上添花：拖曳、实时变化、所见即所谓， 往往是通过分流资源，已提供的函数工具等加以完成。 第四节 平面图绘制 包括： 平面线位图 平面设计后即可获得 平面占地图 纵、横断面设计后 平面布置图排水、防护工程等完成 第五节 平面线形优化理论 一、原理 变量、约束条件、目标函数的概念 二、方法 1、动态规划法 动态规划法： 把整个路线划分成许多分段，在设法计算出每个分段目标函数 值后，利用一种递推关系式一个分段一个分段地推出最优决策 ，以达到使整个路线最优的结果。 fn(s)=min xn(s)ds,xn(s)fn-1xn(s) 式中： n 阶段变量，优化过程中的分段数； s 状态变量，表示路线将在该点(亦即该变量)以前进行优化； xn(s) 决策变量，表示在状态变量s被选定的情况下将对该变量 xn(s)进行最优决策； ds,xn(s)目标函数增量，表示由状态变量得到决策变量xn(s) 间这一分段的目标函数值； fn-1x n(s)表示从路线起点到决策变量x n(s)之间，共n-1 个分段构成的目标函数累计的最小值； fn(s) 目标函数，表示以路线起点到状态变量s为止的共n个路线 分段构成的目标函数累计的最小值。 目标函数 1、道路的建造费用：土方工程费、人工构造物 2、征地费用； 3、汽车营运费：包括汽车的油耗、磨损和折旧、道路养护费、 汽车行驶速度和耗费时间的等效费用。 思考题： * 了解平面线形设计的传统方法（导线法）以及新的曲线型方法 的概念； * 掌握改进的导线法设计过程； * 掌握曲线型方法设计基本型、c型、s型等平面线形的原理； * 了解平面线形设计的基本组合； * 了解公路线形最优化设计的基本概念； * 掌握一种方法的平面线形优化设计，并了解优化设计的难点是 什么； * 了解路线平面图绘制的类型和基本思路。 第五章 纵断面设计与绘图 第一节 动态、交互纵断面设计 一、动态、交互式设计 二、尽可能多地提供信息(平、纵配合，高程约束填挖、土方 等积曲线、土方差和累积曲线) 第二节 纵断面绘面 一、用户化 可定义图框、纵横比例尺、栏目、格网、线型、颜色、字高 、精度、线宽 第三节 纵断面优化 一、降维法 二、随机法 三、动态规划法 思考题： * 了解动态、交互式纵断面设计的方法与特点； * 了解几种常见的纵断面线形优化设计方法； * 了解路线纵断面图绘制的特点。 第六章 横断面设计与绘图 第一节 标准横断面定义 路基范围以内：简单 路基范围以外：多变 第二节 路槽挖除定义 对称、不对称 第三节 边沟、排水沟、挡墙定义及设置条件 一、经济 二、占地、地面横坡 第四节 横断面设计与平面图布置、透视图的 关系 第五节 横断面绘图 用户化：格网、注记内容、形式 思考题： * 了解标准横断面定义的作用； * 了解挡土墙等构造物定义的作用； * 了解超高、加宽方式的定义； * 了解路基横断面图绘制的特点。 第七章 路线透视图的绘制 第一节 2d persperctive 一、原理 用二维表达三维视觉效果 屏幕坐标系、视点坐标系、大地坐标系之间的变换关系 二、方法 第二节 3d perspective 一、原理 3d model和dtm关系密切 二、方法 对3d model进行操作、渲染、动画( render、 animation、 virtual reality ) 思考题： * 了解2d、3d透视图的基本概念； * 了解2d路线透视图与全景透视图的区别； * 了解3d路线模型的生成及其渲染、动化制作的联系及过程。 第八章 表格制作 表格制作是在几何设计完成的基础上，按要求生成一定带格式 的文件，如wps，cced，word，excel开发相对简单 早期开发常见（需针对）直接驱动打印机，绘图仪，现在较流 行生成各种检式的文件，打印管理交给系统。 * 直线、曲线转角表 * 平曲线特征点表 * 逐桩坐标表 * 路基设计表 * 土石方工程数量表 * 公里土石方