现代道路设计—测设新技术(三).ppt

现代道路设计 长沙理工大学交通运输工程学院桂岚 概述及基础知识 地形数据采集与处理 数字地面模型及应用 公路计算机辅助设计 道路测设新技术 数字地面模型理论与方法 概述数字地面模型的分类数字地面模型的生成数字地面模型在道路工程中的应用 数字地面模型 DTM DigitalTerrainModel 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于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 1 概述 一 概念DTM DigitalTerrainModel 数字地面模型 是用数字形式描述地形表面的模型 实质上这是对地面形态和属性信息的数字表达 如 高程 海拔高度 坡度 坡向和地面粗糙度等地形因子 DEM DigitalElevationModel 数字高程模型 是DTM模型的一种特例 当DTM模型中数字属性为高程时称为数字高程模型 坡度 坡向 地面粗糙度等其它地形因子都可以由高程推导而出 所以 DEM也是DTM的基础 数字高程模型 泰山数字地面模型 9 11 事件前后世贸大厦的数字高程图 VirtuoZo自动生成的高精度的DTM DEM 等高线内插 1 概述 二 数字地面模型的发展过程50年代末是其概念的形成 60年至70年代对DTM内插问题进行研究 70年代中 后期对采样方法进行了研究 80年代以来 对DTM的研究涉及到DTM系统的各个环节 三 DEM的表示方法 1 概述 2 数字地面模型的分类 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 一 规则格网模型格网点 针对格网点的值格网面元 组成格网的四个相邻格点在水平面上所包含的面积单元 格网面元的趋势面格网面元的四个角点高程支撑的数学面 通常该数学面用三种形式表示 2 数字地面模型的分类 一 规则格网模型规则格网模型将空间区域分成规则的等距离单元 每个单元对应一个数值 通常在数学上表示为一个矩阵 在计算机中表现为一个二维数组 每个格网单元或数组元素对应一个高程值 如方格网数模 矩形格网数模 2 数字地面模型的分类 一 规则格网模型 一 规则格网模型规则格网数据模型的优点 1 数据结构简单 算法实现容易 便于空间操作和存储 尤其适合在栅格数据结构的GIS系统中 2 容易计算等高线 坡度 坡向 自动提取地域地形等 规则格网数据模型的缺点 1 数据量大 有数据冗余2 不规则的地面特性与规则的数据不协调 它对不同地形采用一律平等的规则格网 不利于表示复杂地形 2 数字地面模型的分类 2 数字地面模型的分类 二 不规则三角网模型不规则三角网 TIN 表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题 而且能更加有效地用于各类以DTM为基础的计算 但其结构复杂 TIN TriangulatedIrregularNetwork 表示法利用所有采样点取得的离散数据 按照优化组合的原则 把这些离散点 各三角形的顶点 连接成相互连续的三角面 在连接时 尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等 Delaunay 因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置 能充分表示地形特征点和线 从而减少了地形较平坦地区的数据冗余 不规则三角网 TIN模型的存储方式 不规则三角网 TIN TIN小结 表示方法 将区域划分为相邻的三角面网络 区域中任意点都将落在三角面顶点 线或三角形内 落在顶点上其高程与顶点相同 落在线上则由两个顶点线性插值得到 落在三角形内则由三个顶点插值得到 生成方法 由不规则点 矩形格网或等高线转换而得到 TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息 而在简单的地区收集少量信息 避免数据冗余 对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统更有效 如坡度 坡向等的计算 规则格网DEM和不规则三角网TIN的比较 3 数字地面模型的生成 地形数据采集地形数据预处理地形数据排序与检索数字地面模型的高程内插 一 地形数据采集数字地面模型的数据来源主要有两个方面 一是直接取自地形表面 二是间接取自地形表面的模拟模型 根据数据获取的方法不同 数据来源可分为以下几种 3 数字地面模型的生成 1 DEM数据点的采集方法 地面测量 利用自动记录的测距经纬仪在野外实测 现有地图数字化 DLG 手扶跟踪数字化仪 扫描数字化仪 空间传感器 GPS 激光测高仪 4 从摄影测量立体模型上采取 大多数立体测图仪 解析测图仪的数字化系统都能从遥感像片上采取数据 自动化的摄影测量系统则采用自动影像相关器 沿着扫描断面产生高密度的高程点 沿等高线采样 主要用于山区采样 规则网格采样 按规则矩形网格进行采样 可直接生成规则矩形格网的DEM数据 渐进采样 根据地形使采样点合理分布 即平坦地区采样点少 地形复杂区采样点多 选择采样 根据地形特征进行采样 如沿山脊线 山谷线等进行采集 混合采样 数字摄影测量采样点的选取 注意 所有采集的数据都要按一定的空间插值方法转换成点模式格式数据 沿等高线采样 规则格网采样 沿断面扫描 渐进采样 ProgressiveSampling 先按比较稀疏的间隔进行采样 获得一个稀疏的格网 然后分析是否需要加密 P1 P3 P5 P2 P4 h 2 h 2 h2 计算两点间中点的二次内插值与线性内插值之差 利用高程的二阶差分 二 采集方法1 人工格网法2 三角网法3 立体像对法4 曲面拟合法5 等值线插值法 3 数字地面模型的生成 3 数字地面模型的生成 在地形图上蒙上格网 逐格读取中心点或交点的高程值 1 人工格网法 3 数字地面模型的生成 对有限个离散点 每三个邻近点联结成三角形 每个三角形代表一个局部平面 再根据每个平面方程 可计算各格网点高程 生成DEM 2 三角网法 三 地形数据排序与检索DEM数据预处理是DEM内插之前的准备工作 它是整个数据处理的一部分 包括数据格式的转换 坐标系统的转换 数据的编辑 栅格数据的矢量化转换机数据分块等内容 3 数字地面模型的生成 四 DEM的内插方法DEM内插就是根据参考点上的高程求出其他的待定点的高程 在数学上属于插值问题 由于所采集的原始数据排列一般是不规则的 因此 为了获得规则格网的DEM 内插是必不可少的一个步骤 1 线性插值 2 移动曲面拟合法 3 有限元法DEM内插 双线性有限元内插法 3 数字地面模型的生成 4 数字地面模型在道路工程中的应用