《公路勘测设计》课件 第九章：公路现代测设技术

第九章公路现代测设技术学习目标

本章主要学习公路路线计算机辅助设计(CAD)系统的组成、数字地面模型及3S技术在公路勘测设计中的应用等。1、CAD的概念

计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)简称CAD，

是近年来工程技术领域中发展最迅速、最引人注目的高技术之一。它将计算机迅速、准确地处理信息的特点与人类的创造思维相结合，为现代设计提供了理想手段。一、公路路线CAD技术（一）CAD技术简介2、CAD系统的组成CAD系统软件系统数据库一个通用性的、综合性的以及减少数据重复存储的“数据集合”。包括设计原始资料、设计标准与规范数据、中间结果、最终结果等。图形系统包括几何构型、绘制工程设计图、绘制各种函数曲线、绘制各种数据表格、在图形显示装置上进行图形变换以及分析和模拟等，是CAD技术的基础。科学计算包括通用的数学函数和计算程序，以及在设计中所包括的常规设计和优化设计等，即CAD的应用软件包。是实现工程设计、计算、分析、绘图等具体专用功能的程序，是CAD技术应用于工程实践的保证。硬件系统计算机进行数据的处理显示器其处理的结果由显示器进行显示，供设计者判断、修改，打印机输出数据处理的结果绘图机输出所需的图形一、公路路线CAD技术3、CAD技术在工程上的应用系统组成：数字地面模型子系统，路线平、纵优化子系统，路线设计子系统，立体交叉口设计子系统，公路中、小桥涵设计子系统，公路工程造价分析子系统。该系统覆盖了地形数据采集——建立数据地面模型——人机交互地进行路线平、纵、横设计，线形优化设计和人工构造物的设计—图和表屏幕编辑，并最终完成图纸的绘制以及工程造价分析等成套CAD技术。一、公路路线CAD技术（二）公路路线CAD功能和特点

公路路线CAD软件系统包含六个模块：野外线路平面测量和高程测量数据的录入、编辑和存储模块；平面设计、纵断面设计及横断面设计数据的录入、编辑和存储模块；根据路线平面设计，绘制路线平面图；根据路线纵断面设计，绘制路线纵断面图；根据路线横断面设计，绘制路线横断面图；路基构件的绘制。一、公路路线CAD技术1、公路CAD系统总体结构

公路CAD系统总体结构如下页图所示；（三）公路路线CAD组成系统一、公路路线CAD技术中间计算结果原始数据地图信息资料技术标准优秀设计专家系统数据库传统测设空间线形优化纵面详细优化局部优化透视图检查人机交互设计计算人机交互图形显示及修改绘图列表平纵横土方计算水文计算透视图纵断面图横断面图涵洞挡墙平纵横涵洞挡墙各种报表概预算优化设计设计绘图制表

数据采集航测平面优化电子测速仪地形图数化一、公路路线CAD技术2、数据采集

公路路线设计必须依靠大量的地面信息和地形数据。用现代化的手段航空摄影测量建立数字地面模型。用全站仪或红外线测距仪地面实测的方法，直接建立三维的数字地面模型。用传统的经纬仪、水准仪、和小平板实测。一、公路路线CAD技术地形图外业测量图形扫描仪地质、水文资料地形数据

数据来源

航测全站仪GPS常规测量数字测量数字化仪解析测量模拟测量遥感采集方式成果形式数据采集方法分类一、公路路线CAD技术3、路线优化设计方法：第一类：对于平面或纵断面各种比较方案，快速准确地完成路线设计，并计算出各方案的总费用和各项比较指标，由设计者根据自己的经验选出最佳方案。第二类：根据路线的初始方案，利用最优化理论的数字方案，利用最优化理论的数字方法，由计算机寻找最优设计方案。即输入一个可行方案，通过数字迭代方法来完成最优方案的求解。一、公路路线CAD技术公路CAD系统的人机分工子系统人机平面导线位置的确定；平曲线设计参数平面设计中各细部的修改；规范检查平曲线计算或验算；桩号自动生成及逐桩坐标计算；规范数据查询；平面图显示与绘图纵断面“拉坡”及竖曲线半径确定；控制标高检查；修改纵断面图；竖曲线要素计算及逐桩设计标高计算；工程量估算；控制高程验算；规范数据查询；纵断面图显示与绘图；横断面横断面形式及各部分参数确定；检查设计横端面；特殊断面设计旧路结构利用设计横断面自动设计；土石方数量计算；防护结构标准图检索；规范数据查询；旧路结构利用数量计算；横断面图显示与绘图一、公路路线CAD技术各阶段适宜优化方法：在可行性分析阶段，适宜于采用在宽带范围内路线走向方案的优化。在初步设计阶段宜采用在平面或空间一定范围内移线以改善设计方案的优化技。在技术设计阶段宜于采用多个目标函数的公路纵断面优化程序系统。对已完成的公路路线技术设计运用连续绘制的透视图（或动态透视图）进行评价。一、公路路线CAD技术1、数字地形模型及在公路设计中的应用数字地形模型（DTM）——将地形按照某种数字模型对已知平面坐标的地形点进行高程计算，是一个表示地形特征的、空间分布的、有许许多多有规则或无规则的数字阵列，也就是将地形表面用密集的三维地形点坐标（X，Y，Z）组成。数字地面模型的特点：地表形态表示抽象、不直观，但计算机可以从中直接、快捷、准确地识别，进行数据处理，提供出方便的地形数据，以实现各项作业的自动化。

数字地形模型的应用如下图所示二、数字地面模型二、数字地面模型航测摄影测量测绘地形图人工地形图形成DTM纸上选线、定线利用微机进行公路平、纵、横设计数字地形模型的应用

2、数字地面模型的种类（1）方格网式数字地形模型

将工程用地的一定范围划分成相等大小的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程即可。优点：只需要储存网格点的高程值而无需储存平面坐标值，内插和检索简单，节省计算机时，采集数据方便，选点不依赖于经验。缺点：地形变化大的地方精度较低，常常漏掉了地形的真正变化点。二、数字地面模型（2）三角网式数字地形模型由所有三角形顶点的三维坐标组成，并把每个三角形看成是由三顶点高程构成的一个平面，因而划分三角网时，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，间距相等。在同样的使用精度下，网点数可以远小于方格网数字地形模型所需要的网点数，能节省很多的计算机内存。二、数字地面模型3、数字地形模型数据点的获取从现有的地形图上获取（人工读取数据或用手扶跟踪式的坐标读取装置图形数字化仪）利用自动记录的测距仪（或全站仪）在野外实测，获取原始数据。摄影测量方法可以利用带有自动记录设备的立体测量仪，对立体模型进行断面扫描或勾绘等高线，将坐标记录在纸带或磁带上。二、数字地面模型

良好的公路线形应该在行车安全和乘客舒适两方面获得最大限度的满足。透视图技术是评价公路线形质量的主要手段之一，也是当今进行招标、投标时显现设计效果的重要手段。三、公路透视图

视轴——某一点（视点）和被视物体的各点（物点）相连的射线（视线）与画面产生一系列交点，连接这些交点所产生的被视物体的图像即该物体的透视图与画面垂直的视线。

主点——视轴与画面的交点，

物点——视线与物体的交点

迹点——视线与画面的交点三、公路透视图生成透视图的算法流程（如下页图所示）：

计算道路各点的大地坐标确定视点、视轴及视轴坐标系确定透视断面和透视物点进行坐标计算转换经过消隐等手段绘制出透视图。道路路线透视图流程图三、公路透视图确定视点桩号视轴选取确定横断面间距及各计算断面绘线形透视图或全景透视图透视坐标计算透视坐标计算横断面设计内插横断面地面线路线平纵设计资料是否再绘？结束矩阵变换透视图生成消隐裁剪矩阵变换消隐裁剪给定视点桩号线形透视图全景透视图YESNO透视图生成三、公路透视图“3S计划”：丰富的全球地理信息系统（GIS）；

精确的全球卫星定位系统（GPS）；

先进的遥感测设系统（RS）。

四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用公路行业的数字化包括3个部分：

公路的数字化地理信息系统；

公路的全球卫星定位系统；

公路的遥感测设系统。

四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用（一）地理信息系统（GeographicInformationSystem）公路GIS——综合处理三维公路信息计算机软硬件系统，是GIS技术在公路领域的发展，是GIS与多种公路信息分析和处理技术的集成。数字化地理信息系统包括内容: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。GIS的应用：方便地比选最佳路线方案，并同时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)。GIS在道路前期规划中发挥了巨大作用。四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用（二）全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem)GPS(全球卫星定位系统)作为新一代的卫星导航和定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续性、实时性的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。GPS定位技术特点：观测点之间无需通视、定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便以及全天候作业等。四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用最新的RTK（实时动态定位）技术在公路测设中具备的功能和作用：绘制大比例尺地形图：只需采集碎部点的坐标和输入其属性信息，采集速度快，大大降低了测图难度。公路中线放样：将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中，系统软件就自动定出放样点的点位，其各点测量独立完成，不会产生累计误差，各点放样精度趋于一致。公路的横、纵断面放样和土石方数量计算桥梁结构物放样四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用（三）遥感技术（RemoteSensing）遥感（RS）——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、建材等资料的计算机软硬件系统。四、“3S”技术在公路勘测设计中的应用遥感技术在公路勘测设计中的优点：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