浅谈数字地面模型在公路路线设计中的应用

浅谈数字地面模型在公路路线设计中的应用近年来，我国公路建设处于前所未有的高速发展时期。由于公路建设任务重，时间紧，对公路设计工作也提出了更高的要求。如何加快测设速度、缩短设计周期、优化设计方案、提高设计质量成为公路设计人员所面临的重要任务。对此，本文对数字地面模型概念进行了简要的介绍，并建立数字地面模型基本方法，以宛坪高速公路内乡至西坪（省界）段为例，重点介绍数字地面模型在公路路线设计中的应用。标签：数字地面模型；公路路线设计；应用在常规公路路线测设方法中，与奥从地形图上或航测模型上量测地形数据，或直接从野外现场实测得到初定路线纵、横断面地面线资料，然后输入计算机，再进行路线设计，显然已不太适应形势发展的要求。特别在公路CAD系统研究不断深入，应用日趋普及的今天，如何在快速获取地形资料基础上，使计算机能自动识别、处理地形资料，成为公路设计过程中亟待解决的问题。数字地面模型的出现、发展，使这一问题得以解决。一、数字地面模型的概念及发展1955年，美国麻省理工学院的ChairesLMiller教授，以如何應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为研究目的，首先提出数字地面模型这一概念，即digitalterrainmodel，简称DTM。DTM是一个表示地形特征的、空间分布的、有规则的数字阵列，是一种将地形表面用密集的三维坐标X、Y、Z表示的数学表达形式。它除了适合于计算机处理的地貌形式的数字表示外，还包括插值运算和各种实用程序。数模最初的含义只考虑地貌要素，随着数模理论的发展和数模应用的普及，在数模的研究中，逐渐增加了地物、各种人工构造物、水系等多种因素，使数模对地形的适应能力更强，应用更为广泛。二、地形数据的采集及数字地面模型的建立第一，建立数模，将数模应用于公路路线设计，首先要获得建立数模所需的原始地形数据。数模原始地形数据的来源主要有3种：一，由航测仪器从航空照片上获得；二，从已有地形图上由数字化仪输入；三，由可记录量测数据的电子经纬仪、全站仪等仪器从野外实测获得。第二，从已有地形图上由数字化仪输入地形数据，由于原地形图本身的精度、图纸变形、仪器误差及作业员熟练程度等因素影响，精度相对较低，一般只能用于公路路线初设阶段。第三，由野外实测获得地形数据，由于工作环境差、效率低，不适宜采集过多地形点，因而建立数模时，一般只适应于路线较短的局部区域或局部测点测量。第四，用航测方法采集数据能直观地观察地表形态，工作环境好，可以随意和方便地控制地形点的分布和密度，所得到的地形信息可靠、精度高，所以航测采样是目前在大规模公路测设状态下最理想的数模数据采样手段。第五，在获得地形数据后要进行数据预处理，即将各种设备采集到的、数据格式各异的地形原始数据，转换成统一的坐标系统的数据格式与编码形式的地形数据文件，并进行查错、改错以及数据压缩的处理。第六，在完成地形数据采集、数据预处理后，还要经过原始数据的排序与检索、待定点的高程内插等主要过程；为提高数模的精度，增强对地形表面描述的能力，还必须对地物、地形断裂线进行有效的处理，这样才能建立数模。三、数字地面模型在公路路线设计中的应用在数模建立的基础上，只需把选定的平面线起讫点、交点的平面坐标及平曲线要素输入CAD系统，计算机便可自动从数模中内插路线设计所需的地形数据，配合路线优化及辅助设计程序快速完成路线设计的各项内业工作，并输出各项成果设计文件。此外，利用数模可进行施工前的工程仿真设计，通过数模技术显示三维实体工程图像，进行工程设计的评估和修改，提高工程设计质量。数模在路线设计中的最大功能是在不需作进一步测量的情况下，比较所有可能的平面线形，进行路线平面优化及空间优化，从而找出最佳路线方案。下面笔者以宛坪高速公路内乡至西坪（省界）段为例加以介绍。宛坪高速公路内乡至西坪（省界）段全长82.297km，路线处于山岭重丘区，沿线地形复杂，且沿途经过恐龙蛋化石保护区、杨岗遗址等文物古迹，全线控制要素较多，设计有较大难度。按常规方法设计，当路线方案变动时，必须重新从地形图上读取纵横断面地面线，工作量相当大，而且稍有不慎极易出错，并且设计周期增长，设计费用增高，也很难真正实现多方案比选。该工程在初步设计过程中，通过纬地道路辅助设计系统，利用航测方法获得数据而建立的数模，根据路线资料，能快速生成设计所需地面线文件，并且设计中能认真分析、比较每一套路线方案，优化路线中每一个交点位置，在规定的时间内，完成一套最佳的设计方案，并对具有比较价值的西峡县城过境段比较线，重阳镇过境段比较线进行了同深度的设计。下表1为在重阳镇过境段，利用数模进行路线设计，完成的路线比选方案。在初步设计完成后，河南省、交通部先后组织了专家审查，提出了修改意见，并要求增加对K38～K43、K62～K72等路段不同方案的比较设计。设计单位在时间很紧的情况下，利用数模对路线进行了必要的设计调整，对专家提出增加比较设计的路段作了同深度的设计，进行了认真比较，顺利完成了对初步设计审查意见的答复。在路线施工图设计阶段，该工程所需的纵横断面地面线数据，还是由野外实测。但是横断面地面线因测量时间紧，地形复杂，测量方法等原因，存在着一定的误差，难免存在个别点出现差错或地面线宽度不够，这时利用数模可进行补充、完善。在该工程中，数模在各设计阶段都得到广泛应用。初设阶段，数模快速、准确地提供了地面线数据，使多方案同深度比选成为现实，为工程选线最佳方案提供了支持；在施工图设计阶段，数模为野外实测的横断面数据提供了必要的补充、完善。总之，通过数模帮助，在规定时间内出色地完成了该工程的设计任务。结语：数模从概念提出至今有了很大的发展，应用范围也越来越广泛。特别是近几年来，数模在公路路线设计中推广速度越来越快，应用越来越深入。随着航测、数模等技术的进一步发展，在施工图设计中，采用实测中桩加数模横断面的组合作为地面资料来设计，在需设置构造物的横断面作野外实测修正，将进一步缩短设计图期，降低设计成本。航测、数模等技术的发展、应用，将推动公路设计工作发生大的变革，进而更加适应我国公路建设高速发展