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摘要 依据中国公路的发展现状,通过对DEM数据模型的分析,对DEM模型在公路线路设计中应用进行可行性论证。从而得出将DEM应用于公路线路设计中是需要一定基础的,并且着科技的发展此种方法有广阔的应用前景和显著的社会效益。
关键词 DEM;线路设计;道路工程
中图分类号 U412 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0088-01
中国经济和社会的发展,促进了公路的建设的快速发展。1988年,中国拥有第一条高速公路。随着经济的快速发展,高速公路呈现出良好的发展态势。2004年,交通部制定了《国家高速公路网规划》。国家高速公路网具体的设想是:要建7条从北京放射的高速公路;9条纵向的高速公路;18条横向的高速公路。简称“7918”网,总里程8.5万公里。建成后可以覆盖10多亿人口;连接全国所有的省会城市,以及目前城镇人口在20万以上的大中城市;连接全国所有的交通枢纽城市;加强长三角、珠三角、环渤海等经济发达地区之间的联系,形成以北京、上海、广州三大都市为中心的高速公路网。到2010年,中国公路总里程达到230万公里,高速公路达到5万公里。2020年,全国公路总里程达到300万公里,高速公路里程达到7方公里以上。国家经济建设的快速发展对公路等基础设施建设提出了更加快速的发展要求。传统的施测方法在效率、质量、时间和技术等方面已无法满足需求,因此采用先进的技术手段是十分必要的。
自20世纪50年代以来,DEM得到越来越广泛的应用,主要应用领域在地球科学及其相关学科方面,如摄影测量、遥感、制图、土木工程、地理形态、军事工程、地理信息系统等,DEM完全可以代替传统的等高线来对地形表面进行描述,进而满足对等高线数据的各种需求。随着计算机技术和空间技术的发展,数字地面模型的理论和方法日益成熟,数据采集技术和手段也获得了极大的发展,为数字高程模型(DEM)在公路工程中的应用提供了理论和实践基础。下面介绍一下近年来DEM在土木工程中线路设计测量中的应用。
1 DEM
数字地面模型DTM(Digital Tenain Medel)是地形表明形态等多种信息的一个数字表示,它是定义在某一区域D上的m维向量有限序列:{Vi,i=l,2,…,n}
其向量Vi=(Vi1,Vi2,…,Vim,)的分量为地形Xi,Yi,Zi((Xi,Yi)∈D)、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定量或定性描述。DTM是一个地理信息数据库的基本内核,若只考虑DTM的地形分量,通常称其为数字高程模型DEM(Digital Elevation Medel),它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达,是表示在区域D上的三维向量的有限序列:Vi=(Xi,Yi,Zi),其中:Xi,Yi是平面坐标,Zi是(Xi,Yi)对应的高程。当该序列中各平面向量的平面位置呈规则格网排列时,其平面坐标可省略,此时DEM就简化为一维向量{Zi,i=1,2,3,…,n}。
1.1 数字高程模型(DEM)的特点
与传统地形图比较,DEM作为地形表面的一种数字表达形式有如下特点:
1)容易以多种形式显示地形信息。
2)容易实现自动化、数字化。
3)有了DEM,便可供CAD系统利用,进行各种定量分析和三维建模。
1.2 数字地面模型的分类
DEM模型按照数据的表现形式主要分为两种:不规则三角网(Triangulated Irregular Networ 简称TIN,也称三角网DEM)和规则格网(简称GRID,也称格网DEM)。
1.3 数据获取、转换及预处理
1.3.1 数据获取
DTM数据获取就是提取并测定地形的特征点,即将连续的地形表面转化成一个以一定数量的离散点表示的离散表。数据获取是建立模型最费工时而又最重要的一部,直接影响着建模的正确性、精度、效率及成本。
完善的DTM系统应具有各种数据输入的接口,既可以接受野外测量仪器直接传输的数据,也可以接受由工人键入的测量数据,还可以接受航测像片经立体坐标量测仪或解析测图仪等量测的三维地形数据;遥感图像经处理后也可以得到地形数据。因此,DTM数据获取部分应包括计算机及其与不同设备如全站仪、电子手簿、数字化仪等进行数据传送的接口。
1.3.2 数据转换
不同来源地原始数据可以使各种各样的,如三维坐标或距离、方位角等。数据中除了离散点的坐标信息,还包括离散点之间的地形关系及地物特征等信息。DTM系统还应该具有数据格式转换的功能。不同类型的原始数据经过处理之后,转换成DTM系统的标准格式数据,但不能影响原始数据精度。转换模块需对原始数据进行分类,把坐标数据、连接信息、地物特征等按标准格式分别存储。
1.3.3 数据预处理
通过数据采集、数据转换得到一组原始DTM数据,其中可能包含不符合建模要求的数据,甚至有错误的数据。为了顺利完成购网建模,首先要对原始数据进行必要的预处理,如数据过滤,剔除重合数据,给定高程限值,剔除粗差数据,进行必要的数据加密等,同时还应该提供编辑数据的工具。
出地面坐标数据之外,地形和地物的特征信息,如地形线、山脊线、山谷线、断裂线等是DTM不可缺少的要素。为了便于计算机程序识别和提高工作效率,这些信息是由地形地物的特征代码及连接点关系代码表示的。从原始数据中提取地形地物特征信息的依据是数据记录中的特征编码,不同类型的原始数据可采用不同的编码方式,但在采集数据过程中要符合DTM系统要求。
2 DEM在工路设计测量中的应用
数字地面模型在公路路线设计中的应用,是把测量重点从一条己知的平面线型扩大到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。近年来,我国高等级公路建设越来越多,公路建设项目的地形、地貌越来越复杂,公路选线的难度也越来越大,利用数模可以大大降低选线难度。
在数模的基础上,只需要把选定的平面线起讫点、交点平面坐标及平曲要素输入CAD系统,计算机便可自动从数模中内插出路线设计所需要的地形数据,以及为绘制路线所经区域地形平面图所需要的地形等高线串状数据,配合路线优化及辅助设计程序就可快速完成路线设计中的各项内业工作,并输出各项成果设计文件。
德国IBT公司研制开发的计算机道路辅助设计软件CARD/1是完成测绘、道路、铁路和管道勘测设计的土木工程CAD系统。它建立了基于数字地形图、数字高程模型和数字正射影像的公路测设一体化系统,将航测、数字高程模型等产品与线路CAD紧密连接成一个有机的整体,形成覆盖数据采集与处理、线路初步设计、线路施工图设计到输出设计文件的路线设计全过程的一体化系统。在CARD/1设计软件中,导入带状DEM数据后,可以内插任意点的高程、进行横、纵断面提取、土方量计算,便于进行方案比选和优化路基设计等工作,大大提高了设计效率。(对于公路带状数字高程模型数据,在线路方案确定后,可由数字高程模型快速内插出该线路的纵、横断面数据,配合CAD系统快速完成线路设计。采用这种方法缩短了设计周期,优化了技术方案,提高了设计质量,创造了良好的经济效益和社会效益。
3 结论
将DEM技术应用于公路设计测量可以大大提高道路的设计质量,提高线路设计的自动化、集成化程度;降低劳动强度,缩短测设周期;推动公路行业及其它行业的技术进步;促进生态环境建设与可持续发展,此技术可越来越多、越来越广的应用于路线的设计当中。此外,还可采用多种手段,如3S技术、CAD技术、RTK技术的结合为路线的初步设计提供更多的依据和更快的方法。
参考文献
[1]张正禄.等.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
[2]柯正谊,何建邦,池天河.数字地面模型[M].北京:中国科学技术出版社.1993.
[3]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1999.
[4]杜培军,程朋根.计算机原理与方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.
[5]张华海,王宝山.等.应用大地测量学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.
关键词 DEM;线路设计;道路工程
中图分类号 U412 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0088-01
中国经济和社会的发展,促进了公路的建设的快速发展。1988年,中国拥有第一条高速公路。随着经济的快速发展,高速公路呈现出良好的发展态势。2004年,交通部制定了《国家高速公路网规划》。国家高速公路网具体的设想是:要建7条从北京放射的高速公路;9条纵向的高速公路;18条横向的高速公路。简称“7918”网,总里程8.5万公里。建成后可以覆盖10多亿人口;连接全国所有的省会城市,以及目前城镇人口在20万以上的大中城市;连接全国所有的交通枢纽城市;加强长三角、珠三角、环渤海等经济发达地区之间的联系,形成以北京、上海、广州三大都市为中心的高速公路网。到2010年,中国公路总里程达到230万公里,高速公路达到5万公里。2020年,全国公路总里程达到300万公里,高速公路里程达到7方公里以上。国家经济建设的快速发展对公路等基础设施建设提出了更加快速的发展要求。传统的施测方法在效率、质量、时间和技术等方面已无法满足需求,因此采用先进的技术手段是十分必要的。
自20世纪50年代以来,DEM得到越来越广泛的应用,主要应用领域在地球科学及其相关学科方面,如摄影测量、遥感、制图、土木工程、地理形态、军事工程、地理信息系统等,DEM完全可以代替传统的等高线来对地形表面进行描述,进而满足对等高线数据的各种需求。随着计算机技术和空间技术的发展,数字地面模型的理论和方法日益成熟,数据采集技术和手段也获得了极大的发展,为数字高程模型(DEM)在公路工程中的应用提供了理论和实践基础。下面介绍一下近年来DEM在土木工程中线路设计测量中的应用。
1 DEM
数字地面模型DTM(Digital Tenain Medel)是地形表明形态等多种信息的一个数字表示,它是定义在某一区域D上的m维向量有限序列:{Vi,i=l,2,…,n}
其向量Vi=(Vi1,Vi2,…,Vim,)的分量为地形Xi,Yi,Zi((Xi,Yi)∈D)、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定量或定性描述。DTM是一个地理信息数据库的基本内核,若只考虑DTM的地形分量,通常称其为数字高程模型DEM(Digital Elevation Medel),它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达,是表示在区域D上的三维向量的有限序列:Vi=(Xi,Yi,Zi),其中:Xi,Yi是平面坐标,Zi是(Xi,Yi)对应的高程。当该序列中各平面向量的平面位置呈规则格网排列时,其平面坐标可省略,此时DEM就简化为一维向量{Zi,i=1,2,3,…,n}。
1.1 数字高程模型(DEM)的特点
与传统地形图比较,DEM作为地形表面的一种数字表达形式有如下特点:
1)容易以多种形式显示地形信息。
2)容易实现自动化、数字化。
3)有了DEM,便可供CAD系统利用,进行各种定量分析和三维建模。
1.2 数字地面模型的分类
DEM模型按照数据的表现形式主要分为两种:不规则三角网(Triangulated Irregular Networ 简称TIN,也称三角网DEM)和规则格网(简称GRID,也称格网DEM)。
1.3 数据获取、转换及预处理
1.3.1 数据获取
DTM数据获取就是提取并测定地形的特征点,即将连续的地形表面转化成一个以一定数量的离散点表示的离散表。数据获取是建立模型最费工时而又最重要的一部,直接影响着建模的正确性、精度、效率及成本。
完善的DTM系统应具有各种数据输入的接口,既可以接受野外测量仪器直接传输的数据,也可以接受由工人键入的测量数据,还可以接受航测像片经立体坐标量测仪或解析测图仪等量测的三维地形数据;遥感图像经处理后也可以得到地形数据。因此,DTM数据获取部分应包括计算机及其与不同设备如全站仪、电子手簿、数字化仪等进行数据传送的接口。
1.3.2 数据转换
不同来源地原始数据可以使各种各样的,如三维坐标或距离、方位角等。数据中除了离散点的坐标信息,还包括离散点之间的地形关系及地物特征等信息。DTM系统还应该具有数据格式转换的功能。不同类型的原始数据经过处理之后,转换成DTM系统的标准格式数据,但不能影响原始数据精度。转换模块需对原始数据进行分类,把坐标数据、连接信息、地物特征等按标准格式分别存储。
1.3.3 数据预处理
通过数据采集、数据转换得到一组原始DTM数据,其中可能包含不符合建模要求的数据,甚至有错误的数据。为了顺利完成购网建模,首先要对原始数据进行必要的预处理,如数据过滤,剔除重合数据,给定高程限值,剔除粗差数据,进行必要的数据加密等,同时还应该提供编辑数据的工具。
出地面坐标数据之外,地形和地物的特征信息,如地形线、山脊线、山谷线、断裂线等是DTM不可缺少的要素。为了便于计算机程序识别和提高工作效率,这些信息是由地形地物的特征代码及连接点关系代码表示的。从原始数据中提取地形地物特征信息的依据是数据记录中的特征编码,不同类型的原始数据可采用不同的编码方式,但在采集数据过程中要符合DTM系统要求。
2 DEM在工路设计测量中的应用
数字地面模型在公路路线设计中的应用,是把测量重点从一条己知的平面线型扩大到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。近年来,我国高等级公路建设越来越多,公路建设项目的地形、地貌越来越复杂,公路选线的难度也越来越大,利用数模可以大大降低选线难度。
在数模的基础上,只需要把选定的平面线起讫点、交点平面坐标及平曲要素输入CAD系统,计算机便可自动从数模中内插出路线设计所需要的地形数据,以及为绘制路线所经区域地形平面图所需要的地形等高线串状数据,配合路线优化及辅助设计程序就可快速完成路线设计中的各项内业工作,并输出各项成果设计文件。
德国IBT公司研制开发的计算机道路辅助设计软件CARD/1是完成测绘、道路、铁路和管道勘测设计的土木工程CAD系统。它建立了基于数字地形图、数字高程模型和数字正射影像的公路测设一体化系统,将航测、数字高程模型等产品与线路CAD紧密连接成一个有机的整体,形成覆盖数据采集与处理、线路初步设计、线路施工图设计到输出设计文件的路线设计全过程的一体化系统。在CARD/1设计软件中,导入带状DEM数据后,可以内插任意点的高程、进行横、纵断面提取、土方量计算,便于进行方案比选和优化路基设计等工作,大大提高了设计效率。(对于公路带状数字高程模型数据,在线路方案确定后,可由数字高程模型快速内插出该线路的纵、横断面数据,配合CAD系统快速完成线路设计。采用这种方法缩短了设计周期,优化了技术方案,提高了设计质量,创造了良好的经济效益和社会效益。
3 结论
将DEM技术应用于公路设计测量可以大大提高道路的设计质量,提高线路设计的自动化、集成化程度;降低劳动强度,缩短测设周期;推动公路行业及其它行业的技术进步;促进生态环境建设与可持续发展,此技术可越来越多、越来越广的应用于路线的设计当中。此外,还可采用多种手段,如3S技术、CAD技术、RTK技术的结合为路线的初步设计提供更多的依据和更快的方法。
参考文献
[1]张正禄.等.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005.
[2]柯正谊,何建邦,池天河.数字地面模型[M].北京:中国科学技术出版社.1993.
[3]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1999.
[4]杜培军,程朋根.计算机原理与方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.
[5]张华海,王宝山.等.应用大地测量学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.