浅议数字地面模型及公路设计

1、浅议数字地面模型及公路设计摘要：本文研究了建立数字地面模型的思路与步骤，同时, 对数字地面模型在路线平纵横设计中的应用做了初步探讨。 实践证明，基于数字地面模型进行路线设计，有利于数据提 取，避免了以往因设计方案的改变而要重新测量数据，因而 提高了工作效率，节省了工作时间，较传统的设计方法有明 显的优势。关键词：道路工程 数字地面模型公路选线方案对比0、前言公路设计离不开地形资料。数字地面模型(dtm)就是 把测量重点从一条己知的平面线形扩大到路线平面线将要 通过的具有一定宽度的带状地面区域内，建立带状数字地面 模型。在数模建立的基础上，采用一种数学内插方法，把这 种地形信息拟合成一个表面，以

2、便在公路设计时根据已知点 的坐标计算出它的高程。数模与航测、路线计算机辅助设计相结合，将形成覆盖 数据采集与处理、路线设计与计算及设计图表输出的完整的 设计全过程的路线设计一体化系统。11、数字地面模型的建立建立数字地面模型一般要经过地形数据采集、数据预处 理、原始数据的排序与检索、待定点的高程内插等主要过程。具体步骤如下：1. 1dtm地面点数据采集目前的数据采取方法主要有：野外实测、地形图数字化 和摄影测量等三种。野外实测劳动强度大、效率低。地形图 数字化通常是采用数字化仪对现有地形图等高线进行跟踪 输入，这种方法实用性强、工作效率高。摄影测量是利用航 天摄影测量或地面立体摄影像对，借助某

3、种摄影测量仪对由 立体像对恢复的光学立体模型进行测量，获得地形数据；这 种方法效率高、自动化好，但是成本较高。1.2地形数据预处理其目的是将格式各异的原始地形数据，转换成有统一的 坐标系、统一的数据格式与编码形式的地形数据文件。然后 根据路线走向，考虑到带状区域建立数字地面模型的需要和 数模之间的接边要求，将整个地形原始数据经旋转、平移至 统一的数模坐标系中，供建立沿线走向的带状数字地面模型 连续调用。21. 3地形数据排序与检索原始数据经过预处理后已转换至以路线走向为主方向 的数模坐标系中，然后沿路线走向可设置一个较大的数组， 而横向则根据路线两侧的数据采用范围确定数组大小，从而 建立起地形

4、数据的排序排格，即可根据给定点的平面坐标而 快速地提取相应网格中己知地形点。1. 4数字地面模型的高程内插dtm是将地面上的地形点压缩后，选取一些有代表性的 离散点来反映地形状况。而应用过程中必须对采集到的地形 原始数据利用一定的数学方法进行加密，以便获得地面上任 一点的高程值。dtm高程内插方法归纳起来有下列三种： 移动面法。对待定点周围的已知地形点定义一个拟合 面，内插拟合表面求得待定点的高程。内插曲面方程： z=ao+alx+a2y+a3x2+a4xy+a5y2；其中 ai 按照最小二乘法 原理确定。3 分块函数法。将内插区域分成若干个方形或矩形单 元，对每一个单元用低次多项式表示地面形

5、状，要求整个表 面连续并尽量平滑。包括三角形格网的线形内插、矩形格网 的双线形内插和三次样条函数内插等。4 曲面求和法。假设不规则的地表面是由若干个简单的面，如双曲面、三次曲面等相迭加并逼近到任意精度而构 成的。高程值由若干内插面的内插值迭加而得。2、数字地面模型在公路设计中的应用2. 1路线平面设计利用计算机来完成平面设计有两种方法：一是交点设计 法，就是由设计人员先确定平面设计参数，然后把平面设计 资料输入计算机，由计算机完成计算和绘图。另一种是曲线 设计法，就是在数字地形模型的支持下，人一机交互完成设 计。(1) 曲线设计法的基本计算形式公路的平面线形要素有直线、缓和曲线和圆曲线，交互

6、式平面设计的实质就是在给出的直线段和圆曲线之间，确定 合适的缓和曲线过渡段，将其连接起来。交互式平面设计的 基本计算型式为三种：直线与圆弧连接，同向圆弧的连 接，反向圆弧的连接。(2) 曲线设计法的计算方法平面交互设计常采用autocad提供的“三点定圆”、 “两点变半径定圆”等交互作图功能。平面线形设计可归结 为基于圆心、半径所表示的圆弧之间的连接计算。交互式平 面设计计算的主要任务就是求解各己知线段之间缓和曲线 的a值。2. 2路线纵断面设计在纵断面设计时要考虑诸多因素，比如平、纵面的配合, 和横断面地面线的协调，以及控制标高的检查等。(1) 纵断面地面高程的获取路线平面位置确定以后，可以

7、实地对道路中线水准线测 量或在地形图上人工读取中桩高程，输入计算机，得到地面 高程资料。另一种方法是利用数字地面模型，进行数模内插, 得到路线纵、横断面地面线数据，然后在纵断面地面线图上 进行拉坡，进行纵断面设计。(2) 纵断面设计线的确定传统的纵断面设计是在输入纵断面地面线资料后，生成 autocad格式的纵断面图，设计者在上面进行手工拉坡，纵 断面设计资料(变坡点桩号，竖曲线半径，变坡点高程)输 入计算机指定目录下，计算机自动完成纵断面设计。另一种 方法：，通过交互设备直接在屏幕上交互拉坡。同时考虑平、 纵、横三方面的协调配合和土石方数量等因素，从而得到最 佳的路线纵断面设计方案。2. 3

8、路线横断面设计(1) 目前获取横断面地面线的方法有三种：将野外 实地测量获得各桩号的横断面数据，人工输入计算机。利 用数字化仪将实测横断面地面线输入。利用数字地面模 型。(2) 横断面设计。横断面的设计是确定横断面的各种 形式、尺寸及坡度等参数，根据路线纵断面设计资料将其套 到相应的横断面地形图上，计算出设计线与地面线的交点坐 标，并计算得到土石方工程数量。当然，这种作法会有个别 横断面不合理，因此，对这些不合理的横断面要重新设计。(3) 横断面面积计算。由中心桩分别向两侧顺序求出 各地面观测点及路基设计各折点的填挖高度及距中心距离， 然后按梯形或三角形计算出各块的填挖面积。(4) 土石方工程量的计算。目前多采用平均断面法近 似计算。该法是假定相邻断面间为一棱柱体，其高为两相邻 断面的间距，则棱柱体的体积为相邻两个横断面的填挖方断 面积平均值再乘以其间距。3、结论本章研究了建立数字地面模型的思路与步骤，对数字地 面模型在路线平纵横中的应用做了初步探讨。实践证明基于 地面模型进行路线计，有利于数据提取，避免了以往因设计 方案的改变而要重新采集数据，因而提高了工作效率，较传 统的设计方法有明显的优势。参考文献：1 张志清.道路勘测设计（m.北京：科学出版社,200