公路cad完整教程——3n

公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,1,第一节 数据的采集,一、概述原始数据是指反映公路设计区域地形、地质、水文、地物的图形、符号、数值等数据。地形数据是指反映拟建公路沿线区域地形特征的各类数据，它是进行公路设计的基础数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其值的过程，是建立数字地形模型的基础工作。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,2,传统的数据采集方式已不能满足现代道路测设的需要，并且是影响设计周期及质量的关键，因此，获取高速、精确的地形数据是现代道路测设中急需解决的问题。 3S(GIS，GPS，RS)技术集成; 4D技术DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型;DOM(Digital Orthophoto Map)数字正射图;DRG(Digital Rastar Graphic)数字栅格地图;DLG（Digital Line Graphic）数字线划图。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,3,二、 地形数据采集的分类与特点,公路设计原始地形数据的来源，通常有三种方法：利用航空摄影测量和遥感方法采集地形数据；利用已有的图形数字化、矢量化；野外实测采集地形数据。 对于以上每种方法，根据设备及手段的不同又有多种数据采集形式。比如航测数据采集按设备不同又可分为模拟法测图、解析法测图及数字测图等方式。地形图数字化有人工手扶跟踪数字化仪输入法和全自动数字化仪(扫描仪)输入法两种；,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,4,野外实测数据有采用常规的野外测量方式、由人工实测和记录获得地形数据，也可用电子速测仪从野外实测获得地形数据，还有采用全球卫星定位系统GPS从野外采集地形数据等。或利用GIS和DTM直接与CAD嫁接，地形数据采集分类如图4-1。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,5,第一节数据的采集,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,6,1、航测法采集地形数据 摄影测量是利用摄影所得的像片，研究和确定被摄物体形状、大小、位置、属性相互关系的一种技术。 由于航测方法采集数据能直观地观察地表形态，控制地形点的分布和密度，信息可靠，精度高。是理想的地形数据采集手段。 在公路设计中的应用： 航测地形数据采集步骤：,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,7,遥感技术（Remote Sensing ）,2、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，意思是遥远的感知遥感（RS）是利用航片或卫星照片上含有的丰富地表信息，通过立体观察和相片判释并经过计算机的自动处理、自动识别，获得与路线相关的各种地质、水文、建材等资料的一个计算机软硬件系统。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,8,原理,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,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,9,遥感技术（Remote Sensing ）,遥感技术在公路勘测设计中有以下优点： （1）它可以帮助设计人员对路线所经区域的地形、地貌、河流、居民点以及交通网系等进行概要判读，以了解其对路线的影响，有助于对路线方案的优化。 （2）同时它提供详细的地质、水文、植被资料，帮助设计人员了解不良工程地质现象对路线的影响程度，以便提早改线，避免不必要的损害和事故发生。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,10,（3）通过遥感资料，可以帮助设计人员了解沿线土壤和植被类型，了解农作物及经济作物的分布情况，以便为绿化设计作准备。 （4）通过遥感资料，还可以帮助设计人员了解沿线建筑材料的分布、储量 、开挖、运输条件，为施工创造良好便利条件。 （5）同时通过遥感资料，可以对所选路线线形进行三维透视，可以帮助设计人员了解路线线形是否顺畅，行车视距是否良好，与周围景观是否协调一致。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,11,3、地形数字化（1）技术手段 *人工制作 *地形图像数字化（利用数字化仪、利用扫描图象） *栅格图像矢量化 （ GeoScan，GeoStar吉奥之星 ) EPSW, CASS, READ *数字摄影测量(DPS) （2）基本原理（P210）,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,12,第一节数据的采集,4、野外测量方法 野外数据采集测量人员利用所带测量仪器（经纬仪或全站仪）在野外实测地形数据，是种切实可行的野外地形数据采集方式。 技术手段： * 常规测量法 *全站仪测图法 * GPS测图法,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,13,传统测量与全站仪(Total Station)测量区别 *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。 GPS测量 GPS(Global Positioning System) 对测量产生了革命性 的影响；,第三章公路CAD数据的采集,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,14,全球卫星定位系统(Global Positioning System),GPS全球定位系统 卫星定位是依靠空间卫星传送到地面接收机的信号，从电磁波的时间和速度或是波长与相位判断距离。 它是全球性的卫星定位和导航系统，它能向全世界任何地方的用户观测站提供连续的、实时的位置（即三维坐标），速度、和时间等信息。全球定位系统是美国从 20世纪70年代开始研制历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,15,应用领域,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,16,GPS的组成,目前世界上已有的三大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统（GPS），二是俄罗斯的“格鲁纳斯”（GLONASS）,三是中国的“北斗导航系统”。但是这两个系统受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。科索沃战争时，欧洲完全依赖美国的全球定位系统。当这个系统出于军事目的而停止运作时，一些欧洲企业的许多事务被迫中断。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,17,为了能在卫星导航领域中占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化的进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国间的联系和合作。在这种背景下，欧盟决定启动一个军民两用的与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划 “伽利略”（GALILEO）计划。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,18,组成： GPS系统包括三大部分：空间部分(GPS卫星星座)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(GPS信号接收机)。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,19,GPS的特点：1. 定位精度高 gps:7.5m 北斗：10m2. 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,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,20,3. 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,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,21,GPS在道路设计中的应用,1）绘制大比例尺地形图公路选线多是在大比例尺(11000或12000)带状地形图上进行。用传统方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点，只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟，即可获得每点的坐标、高程。结合输入的点特征编码及属性信息，构成带状所有碎部点的数据，在室内即可用绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，因此大大降低了测图难度。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,22,2）公路中线放样 设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路中线在地面上标定出来。采用实时GPS测量，只需将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的，不会产生累计误差，各点放样精度趋于一致。 公路路线主要是由直线、缓和曲线、圆曲线构成。放样时，只要先输入各主点桩号(ZH、HY、QZ、YH、HZ)，然后输入起终点的方位角a1、a2，直线段距离D1、D2，缓和曲线长度LS1、LS2，圆曲线半径R，即可进行放样操作。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,23,这种方法简单实用，比起传统的弦线拨角法要快速得多。另外，如果需要在各直线段和曲线段间加桩，只需输入加桩点的桩号就能自动计算放样元素。3）公路的横、纵断面放样和土石方数量计算 纵断面放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中(如：各变坡点桩号、直线正负坡度值、竖曲线半径)，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。 横断面放样时，先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖)，然后把横断面设计数据输入到 电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高)，生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,24,同时软件可以自动与地面线衔接进行戴帽工作，并利用断面法进行土石方数量计算。通过绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图。因为所用数据都是测绘地形图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。必要时可用动态GPS到现场检测复合，这与传统方法相比，既经济又实用，前景又广阔。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,25,4）桥梁结构物放样 对于在江河上修建的大跨径桥梁，采用传统光学仪器和全站仪来定位是比较困难的，因为江面过宽、雾气较大，易造成仪器读数误差。另外，江面情况变化多端、观测浮标位置飘浮不定，影响定位精度。由于GPS在这方面发挥了一定的优势。因为GPS采用的是空间三点后方距离交会法原理来定位，不受江面外界情况干扰，点与点之间不要求必须通视，简捷方便，精度高，大大提高了作业效率。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,26,地理信息系统（Geographic Information System）,（1）地理信息系统Geographic Information System简称GIS：是地理学科和计算机学科运用测绘遥感、卫星定位、信息传递等高新技术而发展起来的。它具有三维地理空间系统为骨架，包含有与该地理空间系统有关的各种属性信息，并随时间进程不断更新，为国民经济各行各业服务。地理信息系统按其内容可以分为如下3大类,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,27,1）专题型：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，是服务特定的专门目的的，如水资源地理信息系统、矿产资源地理信息系统等。2）区域型：主要以某一特定的研究区域综合研究和全面服务为目标，可以有不同规模的，如国家级、地区级等。3）工具型：它是具有地理信息系统功能的软件包，是一种工具平台。目前这类工具型的地理信息系统还不是很成熟。在功能覆盖、应用程序接口、硬件适应面和使用灵活性上还不能满足不同领域的不同层次需要。目前地理信息系统平台主要应用在资源普查、城乡规划、灾害监测、环境管理、宏观决策等方面。,公路GIS是综合处理三维公路信息的一个计算机软硬件系统，数字化地理信息系统应该具备详细的地形数据资料，包括平面点的坐标、高程，已建道路和桥梁的位置、名称，道路沿线的民宅、工矿企事业单位、田地、果林、鱼塘、水渠、河流、电力管线等详细地面资料。应用GIS，可以方便打开某一个区域或某设计路段数字化地形图，通过鼠标在地形图上选取控制点，控制点的属性也同时显示(包括点的坐标、高程)，控制点连线后，路线的走向就基本确定，输入一些平曲线要素，一条路线方案很快就选定。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,29,如果对所选路线方案不满意，可随时用鼠标修改，同时地形图比例也可以根据需要随时调节。在路线方案选定的同时，可以从地理信息系统数据库中获取其它相关信息资料，如最佳路径、最短出行时间、交通流量、道路沿线地区人口数量、经济状况、建材分布与储量、运输条件、土壤、地质和植被情况等。同时设计人员对于同一起终点的路线，可以选取不同的路线方案进行分析、对比、筛选直至获得最佳满意方案为止。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,30,GIS在道路前期规划中发挥了巨大作用。占地拆迁做为前期规划工作中的一项重要工作，它的估算准确与否直接影响到工程总造价的高低和经济评价的好坏。在GIS电子地图上准确定出占地线宽度，自动算出占地亩数，算出占地线范围内的鱼塘、麦地、果树、电线杆、水井和电力管线等分项拆迁工程量，减轻了前期规划人员外业工作强度，提高了工作效率。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,31,可以随时到现场进行碎部测量并采集数据，以补充更新原有的GIS数据库。现在许多省、市，尝试把GIS技术引入到初步设计和施工图设计中，并且已经取得了良好地效果。美国、英国、瑞典等国家已经把GIS技术引入到施工图设计阶段中，并处于领先地位，开发和推出了不少关于这方面的软件，如INROADS和MOSS、CARD/1。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,32,第二节数字地形模型及应用,数字地形模型是根据地表面上一些地形点的三维大地坐标（X，Y，Z）的集合以及在集合中配有的内插规则，而建立起来的一个数字化的地形模型。 所谓数字化就是说地形模型不是实物而是用一组数据来构建的；所谓内插就是通过构成DTM的一组数据来求算地面上任意一个给定了平面坐标（X，Y）的地形点的高程（Z）的数学方法。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,33,一、数模的发展及研究状况,DTM最初是由美国麻省理工学院Miller为了高速公路的自动设计于1956年提出来的。此后，对它的研究经历了四个时期：50年代末是其概念形成时期；60一70年代对DTM内插问题进行了大量的研究，如Schut提出的移动曲面拟合法，Arthur和Hardy提出的多面函数内插法，Kraus和Mikhail提出的最小二乘内插法及Ebner等提出的有限元内插法。70年代中、后期对采样方法进行了研究，其代表为Makarovic提出的渐近采样(Progressive Sampling)、混合采样(Composite Sampling)。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,34,80年代以来，对DTM研究已经涉及到DTM系统的各个环节，其中包括用DTM表示地形的精度、地形分类数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、DTM数据压缩、DTM应用以及不规则三角网DTM的建立与应用等等。二、内插方法与数模的表现形态 1、 内插方法 原始地形数据采集，经处理后以散点数据的形式存储在计算机内，如何形成数字地形模型呢？简单的说，在计算机中，,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,35,三角网数字地面模型简称三角网数模。它是用许多平面三角形逼近地形表面，即将地表面看成是由许多小三角形平面所组成的折面覆盖起来的，读取并存储三角形顶点的三维坐标，即构成三角网数字地面模型，如下图。三角网数模内插产生设计所需的路线纵、横断面资料，并为搜索地形等高线提供依据。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,36,这种数字地形模型虽然要储存各三角形顶点的三维坐标，但为了达到同样的使用精度，其网点数可以远小于方格网数字地形模型所需要的网点数，因而能节省很多的计算机内存。如果是采用数字化仪等自动坐标输入装置，获取原始数据亦颇为方便，只是要求操作者应有一定的工作经验，以免取点不当，降低计算精度。此外，为了有效地查询，还应将所有三角形按一定规律编号排列起来。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,37,三角网数模的特点是精度较高，成网速度较快，但要求采样点分布均匀。适用于由野外实测数据建立模型。 为了保证三角网数模的内插精度，数据采集时，建议沿地形特征线采集，在坡面适当地选择控制点；,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,38,构造三角网时，应尽可能的确保每个三角形都是锐角三角形，或者三角形三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角；并应尽量使三角形的周边以内所有等高线都呈直线，而且相互平行。 三角网数模通常是由散点按照一定的规则连接而成，在联网、内插及等高线绘制时均应考虑地形特征。对于双高程断裂线，三角形联网时只考虑平面位置，且不应跨越断裂线，内插计算时需判断待插点所在三角形的三顶点高程。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,39,3）（方）格网数模 方格网式数字地形模型时将路中线左、右一定宽度内的地面划分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，输入计算机而构成的数模。如P222图4-7(a)和P223图4-8。可通过内插产生路线纵横断面地面线资料，并为搜索地形等高线提供依据。 格网内的待定点高程，根据网格四个节点高程，采用双线性多项式内插求得。假设某个方格四个节点的高程为z1，z2，z3，z4，则方格任意地形点P（X，Y）的高程为：,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,40,内插方法是双线性多项式内插，其插值公式为，式中系数可写成格网结点高程的函数,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,41,其中，dx和dy为格网两边的边长。这个公式相当于把四个顶点拟合成一个双曲抛物面。为了提高格网数模的精度，可根据不同的地形类别及设计阶段的精度要求，在不同区段选用不同的方格大小。平坦地区边长可长些，陡峻地区边长宜短些，初步设计边长可长些，技术设计边长应短些。一般在520m之间为宜。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,42,三、数字地形模型用于路线设计的基本方法,1、绘制等高线地形图 DTM是一个人眼看不见的非视觉模型，因而首先应据DTM绘制出人们习惯使用的等高线地形图，这步工作通常由自动绘图系统据专门的等高线绘制程序来完成。2、 拟定路线平面位置 由于道路选线的复杂性，该项工作主要还是由人来进行的。设计人员在绘出的等高线地形图上，同常规纸上定线一样，进行平曲线设计，然后根据数字地形模型自动确定各中桩里程、逐桩坐标、各曲线要素等。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,43,3、建立路中线及横断面方向线的参数方程 路线坐标系与DTM坐标系统相同，通常采用高斯投影的大地坐标系，路线方程即在大地坐标系中确定。 以路线里程桩号I参数，路中线方程可表示为： 路线平面可分解为直线、圆、缓和曲线三种计算单元，各单元的参数方程可分别定义。有了路中线方程后，求出路中线上各点的法线方程，即可得到横断面方向线参数方程。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,44,4、路线纵、横断面地面高程内插 路线方程可求得路中线上各中桩点及其横断面地面线上各点的平面大地坐标x，y，再由下述DTM高程内插方法即可求得路线各点的地面高程值Z，从而可由绘图机自动绘出路线纵断面地面线和横断面地面线。图2-3-1中，路线上某桩号为L的中桩号点P的大地坐标X，Y已经求出，根据X，Y可以判断点P所在格网，然后计算点P所在网格左下角的行、列号数I，J：,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,45,式中X0，Y0为格网左下角的大地坐标，dl为格网间距。 有了行列号I，J后，就可以把点P所在网格提出来单独加以讨论。如图2-3-2，点P所在网格的四个格网点的高程分别为Z(I，J)、Z(I+1，J）、Z(I+1，J=1)、Z(I，J+1)，我们建立以网格左下角为原点的坐标系，并设格网间距为l，则四个网格点的平面坐标分别为（0，0)、 (0，1)、（l，1)、(1，0)。将网格对应的曲面（即地表面)拟合为一个双曲抛物面，曲面函数为：,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,46,(5)路线平纵横设计 使用电子三维地形图或将电子二维地形图三维化，或将纸质地形图扫描，并用矢量化软件进行矢量化处理得到电子地形图，然后再将得到的二维地形图三维化。建立数字地面模型，在数字地形模型支持下，借助数学方法，由计算机初定路线平面位置，进行优化设计，根据计算机选择的最优方案和数模提供的地形资料。完成整个路线设计工作。这种方法实现的CAD系统，自动化程度高 道路平面位置确定以后，利用数模，计算机进行数模内插，得到道路中线上任意点的高程值，从而获得纵断面地面线。进行纵断面优化设计。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,47,利用数字地形模型内插获得横断面地面线，进行横断面设计。 当然数字地形模型在路线平纵横设计中是否能够较好的应用，取决于地形特征点、变化点数据的处理、内插方法、数据采集的点的分布是否合理、点的密度是否足够、点的精度等，通常都需要用其它方法，比如实地补测等来补充数据和人的判断等。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,48,6、设计成果评价与设计方案优化 计算机向设计人员提供路线平、纵、横设计图、路线透视图、工程量、工程造价等目标函数值，由设计人员最后决定设计方案的可行与否。若方案欠佳，则调整纵面设计甚至修改平面设计后重新计算；反之，采用该设计方案。 这步工作最能发挥DTM的作用。对常规设计而言，路线平面位置的每一次变动，都要求重新进行纵、横断面测量以获得新的地面高程，这实际上是很难办到的，采用DTM，只需重新计算路线平面大地坐标，由计算机输出路线平、纵、横设计图，路线线形透视图或路线全景透视图，计算表格和有关说明文件。,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,49,然后通过DTM高程内插得到新的高程值，而这个过程可由计算机轻而易举地反复循环完成，有了DTM，路线平面优化就有了实际应用的可能。(7)编制工程设计文件,公路CAD,西华大学交通与汽车工程学院,50,第二