数字地面模型论文.docx

数字地面模型及其应用1 数字地面模型简介数字地面模型(Digital Terrain Model,简称DTM)是指按照某种数学模型表达地形特征的描述方式。它由许多规则或无规则排列的地形点的三维坐标x,y,z组成,是数字化了的地形资料存储于计算机的产物。数字地面模型的建成就意味着获得了该地区的地表面形态,凡是为了显示该地区地形特征如纵断面、横断面、等高线地形图以及工程设计所需要的地面面积、体积和坡度等数据资料,都可以依据数字地面模型,应用计算机中的相应程序而获得。数字地面模型一般由三部分组成: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表示平面坐标系、用z表示高程,其他地理信息如建筑物、河流等用编码分层表示。2)由某种数学模型来拟合地表形态,通过它可求得该区域内任一点的高程或推算其他地面特征,如坡度、坡向等。3)功能程序块完成坐标系的转换等工作。由于三维数字地面模型处理具有相当的难度,数模技术虽已出现多年,但一直未能在生产实践中被广泛应用。直到近些年来,随着计算机软、硬件水平突飞猛进的发展,测绘技术手段和设备的不断提高,使数据采集方式和来源逐渐多样化,建立数字地面模型并对它进行各种处理的技术也逐渐成熟起来,并在测绘、公路、铁路、水利等各个工程领域得到普遍应用。DTM和公路CAD技术相结合,使公路勘测设计一体化成为现实。2 公路设计中常用数字地面模型的类型公路设计中常用数字地面模型的类型按照采样点的布局可分为四种类型:离散型、(方)格网型、三角网型、鱼骨型。1)离散型数模又称散点数模,它由随机分布的离散地形数据构成。其构模的基本思想是:某个小范围的地面可用一圆滑曲面表示,即用一圆滑曲面去拟合地面,对每一个待定点,选择其附近的若干个已知地形点,按照远近考虑其权值,以最小二乘法拟合出一个曲面函数z=f(x,y)。公路设计中常用二次多项式曲面作为拟合曲面。拟合区域一般是以该点为圆心,以包住15个20个点为最优取一半径的圆形区域。散点数模地形点可任意布置,能适应地形变化,但地形点的选择需要一定经验,此种构模方式占用计算机内存较大,计算较慢。2)(方)格网型数模是将道路中线左右一定区域内的地面划分成方格或长方格,按一定次序读入网格高程,输入计算机构成数模。其构模思想是:某个待定点所在方格4个节点高程是z1,z2,z3,z4,将其拟合为一双曲抛物面,待定点高程为:z= a+bx+cy+dxy (1)其中,a=-z1;b=(z2-z1)/dx ;c=(z3-z1)/ dy ;d=(z1-z2-z3-z4)/(dx* dy)。(方)格网型数模采点方便,不依赖于经验,而且占用计算机内存小,计算速度快,但是节点不一定是地形变化点,故精度较低。3)三角网型数模是目前公路设计中最普遍采用的一种形式。它的构模思想是:将地面看成是由许多微小三角形平面所组成的,最逼近地形表面的折面;然后读取并存储各三角形顶点的三维坐标,构成三角网数模。它所形成的网格具有整体最优性,其采用的数学模型如下:1x1x1yzy1z11x21x3y2z2y3z3=0其中, xiyizi均为三角形顶点坐标;x,y,z均为待求点的坐标。4)鱼骨型数模必须在路线方案确定以后,沿路线的法线方向采集地形点构成数模,这与传统的手工方法相同。这种方法容易从航测相片或既有地形图上采点,但必须在路线方案已定的情况下才能采点建模,不宜进行方案比选,故已不常用。3 数字地面模型的建立数字地面模型的建立最重要的是获得可靠的数据来源。一般情况下建模过程可分为三步:数据取样、数据处理和数据记录。数据取样是指数据点的选取和坐标点的量测;数据处理是以数据点作为控制基础,用某一数学模型来模拟地表面、进行内插加密计算,以取得待定点的高程值;数据记录是将地面模型以数字形式记录并存入计算机。数据处理和记录所采用的各种数学模型上面已有交待,以下着重介绍数据取样的方式。建模的数据来源主要有三类:航片解析、野外实测、已有地形图矢量化。目前,摄影测量手段和设备都相当先进,使用各种数字测图仪、解析测图仪和数字/模拟立体测图仪都可以在航片解析测图过程中自动采集DTM数据,它的数据来源稳定可靠、少差错遗漏,减少了高强度的外业劳动,效率很高。缺点是:这种方式对设备要求较高、航飞外业成本高昂、技术手段较为复杂。野外实测是利用全站仪、电子经纬仪、GPS(RTK)等设备与计算机组成一个采集、记录、处理系统,来采集可供建模的地形点资料。这种方法精度最高,在技术上、设备上要求不是很高,采点的人需要有一定经验,尽量采集那些建模效率高的点。这种方法的缺点是外业劳动强度和工作量都相当大,效率不高。利用已有地形图矢量化是最经济的一种方式。只需收集测区已有地形图资料通过数字化仪、扫描仪等设备进行后处理后获得建模所需的DTM数据。这种方法精度最低,而且后处理工作相当繁琐、工作量巨大、效率不高。需要指出的是无论采用哪种方式,采样点的密度都要根据数模要求精度和地形情况合理确定,不能过稀,也不宜过密,且对断裂线的采集要高度重视。无论采取哪种方式,建模过程中必须加入断裂线进行约束4数字地面模型（DTM）的特点1）容易以多种形式显示地形信息。地形数据经过计算机软件处理后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。而常规地形图经制作完成后，比例尺不容易改变，改变或者绘制其他形式的地形图，则需要人工处理。2）精度不会损失。常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度。而 DTM 采用数字媒介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由DTM直接输出，精度可得到控制。3）容易实现自动化、实时化。常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，不利于地图的实时更新。而 DTM 由于是数字形式的，所以增加或改变地形信息只需将修改信息直接输入到计算机，经软件处理后立即可产生实时化的各种地形图。概括起来，数字高程模型具有以下显著的特点：便于存储、更新、传播和计算机自动处理；具有多比例尺特性。5数字地面模型（DTM）的优化在数据采点的密度和位置不十分理想的情况下，所形成的三角网格就不能更贴切地反应实际地面的变化，如出现平三角形等。那就需要对数模进行优化，可以自动剔除不在指定范围的高程粗差点、异常点和废点。利用数字地面模型应注意的问题是要保证它的真实性。在建立数字地面模型时一定要在山脊、山谷、山脚、坡顶、坡脚等地形变化处添加断裂线。其中陡坎上、下边缘线一定都要有，断裂线不得相交。地形点要能真实反映地形，点的密度要足以控制住地形。在进行点线编辑时，一定要根据实际地形调整。6配套软件TodayCAD经过多年的实践我院编制出一套适合公路勘测全过程的基于CAD上面的软件TodayCAD。它要求我们在外业对特征线都得进行一定编码测量，通过软件就可以轻松获得DTM模型，并且通过软件也可以轻松检查出外业存在的问题并给予修正。本软件不需要花太多的时间和精力去处理内业，极大地减轻了劳动强度，经过多个项目的应用，应用结果显示，与常规方法相比，TodayCAD测量系统能够缩短至少2/3的内业时间，并且可以提供任意位置断面数据，从而提高测量工作效益和降低重复作业的风险。7 数字地面模型的应用1）对走廊带比选进行优化。根据公路工程项目的任务委托书,确定路线起终点及经过县镇控制点,是否符合路网整体规划。在充分考虑路线方案各因素(如地形、地物、地质、交通量、人为、标准、工程投资及运营费用等)的前提下,宏观上在1:10 000平面图上选定几条走廊带,接下来在各走廊带内用实用的曲线定线法根据公路路线设计规范大致确定一下平面线形,从数字地面模型中用内插法提取纵断面地面线,然后根据地形、地物、构造物等进行试拉坡,并轻易地从数字地面模型中提取了横断面地面线,根据拟定的横断面进行横断面设计、计算土石方工程量、统计构造物。对工程量大小、线形指标高低、施工难度、运营管理等因素进行比较,最后确定两条走廊带。2）对各走廊带具体线位具体优化。例如工程建设项目位于山岭区,地形复杂,多为沟状地形,沟底宽窄差距较大,线位在左侧和右侧,工程量和构造物会相差较大,在同一坡面上,线拉的高低直接影响工程量。为了减少工程量和获得较好的线形,需要进行大量的、反复的线位比较。按照以往的方法,每调整一次线位,就得在地形图上根据高程点和等高线来点取纵断面线、横断面线,然后输到微机里进行设计,如发现不妥之处,必须从头开始。每次设计从地形图上提取数据工作量巨大,且周期长,精度难于保证。然而利用数字地面模型可以直接提取纵断面地面线数据和横断面线数据,立等可取,而且不会出错,比起人工点取数据可快上数百倍、甚至几千倍。这样会大大减轻路线工程师的工作量,从而争取了时间,使工程师有更多的时间寻求更为合理的方案。3）土石方量计算。土方量是工程费用估算及方案选优的重要因素，所以公路工程必须涉及土方量计算问题，将自然地形的DTM与规划地形DTM叠加起来（二者的网格体系应该完全一致），在每个格点处用规则高程减去自然高程，得出格点上的施工高度，施工高度为正时为填方；施工高度为负时为挖方，通过这种方法，就很容易地计算出土方量。4）三维可视化。在公路的勘测设计中，通过设计表面模型和DTM的叠加，实现道路的景观模型以及动画演示，从而对设计质量进行评价，并对拟建道路与周围环境的协调状况进行分析。借助3DMAX做渲染和动画，生成公路动态全景透视图。通过数模表示的3维地形表面与工程设计模型叠加而产生的带真实背景的3维实体工程模型，可进行工程设计的评估和修改，以期消除后患，提高工程设计质量，还可以在模型基础上进行环境、绿化等设计。8 利用数字地面模型应