（道路与铁道工程专业论文）多地层数字地面模型在道路设计中的应用研究.pdf

摘要 数字地面模型( 简称数模) 技术在道路设计中已得到了越来越广的应用，特别是近年来， 其应用已呈普及之势，成为广大道路工程技术人员的有力工具 本文研究了现有数字地面模型的特点及其在道路设计领域中的应用。分析了现有数字地 面模型在道路设计中的不足，主要体现在：( 1 ) 现有数模仅表达原地面的高低起伏；( 2 ) 现 有数模对道路设计所提供的信息比较单一，主要是原地面高程，对地面以下的信息不能或不 予表达；( 3 ) 现有数模三维表达的层次不够。为此，本文提出了多地层数字地面模型的概念， 旨在弥补目前使用的数字地面模型在道路设计中存在的不足。 本文研究了数字地面模型的构网技术，比较了各种算法的特点，采用了高效的分治算法 的构同方法针对1 ) e l a m m y 三角月的特点以及道路和土层地基的分层的特点建立了多地层 数字地面模型的数学表达模型及其数据的组织结构，结合关系数据库，借鉴g i s 系统的 数据管理方法，采用了文件管理与商用关系数据库相结合的数据管理方式。并使用v k a l c 忖和o b j c c t a a x 在a u t o c a d 环境下实现了多地层数字地面模型的软件开发。 本文着重研究了多地层数字地面模型在道路领域中的应用，主要实现了快速有效的进行 地质资料的查询和断面的削切，断面法土方分类计算，基于多地层数字地面模型的场地平整 的土方计算以及三维道路土方的分类计算等。充分发挥了多地层数字地面模型的优势，弥补 了传统数字地面模型对于地质信息表达不足的缺点。 通过算倒，证明了多地层数字地面模型应用的正确性和可行性。多地层数字地面模型技 术为道路设计向三维化，“精细化”的优化设计目标打下了基础。 关键词；多地层；数字地面模型；道路设计；d e l m m a y 三角喇；石方数量；工程数据库 a b s t r a c t t h ed i g i u l lt e l _ t a i nm o d e l ( d 删) t e c h n i q u eh a da l r c a d yg o t t e nm o 怫a n dn l o l ta p p l i c a t i o ni n h i g h w a yd e s i g n e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s , i ti 7 , o l l l e sai n d i s p e n s a b l yp o w e r f u lt o o lf o rr o a d d e s i g ne n g i n e e r s 。 t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h l n c t c l i s l j t 3o f t l a ec u r r e n tc t i g i t a lt e r r a i nm o d e la n dt h ea p p l i c a t i o n s i nt h ci d g l l w a yd e s i g n i ts 岫妇龇s h o r t a g eo f t h ec u r r o n td i g i t a lt c r l a i nm o d e li l s e di nl b e h i g h w a yd e s i g na sf o l i o w i l l g ： ( 1 ) o n l ys t a t i n gt h es i t u 越i o no f t h e 鲫r f a o f t h ee a n l i ； ( 2 ) l i m i t e di n f o r m a t i o n i 1 1 0m e s 鞠铲a v a i l a b l eu n d e rs w 细：c ； ( 3 ) 3 dv i s u n l i z a t i o nw i t h o u tm u l t i - s t r a t ad i s p l a y t os o l v et h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to fm u l t i 一$ 1 r a l a d i g i t a lt e r r a i nm o d e i ( m s i y r m ) , w h i c hc me x t e n da n di m p r o v et h ea p p l i c a t i o no fd t mi n h i g h w a yd e s i g n a f t e rs t u & , n ga l g o r i l t m l st o t c r e a t i n gd c l a u n a yl r i a n g u l a t i o n a n d c o m p a r i n g t h e c h 锄圈c 忱蝻矧c i c so fv a d r i o u sa l g o r i t h m s , d i v i d e - a n d - c o n q u e rm e t h o di sa d o p t e df o rm s d t m w n h c o n s i d e r a t i o no ft h ed w a e t e t i s t i , - so fd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n , t h em u l t i s t t a t l l ( h y e r - b y - l a y e r ) s p e c i a l i t yf o rb o t hr o a d w a ya n df o u n d a t i o n , t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n , t h ed a t as l l m e t u r en n d t i l ed a t am a n a g e n l e l r l tw h i c hc o m b i n e st h ef i l em a t l a g e m c n ta n dc o m m e r c i a lr e l a t i o n a ld a t a b a s ea e s t a b l i s h e df o rm s d t m t h i sp a p e ra l s oc o m p l e t et h es o i l , w a r ed e v e l o p m e n tp r o g r a m m e d 蚵 v i s u a lc + + a n do b j e c t , 蠊, x t h es o t t w n r em a k e st h ea p p l i c a t i o no f m s d t mp o s s i b l ea n d 噼 t h i sp a p e rf o e m e so i lt h ea p p l i t i o no f m s d t m i n c l u d i n gr a p i dq u e r y i n gg e o l o g i c a ld a t aa n d c u t t i n g , e n l e u l a t i n ge a u r t h w o a kw h i , hc a t e g o r i z i n ga c c o r d i n g t ot h ec a t e g o r yo fl l a es o i lw i t h 咖s e c tm d l i o d c a l c u l a t i n ge a r t h w o r ki ng r o u n dl e v e l i n ga n di nr o a db a s e do nm s d t m ，a n d o 也 r h r o u g h 廿l et e s t i n ge x a m p l e s , t h ee f f e c t so fm s d t ma p p l i c a t i o n 黜p r o v e na c c u r a t ea n d f e n s i b l e t h em s d t mt e c h n i q u ew i l lp l a yai m p o r t a n tr o l et ol dt h er o a dd e s i g nt oah i e , h e r r e f i n e dd e s i g n 枷“3 dd 日i g n l e v e l i k , t 卵v o r d s ：m u l t i s t r a t a ；h i g h w a yd e s i g n ； e a r t l a w o r kv o l u m e ；e n g i n e e r i n gd a t a b a s e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：上主1 _ 鱼立日期： 缈汐7 j 2 牛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 i i 研究背景 第一章绪论 1 9 5 5 年美国麻省理工大学院的c h a i r e s l m i l l e r 教授提出了数字地面模型的概念。当时 研究的目的是如何应用从摄影测量获得的数据通过数字化计算的方法来加快公路设计。 数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，简称数模或者d t m ) 是一个表示地形特征、空 问分布的，有规则的数字阵列，也就是将地形表面用密集的三维坐标工r ，z 表示的一种 数学表达形式【l 】 严格的说，数字地面模型是定义在某一区域d 上的m 维向量有限序列： k ，j - l ，2 ，以 其向量一= ( e ，f ，y 0 ) 的分量为地形上的特有信息值，一般包含基本地貌信息 如高程( 1 z ，】：，互l ，( 置，l ：) d ) ；自然地理环境信息如土壤、地质；自然构筑物如河流、 水系：社会人文经济信息如人口分布、工农业产值1 2 】。 数字地面模型最初的含义只考虑地貌要素，其余的诸如居民低，建筑物、道路、桥涵、 水系等自然要素和人工要素均不考虑在数字地面模型之内。随着数字地面模型理论的发展和 应用的普及，人们逐步地认识到只考虑地貌的数字地面模型不能确切的表示地形形状和特 征，也不能完全满足各种工程设计的需要。所以在数字地面模型的研究中，从单纯地形地貌 的考虑中已经逐渐增加了地物、各种人工构造物、水系等多种因素，使数字地面模型的适应 能力更强、应用范围更广。 数字地面模型作为地面信息的数字表达主要有以下几个特点： ( 1 ) 可以以多种形式来表现地形信息，地形数据经过计算机处理后，可以产生多种比 例尺的地形图、纵横断面图、三维图等； ( 2 ) 精度高。数据便于修改、更新、储藏； ( 3 ) 实现了设计的自动化、实时化、一体化。 数字地面模型是多学科交叉与渗透的高科技产物，已在测绘、资源与环境、灾害防治、 国防等与地形分析有关的各个领域发挥着越来越大的作用，也在国防建设与国民生产中有很 高的利用价值。 近2 0 年来，c a d 技术在道路设计工作中的应用逐渐广泛和深入。特别是近5 年来，数 字地面模型技术得到了越来越广的应用，成为广大道路 j 鼍技术人员不可或缺的有力工具 用户通过使用采集得到的航测数据、地形图、野外实测数据等资料，建立数字地面模型，在 此基础上用户只需把设计的路线的起点、终点的平面坐标以及平曲线要素等信息输入到数字 地面模型中，数字地面模型系统就可以自动从数字地面模型中内插出路线设计所需要的地形 数据，以及为绘制路线平面图所需地形等高线等数据，配合路线优化程序就可以快速完成路 线设计的各项内业工作，输出各项成果文件，大大提高了道路设计的效率，而且计算精度高， 准确率大。 数字地面模型可以用于道路设计的各个阶段，可利用数字地面模型进行方案的比选，选 择较优的方案，而不需要重测；数字地面模型可用于道路初步设计和技术设计，设计者只需 做一些必要的外业调查和实测，就可以直接利用计算机进行路线设计；数字地面模型可以用 于绘制地形图，路线平面图、地形透视图等，大大减轻了设计人员的工作强度。l j l 而且数字 地面模型在道路勘测设计一体化的过程中起到了一个桥梁的作用，其连接了测量与道路设 计，可以实现各方数据的联动，当测量数据发生改变( 修改或者补测) 时，只要相应的调整 数字地面模型即可。数字地面模型实现了一次建模多次使用的特点。 但是，目前在道路设计中所使用的数字地面模型主要是地面的三维数字化表示，表示的 是地面的高低起伏状态，对道路设计所提供的信息比较单一，主要是原地面高程。对地面以 下的信息不能或不予表达，地面以下的地质资料仍然需要通过设计人员利用地质报告来进行 东南大学硕士学位论文 人工判断和读取不能充分发挥数字地面模型实现设计自动化、实时化、一体化的优势，仍 然无法摆脱人量的人工干预。 同时在用道路c a d 软件进行土方计算时也不能自动的区分表层浮土以及地表以下各层 土的属性，其资料也需要人 输入，而且也只能人概的按照卣分比来计算，不能进行精确的 土方计算。在进行纵横断面设计时，数模能提供的也仅仅是原地面的高程和地形的起伏状况， 虽然和以前全人工的方法相比数字地面模型的应用大大减少了人t = 的干预，提高了工作效率 和设计的精度，但是要进行更加“精细化”的设计单单利用现有的数字地面模型仍然是不够 的 在用数字地面模型构建道路模型的时候，也只能够构建道路的路面状况，不能反映道路 的路面结构的分层状态。特别对于老路改造来说，如果能够将老路的各层路面结构用数模表 示出来，那么能够大大提高改造设计的自动化程度。 因此。从目前道路设计不断“精细化”的要求来看，对数字地面模型提出了更高的要求， 即多地层数字地面模型，这是在原数字地面模型的基础上加入地层信息，构建有多个地层组 建的新型数字地面模型，利用多地层数字地面模型可以进行精细化的道路设计。 通过建立多地层数字地面模型，将地质信息及其形态构造直观形象地展现在道路设计者 面前，道路设计者可以从数字地面模型中获取更多的地面地层信息，从而能够最大限度地增 强地质分析的直观性和准确性，从而实现道路设计的最优化。 1 2 研究现状 1 2 数模构网技术概况 在数模的发展过程中，出现了一批优秀的d t m 软件包主要有德国s t u t t g a r t 大学研制的 s c o p 程序，m u n i c h 大学研制的h i f i 程序，h a n n o v e r 大学研制的t a s h 程序，奥地利v i e n n a 工业大学研制s o r a 程序，瑞士z u r i c h 工业大学研制的c i p 程序等。 要实现多地层数字地面模型，就要用到三维空间构模。目前三维空间构模方法可以分为 面模型、体模型和面体混合模型三大类。( 见表1 1 的分类和表1 2 的比较) 表1 i 空间构模方法简介脚 巾：模型 面模型 混合模型 规则体元不规则体元 结构实体几何 不规则三角罔( t i n )四面体网格( t e n ) t i n - c s g 混合 ( c s g ) t i n - o c t r e e 混合或 格网( g r i d )体素( v o x e l ) 金字塔( 1 y r a m i o ) h y b r i d 模型 边界表示模型( b - t e p )八叉树( o c t r e e ) 三棱柱( t p )w i r e f r a m e b l o c k 混合 地质细胞 线框( w h e f r a m e )针体( n e e d l e ) o c t r e e - t e n 混合 ( g e o c e l l u l a t ) 相连切片( l i n k e d 规则块体 非规则块体( i r r e g u l a r s l i c e s ) ( r e g u l a rb l o c k ) b l o c k ) 断面( s e c t i o n )实体( s o l i d ) 断面一三角网 3 d v o r o n o i 图 ( s e c t i o n - t i nm i x e d ) 多层d e m s广义三棱柱( g t p ) 2 第一章绪论 表1 2 面模型和体模型的性能分析1 5 1 指标 模型绘制形态灵 处理精确局部全局简洁可分重建物理 渲染活性异质度编辑 编辑性析性能力实现 面模 易好不能极好好好较好好好易 型 体模 型 建 极好易差极好差差好极好 易 1 2 1 i 基于面模型构模 基于面模型的构模方法侧重于三维空间实体的表面表示比如地形表面、地质层面、构 筑物( 建筑物) 及地下工程的轮廓与空间框架。这种方法所模拟的表面可以是封闭的，也可 能是非封闭的。通过表面表示形成三维空间目标轮廓。 其主要的优点就是该方法便于显示和数据更新，不足之处由于缺少几何描述和内部属性 记录而难以进行三维空问查询与分析。 1 2 1 2 基于体模型构模 体模型是基于三维空间的体元分割和真三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存 储，因而可以进行三维空间操作和分析，但是这种构模方式存储空间大、计算速度比较慢。 规则体元通常用于水体、污染和环境问题的构模，其中v o x e l 、o c t r e e 模型是一种无采 样约束的面向场( 如重力场、磁场) 的连续空间的标准分割方法。n e e d l e 和r e g u l a rb l o c k 则可以用于简单的地质构模。 非规则体元是有采样约束的、基于地质地层界面和地质构造的面向实体的3 d 模型 1 2 1 - 3 基于面体混合构模 混合模型是综合了面模型和体模型的优点，以及规则体元与非规则体元的优点，但是这 种构模方式在程序设计中很难实现。 1 2 2 地质分析软件数模概况 目前主要研究的地质模型主要是针对采矿工程的，他能够较好的满足采矿工程活动中的 矿产资源勘探和评价，地下矿井和露天矿坑设计和规划、矿产资源管理和采矿生产管理等需 求i 叫。a l a nm l e i n o n ，n o r m a nlj o n e s 研究介绍了“协eh o r i z o n sm e t h o d ”方法”j ，该方法 直接从钻孔数据建立地质模型，大大减少了人工的干预。w ul i x i n 研究了三棱柱模型在三维 地质模型中的拓扑关系1 1 “，j i a n y ag o n g ，p a n g g e nc h e n g a ，y a n d o n gw a n g 研究了三维空间 模型及其在地质勘探中的应用j ，同时介绍了“地矿三维可视化开发系统”的开发和应用。 y o l a gx u e 。m i ns u n c ，a i n a im a c 研究了用d e l a u n a y 三角网构建= 维空问复杂地质对象的方 法1 1 2 1 马琦研究了三维地质建模1 1 3 l ，提出了地层自动撕裂模型建立方案，从断层预处理与 地层自动撕裂处理出发，针对一些关键问题，给出了相应的解决方法，最终实现了地层模型 的自动撕裂。魏敏研究了三维地质建模与仿真l j ”，提出了运用数据库管理技术、计算机处 理技术和计算机图视技术与人机交互技术建立三维地质建模与仿真研究的基本技术思路，实 现了地质数据管理，工区布置图、复杂剖面图、复杂等值线图和二维地质模型图的显示与绘 制。齐安文。吴立新，李冰等研究了类三棱柱法构建三维地学空间模型的方法”，对三棱 柱法建模进行了优化。 同时也有很多商业化的软件，如三维可视化地质勘查软件k a n t a n 3 d 系统涵盖了地质 勘查工作的全过程，可以对综合资料分析、立项设计、最优化网度的选取、工程实施、阶段 性总结、各种图件的制作、成矿预测，报告的提交等各个环节进行综合处理；北京网格天地 软件技术有限公司推出的地质家助手软件服务于采油厂、地质院等单位；美国考格尼塞斯公 司开发的t e r r a c u b e ( 三维地球模型) 系统为石油勘探提供了一整套地球物理勘探和地质应用 的综合分析方法和手段，其中的地质解释软件g e o s e c3 d 是一个完整的三维地质可视化、 3 东南大学硕士学位论文 模型、平衡和恢复系统；以色列帕拉代姆地球物理公司的g e o d e p t h 系列软件产品用于建立 可视化的三维地球( 地质) 模型( e a r t h m o d e l ) ；加拿大阿波罗科技集团公司推出的三维建 模与分析软件m i c r o l y n x ，加拿大g e m c o ms o f t w a r ei n t e r n a t i o n a li n c 公司开发的g e o c o m 软件，其研究的重点在于地质体的构模和实体内部信息的表达，主要用于对三维地质模型的 空间分析。1 1 6 1 这些软件对丁：道路设计的针对性不强，不能够很好的满足道路设计的要求。 所以对于多地层数字( 地面) 模型在道路设计中的应用研究是有一定的必要性和实用性的。 1 2 2 道路设计软件数模概况 从5 0 年代末期，美国麻省理工学院c h a i r e s l m i l l e r 教授研究用数字地面模型来进行道 路设计开始，人们对数模的研究和应用已经有将近5 0 年的历史了，随着计算机技术的及其 外围设备的不断发展，数模在测绘、铁路、公路、机场及其它土建工程领域中得到了广泛的 应用。 目前，通过野外测量、航测、地图数字化等途径可以得到设计所需的原始的地形资料， 经过计算机处理后形成数字地面模型，可以为道路c a d 系统用来进行道路设计 数字地面模型一般有以下三部分组成： ( 1 ) 用离散的形式将某一区域内一系列采样点的信息，按照一定的规则存储在计算机 中，形成一个有限项的向量序列，通常用x ，y 表示平面坐标，z 表示高程； ( 2 ) 给定某种数学方法来拟合地表形态，通过它可求得该区域中任意一个平面位置点 的高程和地面特征； ( 3 ) 功能模块，完成坐标系的转换。f r o 目前主要研究最多的为三角网数字地面模型，并产生了许多的高效的构网算法，主要有 三角网生长算法、逐点插入算法和分治算法等基本的算法。其中分治算法的计算效率比较高。 其主要思想是使问题简化，把离数点集划分成足够小，使其易于生成三角网，然后把子集中 的三角网合并生成最终的三角网。 但是这只是单一数模的构建算法，这方面的研究目前已经取得了很多成果，但是针对道 路设计多层的地点，目前的研究仍然是比较有限的。 a u t o d e s k 公司推出的c i v i l3 d 软件，集成了g i s 、道路设计软件等在内的土木工程软件 包，其提供了四种曲面类型，三角网曲面、栅格曲面、三角网体量曲面、栅格体量曲面等类 型。在c i v i l3 d 中的地形曲面不限于地表分析，同时也可用于分析复杂的地质构造。使用钻 孔数据，可以创建多个地形曲面来模拟地质构造的分界面。可以用三维方式直观的查看地质 构造，自动绘制多层断面，或者计算指定地层的体积，虽然其提供了对单个数模以及数模组 的强大的管理功能，但其并没有严格区分同层的数模还是不同层的数模，也没有引入地质属 性，不便于道路设计 其它商用道路设计c a d 系统中也集成了数字地面模型，如e i c a d 系统，d i c a dp r o 系统、海德( h e a d ) 系统、纬地( h i n t c a d ) 系统、m x 系统、c a r d l 系统、g e o p a k 系统都集成了数字地面模型，但是这些数模大多数都是单数模，或者是单层多数模。在单层 多数模系统中虽然可以同时导入多个数模，但是其并没有引入地层信息，仍然处理的是地表 的高程信息，但是其优点就是大大扩大了数模建模的数据量，因为当原始的地形资料的数据 量特别大时，可以进行分别的建模，使得每个数模的数据量相对适中，这样不至于造成运算 速度过慢。 因此，道路领域对于多地层数字地面模型的研究仍然是有限的，其研究的成果主要是为 地质部门和矿产部门服务的。由于道路设计具有自身的特点，研究用于道路设计的多地层数 字地面模型是很具有实用价值的。 1 3 主要研究内容 本文首先研究了单个三角网数模的构网算法，使其具有可扩展性，并针对多地层数字地 面模型的特点进行了研究；其次，针对多地层数字地面模型具有数据量大，数据种类多的特 4 第一章绪论 点。引入了数据库对数据进行综合管理，研究数据库的连接、控制和管理等技术。最后在此 基础上，提出了多地层数字地面模! i ! 的数据组织，模型建立以及程序实现，并且针对道路设 计领域研究了多地层数字地面模型在道路设计领域中的应用。 本文对多地层数字地面模型的研究主要集中在以下几点： l 、建立合理的多地层数字地面模型 ( 1 ) 采用合理的空间构网技术是建立模型需要解决的首要问题，直接影响着多地层数 字地面模型的建立和设计。 ( 2 ) 合适地表达地层与断层，地层与地层、断层与断层的相互关系，关系到模型的实 用程度 ( 3 ) 采用合理的数据结构进行数据存储和计算，关系到模型的计算速度 2 、建立多地层数字地面模型的程序设计 ( 1 ) 程序实现多地层数字地面模型。 ( 2 ) 快速有效的进行地质资料的查询和断面的剖切 ( 3 ) 将多地层数字地面模型应用于道路设计，进行基于三角网数模的分类土方量计算 ( 包括道路土方计算和场地平整土方计算) ，从而达到优化设计，进而减少总工程造价的目 的 5 东南大学硕士学位论文 第二章多地层数字地面模型系统 2 1 多地层数字地面模型系统概述 随着c a d 技术的不断发展，设计人员对于数字地面模型的要求不断提高，要求数字地 面模型能够满足“精细化”的设计要求，同时结合路基土呈层状分布的特点，提出了多地层 数字地面模型的概念。 通过建立多地层数字地面模型，将地质信息及其形态构造直观形象地展现在道路设计者 面前。道路设计者可以从数字地面模型中获取更多的地面地层信息，从而能够晟大限度地增 强地质分析的直观性和准确性，从而实现道路设计的最优化。 2 1 1 数字地面模型概述 巨之 6 第二章多地层数字地面模型系统 映区域信息的范围，并定义了二维平面上的v o r o n o i 图。1 9 11 年。a h t h i e s s e n 应用v o r o n o i 图进行了大区域的平均降水量的研究。1 9 3 4 年，b d c l a u n a y 由v o m n o i 图演化出了易于分 析戍用的d e l a u n a y 三角网。从此，v o r o n o i 图和d c l a u n a y 三角网就成为了被普遍接受和广 泛采用的分析研究区域离散数据的有力工具。1 1 w i m l a u n a y 三角网的定义：给定一个d 维e u c l i d e a n 空问e 和一个n 点肌。集m 。那么。 关联的v o r o n o i 图为覆盖e 的一个凸多边形序列( 矿( 巩) ，y ( l ) ，矿( 历。) ) ，其中， 以m ) 包括e 中所有以m 中的鸭为最近点的点。即矿( 隅) = p e ：f 。l s ，s n ， 川办砚j a ( p ，m 。) ，d 表示e u c l i d e a n 距离。v o r o n o i 图的几何对偶，即把点肼。联结起来 而得到的邻接格网称为m 的d c l a u n a y 兰角网，这一过程即称为d e l a u n a y 三角网化( d t ) ， 显然，d e l a u n a y 三角网的元素之并等于m 的凸包之内部。 由上述定义可以得到d c l a m m y 三角网的构网结构非常均匀，并且具有以下两个重要的 性质： ( 1 ) 空外接圆性质。在由点集v 所形成的d c l a u n a y 三角网中，其中每个三角形的外 接圆均不包含点集v 中的任何其它点。 ( 2 ) 最大的最小角度性质。在由点集v 所能形成的三角网中，d e l a u n a y 三角网中三角 形的蜃小角度是最大的，即交换两相邻三角形所组成的凸多边形的对角线，不会使六个角中 最小的角变丈 由于这两个性质，决定了d c l a u n a y 三角网具有极大的应用价值，同时它也是二维平面 三角网中唯一的最好的。m i l e s 证明d e l a u n a y 三角网是“最好”的三角网：s i b s o n 认定“在 一个有限点集中，只存在一个局部等角的三角网，这就是d e l a u n a y 三角网”；l i n g a s 进一步 论证了“在一般情况下，d e l a u n a y 三角网是最优的”；t s a i 认为，“在不多于3 个相邻点共圆 的欧几里德平面中d c l a u n a y 三角网是唯一的”，有鉴于此，d e l a u n a y 三角网成为了一种最 主要的d t m 表示方法例 2 1 2 多地层数字地面模型的定义 所谓多地层数字地面模型，就是在传统的数字地面模型的基础上加入地层信息，构建有 多个地层组建的新型数字地面模型，利用多地层数字地面模型可以进行“精细化”的道路设 计，使道路设计更加自动化、集成化，大大提高了道路设计的效率。( 如图2 - 1 所示) 由于土层和道路结构都具有层状分布的特性，所以多地层数字地面模型可以很方便的应 用于道路设计的各个阶段，实现与道路设计的完美结合。 多地层数字地面模型即可用于土层的分层建模，也可用于道路的分层建模，将传统的数 模应用从表达原地面和路面的表面状况扩展到了表现土层和道路内部结构的组成状况，从而 大大丰富了数模的应用领域。 ( a ) 多地层数字地面模型侧面示意图 7 东南大学硕士学位论文 2 1 3 系统的功能模块 ( b ) 多地层数字地面模型正面示意图 图2 1 多地层数字地面模型示意图 多地层数字地面模型系统功能( 如图2 - 2 所示) 主要分成两大部分，一是多地层数字地 面模型的模型建立；二是多地层数字地面模型的应用( 见第4 章) 。 对于多地层数字地面模型的建立，主要完成模型的建立，修改、优化、保存、显示、查。 询等基本功能，为多地层数字地面模型的应用做准备。 对于多地层数字地面模型的应用其应用范围很广，在本系统中主要完成输出纵横断地 面线、土方计算、等高线的输出以及道路三维边界的输出。 图2 - 2 多地层数字地面模型系统模块图 8 第二章多地层数字地面模型系统 2 1 4 系统的基本工作流程 丽吲 峰- j 擅1 格式出文件 圈2 - 3 多地层数字地面模型系统基本工作流程 系统地基本工作流程( 如图2 3 所示) 主要分为三个部分：数据的输入、模型的建立， 模型的应用。由测绘获取的地形原始数据根据数据的种类分为两部分。地面的高程信息存放 在文件系统中，地质属性信息则直接存放入数据库中。在建立模型的过程中，系统分别从文 件系统中获取高程信息从数据库中获取地质属性信息，两者结合建立多地层数字地面模型， 并在a m o c a d 中实现显示，为多地层数字地面模型的应用服务。 在多地层数字地面模型的应用中，本系统自动读入道路设计软件生成的逐桩坐标文件等 成果文件，利用多地层数字地面模型进行插值计算，将结果再次保存到数据库中，最后按照 道路设计软件的要求，按照一定的数据格式从数据库中输出成果文件。 2 1 5 多地层数字地面模型的建立过程 多地层数字地面模型的建立主要包含以下几个步骤( 如图2 4 所示) ： l 、数据的获取与处理 多地层数字地面模型的数据来源分为两大类，原地面高程信息和原地面以下各个地层的 高程信息及地质属性。这两种数据的来源和处理方式也略有不同。 对于原地面高程信息，其数据从测绘部】绘制的电子地形图中获取，根据地形图上提供 的等高线、商程点等高程信息系统可以自动提取高程数据。 对于原地面以下各个地层的高程信息及地质属性，由于目前地质资料的获取主要通过地 质勘探来获取，现行的方法主要是沿道路中心线的走向每隔一段距离打一个钻孔桩，通过钻 孔桩获取原始地层的信息，包括钻孔桩桩位的坐标、各个地层的高程、厚度等离散的信息。 对于这些离散的数据首先必须对其进行插值与拟合。在插值的过程中必须考虑到断层的影 响，因为断层往往会破坏地层的连续性，而改变地层原有的空间展布规律，所以对于存在断 层的情况，地层层面的拟合和差值与常规情况略有不同。 2 、多地层层面的确定。由于地层在空问上是按照一定的层序叠加分布的，为了确保上 下相邻地层具有唯一的分界面，在多地层边界的确定时附加一下两个约定： ( 1 ) 在地层分区的边界上，地层层面的高程等于上一地层层底的高程，且厚度为零； ( 2 ) 在该地层分布区域内，下层地层的层面高程强制限定为该地层层底高程。 3 、原地面以及各地层层面建立d e l a u n a y 三角网。根据插值拟合得到的离散数据，采用 d e l a u n a y 三角网来表达整个区域地面和地下的情况，为道路设计服务。 9 东南大学硕士学位论文 原始地质资料 i 抽象离散数据 建立数学模型 c a d 建模 圈2 - 4 多地层数字地面模型建立的过程 2 2 数据的采集和处理 2 2 1 基本假设 对于多地层数字地面模型系统，在本系统中引入了两个基本的假设： 所有地质资料都是可知的，并且可以获取在钻孔和钻孔之间不存在地层关系的突变。 印所有的地层关系的变化都发生在钻孔处。 不考虑地层被断层撕裂的情况，只考虑地层与地层、地层与断层的简单相交，即认为所 有的地层面与断层面都是没有裂口、没有内部边、没有洞的简单曲面 2 2 2 数据的获取 图2 - 5 多地层数字地面模型的数据分类 多地层数字地面模型的原始数据分为两部分：一部分为原地面的高程数据，其数据的来 源根据地形图获取，系统自动获取电子地形图的等高线、高程点等高程信息，成为原地面的 高程数据。 另一部分为原地面以下各地层的高程。这部分数据的采集采用如下的方法： 首先，假设所有地质资料都是可知的，并且可以获取，在钻孔桩和钻孔桩之间不存在地 层关系的突变，即所有的地层关系的变化都发生在钻孔处从目前道路设计部rj 和测绘部门 进行的工作来看是不满足这个假设的，目前只是在沿道路中心线方向每隔一定的距离打一个 钻孔桩，数据是比较有限的，但是随着工程计算的不断发展，新的测绘设备测绘手段的不断 引入，以及航测、遥感等技术的普及，这个假设是完全可以满足的。 目前采用的方法为，根据钻孔中中间的数据根据一定的原则进行数据内插，求得地下各 层的高程数据，但是这种方法只是一种近似的获取数据的方法，但是相比与人工读取数据却 大大提高了数据采集的自动化程度及速度。如陈学习等基于钻孔数据的含断层地质体三维建 模方法口”。在本系统中，根据前面的基本假设，做了一定的简化，程序根据现有的地质资 料( 工程地质剖面图、钻孔位地形图) ，通过设置地质剖面图两个方向的比例，及基点的高 一据一 薅一 一数一 圃一 一程一 韬程一 一高一 碍尚一 一面一 再喊一 亨燮 一翮一 酾 一 ，l_l 第二章多地层数字地面模型系统 程，可求得地层分解面线上任意一点的z 坐标，结合钻孔桩位图，可求得上述点的x ，y 坐 标，进而即可确定该点的空间坐标( j ，y ，z ) ，沿钻孔位走向和垂直于钻孔位走向方向上加 密地形点构成数字地面模型 2 3 数据组织方式 2 3 1 数据的组织 考虑到道路的数模建模需要海量的数据，以及数据库对于数据组织管理的优越性，同时 借鉴现有g i s 系统的数据组织管理方式。多地层数字地面模型采用文件系统与商用关系数 据库混合管理的系统。 地形点的高程信息是数模建模的关键数据，但是其数据鼍极其庞大，根据建模规模的大 小数据量将从几十兆到上千兆的范围变化。考虑到这样一个海鼍数据的存储会，i 用人量的硬 盘空间，如果将其存放在数据库中必将造成数据库体积过于庞大，甚至超出普通数据库的存 储极限，所以本系统采用文件系统的形式来对高程信息进行数据管理。而属性数据则存放在 商用关系数据库中，充分发挥数据库对于数据组织管理的优越性。两者之间通过特定的数据 进行联系。 2 3 2 多地层数字地面模型数据结构的设计 图2 - 6 多地层数字地面模型数据结构 多地层数字地面模型的数据结构如图2 - 6 所示，整个多地层数字地面模型根据地质分层 分成若干个层( f l o o r , ) ，每个层根据断层的情况或者用户的需求分成若干个数模( d r l l 喝) 整个系统就是有若干个层，每层包含若干个数模组成的多数模系统。 2 3 2 1 多地层数字地面模型层的数据结构 多地层数字地面模型系统在纵向由“层”( f l o o r ) 结构控制，其结构如图2 - 7 所示 “本层的名称”控制该层的名称，便于数模的分层使用和标识。 “本层的数模个数”控制当前层所包含的数模的个数，使得系统在同一层可以支持多个 数模，便于数模用于地层被断层断开的情况。 。指向本层数字地面模型的指针”则直接指向本层的各个数模。 东南大学硕士学位论文 圈2 - 7 多地层数字地面模型层( f l o o r ) 结构 2 3 2 2 多地层数字地面模型数模的数据结构 多地层数字地面模型系统的横向由带属性的“数模”( d 嗍) 结构控制，其结构如图4 8 所示 其属性分为两大类，第一类是“数模信息”其主要控制数模建模和实现，主要包括如下 属性： 。数模路径”实现了数据库与文件系统的关联。 “加载方式”控制了多地层数字地面模型系统中数模的加载方式。 “数据类型”控制导入的数据类型，如果是散点和约束文件则在数据导入的过程中需要 构网，如果导入的是数模成果文件则只需要直接加在即可。 。显示方式”控制数模的显示及其方式。 “显示颜色”控制数模的显示颜色。 另一类则是地质属性，包含当前地层分界层的上层土的属性和下层土的属性 图2 - 8 多地层数字地面模型数模( d t m ) 结构 2 4 多地层数字地面模型的建立 2 4 1 通过数据库建立模型 多地层数字地面模型的建立由数据库控制结合文件系统中的高程信息和数据库中的属 性信息进行建模。 2 4 1 1 建立项目数据库 本系统采用项目的形式进行数据管理，对于每一个独立的项目都建立一个独立的项目数 据库，数据的输入输出，中间数据的存储都在数据库中完成。 建立项目数据库也就是建立对应的数据库文件( m d b ) ，以及数据库中对应的各个表 第二章多地层数字地面模型系统 单。 2 4 1 2 建立数模 多地层数字地面模型系统建立模型，通过以下几个步骤实现： l 、建立空层 首先从数据库中读入需要建立的层的层名，使用如下s q l 语句实现，并且按照层名升 序进行排序。 s e l e c t f r o md t m s p r o j e c to r d e r b yf l o o r n u m b e r 依次建立各个空层，其数据结构入下所示： g r u c ts d t m s n o d e s t r i d t m * mp d l m ；，脂向本层的数字地面模型( 文件路径) s d t m s n o d e * m a o n e x t ；指向下一层数字地面模型的节点 i n tmi t o t a l c u r r e n t v q j s ：层数字地面模型的数目 d 嫩n l j f l r n 姗e 呻d o r m j e r j e n g n 玎；橱c 层的层名 ； 2 、添加数模及其属性 将本层的数字地面模型添加到新增的层中。 定义每个数模的类如下： c l a s ss t r i d t m p u b l i c ： s t r d t m p r o j e c t p a t h * m s a t t r i b u t ems a t t ；当前层当前数模上下土的属性 s t r i d t m + m 州既t ；，指向同一层的下一个数模 定义数模属性如下 c l a s s 蚶哺竹9 i t p 础i ，定义成员变量 p u b l i c ： i n tm 目(信息)类型建立数模：读取数模成果itype；项 i n tm _ i d i s p l y t y p e ；数模显示的方式不显示；显示边界；显示三维线；显示三 维面 c h a r * mf i p r o j e e t p a t h ；项目路径 c t f i a n g u l a t e * mp t f i ；，定义加载数模 i n tmi l 瑚d 聊e 数模加载类型不加载，动态加载，静态加载 c h a rm _ c d t m n a m e d t m n a m e _ l e n g t h 定义数模名称 i n tmi c o l o r l n d e x ；定义数模显示的颜色 艨取数模的范围 d o u b l em _ d o u x m i n ； d o u b l emd o u x m a x ； d o u b l em _ d