第四篇數(shù)字地面模型與道路CAD新技術(shù)課件

1、第四篇 數(shù)字地面模型與道路CAD新技術(shù)3S(GIS，GPS，RS)技術(shù)集成;4D(DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型;DOM(Digital Orthophoto Map)數(shù)字正射圖;DRG(Digital Rastar Graphic)數(shù)字柵格地圖;DLG（Digital Line Graphic）數(shù)字線劃圖。1. 1地形數(shù)據(jù)的采集與處理地形數(shù)據(jù)是進(jìn)行公路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集是指選取構(gòu)造數(shù)模的數(shù)據(jù)點(diǎn)及量取其坐標(biāo)值的過(guò)程，是建立數(shù)字地形模型的基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代道路測(cè)設(shè)的需要，并且是影響設(shè)計(jì)周期及質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，獲取高速、精確的地形數(shù)據(jù)

2、是現(xiàn)代道路測(cè)設(shè)中急需解決的問(wèn)題。1.1 形數(shù)據(jù)采集的分類(lèi)與特點(diǎn)公路設(shè)計(jì)原始地形數(shù)據(jù)的來(lái)源，通常有三種方法：利用航空攝影測(cè)量和遙感方法采集地形數(shù)據(jù)；利用已有的圖形數(shù)字化、矢量化；野外實(shí)測(cè)采集地形數(shù)據(jù)。對(duì)于以上每種方法，根據(jù)設(shè)備及手段的不同又有多種數(shù)據(jù)采集形式。比如航測(cè)數(shù)據(jù)采集按設(shè)備不同又可分為模擬法測(cè)圖、解析法測(cè)圖及數(shù)字測(cè)圖等方式。地形圖數(shù)字化有人工手扶跟蹤數(shù)字化儀輸入法和全自動(dòng)數(shù)字化儀(掃描儀)輸入法兩種；野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有采用常規(guī)的野外測(cè)量方式、由人工實(shí)測(cè)和記錄獲得地形數(shù)據(jù)，也可用電子速測(cè)儀從野外實(shí)測(cè)獲得地形數(shù)據(jù)，還有采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS從野外采集地形數(shù)據(jù)等?；蚶肎IS和DTM直接與CA

3、D嫁接，地形數(shù)據(jù)采集分類(lèi)如圖1-1-1。2數(shù)字地形模型及應(yīng)用數(shù)字地形模型是根據(jù)地表面上一些地形點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)（X，Y，Z）的集合以及在集合中配有的內(nèi)插規(guī)則，而建立起來(lái)的一個(gè)數(shù)字化的地形模型。所謂數(shù)字化就是說(shuō)地形模型不是實(shí)物而是用一組數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建的；所謂內(nèi)插就是通過(guò)構(gòu)成DTM的一組數(shù)據(jù)來(lái)求算地面上任意一個(gè)給定了平面坐標(biāo)（X，Y）的地形點(diǎn)的高程（Z）的數(shù)學(xué)方法。2.1數(shù)模的發(fā)展及研究狀況DTM最初是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Miller為了高速公路的自動(dòng)設(shè)計(jì)于1956年提出來(lái)的。此后，對(duì)它的研究經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期：50年代末是其概念形成時(shí)期；60一70年代對(duì)DTM內(nèi)插問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，如Schut提出的移

4、動(dòng)曲面擬合法，Arthur和Hardy提出的多面函數(shù)內(nèi)插法，Kraus和Mikhail提出的最小二乘內(nèi)插法及Ebner等提出的有限元內(nèi)插法。70年代中、后期對(duì)采樣方法進(jìn)行了研究，其代表為Makarovic提出的漸近采樣(Progressive Sampling)、混合采樣(Composite Sampling)。80年代以來(lái)，對(duì)DTM研究已經(jīng)涉及到DTM系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，其中包括用DTM表示地形的精度、地形分類(lèi)數(shù)據(jù)采集、DTM的粗差探測(cè)、質(zhì)量控制、DTM數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DTM的建立與應(yīng)用等等。2.2內(nèi)插方法與數(shù)模的表現(xiàn)形態(tài)(1) 內(nèi)插方法原始地形數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理后以散點(diǎn)數(shù)據(jù)的

5、形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，如何形成數(shù)字地形模型呢？簡(jiǎn)單的說(shuō)，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)合適數(shù)量的已知點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)用各種適合的面，如三角平面、雙曲拋物面、二次多項(xiàng)式曲面、雙曲面、三次曲面按照一定的原則比如最小二乘原理（各點(diǎn)到擬合面的距離平方和最?。﹣?lái)擬合地表面，在擬合面的方程中代入各已知點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)，解方程組求出方程中的待定系數(shù)，這樣就相當(dāng)于確定地表面方程，由此擬合方程即可根據(jù)此方程范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)X，Y坐標(biāo)求出該點(diǎn)Z坐標(biāo)，即高程值，達(dá)到利用數(shù)字地形模型獲取地面上任意點(diǎn)高程產(chǎn)生縱、橫斷面地面線資料的目的，進(jìn)行縱、橫斷面設(shè)計(jì)。DTM是將地面上無(wú)數(shù)的地形點(diǎn)壓縮后，選取一些有代表性的離散點(diǎn)來(lái)反映地形起伏的

6、，實(shí)際應(yīng)用中必須用插值的方法重建原地面，以便獲得地表面任一點(diǎn)的高程值。DTM內(nèi)插就是根據(jù)已知點(diǎn)上的高程求出其他待定點(diǎn)上的高程。由于所采集的原始數(shù)據(jù)一般是不規(guī)則的，為了得到規(guī)則格網(wǎng)的DTM，內(nèi)插是必不可少的。所以DTM內(nèi)插是DTM生產(chǎn)中的一個(gè)核心問(wèn)題。按內(nèi)插點(diǎn)的分布范圍，可將內(nèi)插分為三類(lèi)：局部?jī)?nèi)插，逐點(diǎn)內(nèi)插和整體內(nèi)插。而按二元函數(shù)附近數(shù)學(xué)面和參考點(diǎn)的關(guān)系，內(nèi)插又可分為純二維內(nèi)插和曲面擬合內(nèi)插兩種。1)整體函數(shù)內(nèi)插對(duì)整個(gè)區(qū)域(或一個(gè)子區(qū))應(yīng)用一個(gè)數(shù)學(xué)模型(一般以地形特征線將整個(gè)測(cè)區(qū)劃分成若干個(gè)子區(qū))，由區(qū)域內(nèi)所有已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)求解待定參數(shù)來(lái)定義整體函數(shù)。其基本思想是：任何一個(gè)規(guī)則或不規(guī)則面均可以由若

7、干個(gè)簡(jiǎn)單面，如二次曲面、三次曲面等疊加到任意精度等級(jí)。2)局部函數(shù)內(nèi)插用一個(gè)函數(shù)式擬合一個(gè)局部地表面，通常只在格網(wǎng)小范圍內(nèi)使用。如線性?xún)?nèi)插、雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插、有限元法等。3)逐點(diǎn)內(nèi)插以任意待定點(diǎn)為中心，以鄰近的已知點(diǎn)定義內(nèi)插函數(shù)，擬合該點(diǎn)鄰近的地表面形態(tài)。內(nèi)插函數(shù)的選擇應(yīng)以能最好地反映插值區(qū)的地形為準(zhǔn)。內(nèi)插的關(guān)鍵是處理好地形特征點(diǎn)、線。整體函數(shù)內(nèi)插計(jì)算量大，速度慢，一般用于大范圍的航測(cè)建模。（2）數(shù)模的表現(xiàn)形態(tài)常用的數(shù)模有以下四種表現(xiàn)形態(tài)：1）散點(diǎn)數(shù)模移動(dòng)曲面法（典型的逐點(diǎn)內(nèi)插）（完全二次平方式）移動(dòng)曲面法的特點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單靈活，精度高，但速度較慢。常用于方案計(jì)算和模型換算等。移動(dòng)曲面法是根據(jù)以

8、待插點(diǎn)為中心的一定鄰域D內(nèi)的若干參考點(diǎn)進(jìn)行帶權(quán)曲面擬合，需解決的問(wèn)題是參考點(diǎn)的搜索方法和權(quán)的確定。其中鄰域D有四種形式以待插點(diǎn)為圓心某一半徑的圓，如圖2-2-2(a)所示；以待插點(diǎn)為中心的八分圓(或方形)分塊，圖2-2-2(b)示出了八分圓形分塊，根據(jù)點(diǎn)落入不同區(qū)域分別處理；把待插點(diǎn)所在子塊的鄰近九個(gè)子塊范圍平分成五個(gè)段，如圖2-2-2(c)所示；在格網(wǎng)范圍內(nèi)，以特征線為邊界劃分的地勢(shì)連續(xù)區(qū)域，如圖2-2-2(d)所示，這是作者所建格網(wǎng)數(shù)模采用的形式。在地形平緩處、數(shù)模區(qū)邊緣以及特征線附近參考點(diǎn)稀疏，不足以用完全二次曲面方程擬合內(nèi)插，則根據(jù)鄰域內(nèi)所含參考點(diǎn)個(gè)數(shù)決定內(nèi)插函數(shù)的形式。（A）當(dāng) 時(shí)，

9、采用（B）當(dāng) 時(shí)，采用（C）當(dāng) 時(shí)，采用（d）當(dāng)n=3時(shí)，采用例如：為了計(jì)算某一內(nèi)插點(diǎn)的高程，可以該內(nèi)插點(diǎn)為圓心，以確定值R為半徑確定一個(gè)圓，使該圓內(nèi)的采樣點(diǎn)為610個(gè)。如搜索的點(diǎn)過(guò)少或過(guò)多，則改變搜索圓的半徑。以這些采樣點(diǎn)為依據(jù)使用上述各式的二次曲面逼近地形求解，其中的系數(shù)A、B、C等是按照最小二乘原理，亦即各點(diǎn)高程與多項(xiàng)式曲面間的剩余高差的平方和為最小的原則確定的。2）三角網(wǎng)數(shù)模內(nèi)插方法為空間三角平面法，屬線性?xún)?nèi)插三角網(wǎng)數(shù)字地面模型簡(jiǎn)稱(chēng)三角網(wǎng)數(shù)模。它是用許多平面三角形逼近地形表面，即將地表面看成是由許多小三角形平面所組成的折面覆蓋起來(lái)的，讀取并存儲(chǔ)三角形頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即構(gòu)成三角網(wǎng)數(shù)字地面

10、模型，如圖2-2-3，2-2-4(b)。三角網(wǎng)數(shù)模內(nèi)插產(chǎn)生設(shè)計(jì)所需的路線縱、橫斷面資料，并為搜索地形等高線提供依據(jù)。這種數(shù)字地形模型雖然要儲(chǔ)存各三角形頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，但為了達(dá)到同樣的使用精度，其網(wǎng)點(diǎn)數(shù)可以遠(yuǎn)小于方格網(wǎng)數(shù)字地形模型所需要的網(wǎng)點(diǎn)數(shù)，因而能節(jié)省很多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。如果是采用數(shù)字化儀等自動(dòng)坐標(biāo)輸入裝置，獲取原始數(shù)據(jù)亦頗為方便，只是要求操作者應(yīng)有一定的工作經(jīng)驗(yàn)，以免取點(diǎn)不當(dāng)，降低計(jì)算精度。此外，為了有效地查詢(xún)，還應(yīng)將所有三角形按一定規(guī)律編號(hào)排列起來(lái)。三角網(wǎng)數(shù)模的特點(diǎn)是精度較高，成網(wǎng)速度較快，但要求采樣點(diǎn)分布均勻。適用于由野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立模型。為了保證三角網(wǎng)數(shù)模的內(nèi)插精度，數(shù)據(jù)采集時(shí)，建議沿

11、地形特征線采集，在坡面適當(dāng)?shù)剡x擇控制點(diǎn)；構(gòu)造三角網(wǎng)時(shí)，應(yīng)盡可能的確保每個(gè)三角形都是銳角三角形，或者三角形三邊的長(zhǎng)度近似相等，避免出現(xiàn)過(guò)大的鈍角和過(guò)小的銳角；并應(yīng)盡量使三角形的周邊以?xún)?nèi)所有等高線都呈直線，而且相互平行。三角網(wǎng)數(shù)模通常是由散點(diǎn)按照一定的規(guī)則連接而成，在聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)插及等高線繪制時(shí)均應(yīng)考慮地形特征。對(duì)于雙高程斷裂線，三角形聯(lián)網(wǎng)時(shí)只考慮平面位置，且不應(yīng)跨越斷裂線，內(nèi)插計(jì)算時(shí)需判斷待插點(diǎn)所在三角形的三頂點(diǎn)高程。3）（方）格網(wǎng)數(shù)模 方格網(wǎng)式數(shù)字地形模型時(shí)將路中線左、右一定寬度內(nèi)的地面劃分成大小相等的方格或長(zhǎng)方格，按一定次序讀取網(wǎng)格點(diǎn)的高程，輸入計(jì)算機(jī)而構(gòu)成的數(shù)模。如圖2-2-4(a)和圖2-2

12、-5。可通過(guò)內(nèi)插產(chǎn)生路線縱橫斷面地面線資料，并為搜索地形等高線提供依據(jù)。格網(wǎng)內(nèi)的待定點(diǎn)高程，根據(jù)網(wǎng)格四個(gè)節(jié)點(diǎn)高程，采用雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插求得。假設(shè)某個(gè)方格四個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程為z1，z2，z3，z4，則方格任意地形點(diǎn)P（X，Y）的高程為：內(nèi)插方法是雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插，其插值公式為，式中系數(shù)可寫(xiě)成格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)高程的函數(shù)其中，dx和dy為格網(wǎng)兩邊的邊長(zhǎng)。這個(gè)公式相當(dāng)于把四個(gè)頂點(diǎn)擬合成一個(gè)雙曲拋物面。為了提高格網(wǎng)數(shù)模的精度，可根據(jù)不同的地形類(lèi)別及設(shè)計(jì)階段的精度要求，在不同區(qū)段選用不同的方格大小。平坦地區(qū)邊長(zhǎng)可長(zhǎng)些，陡峻地區(qū)邊長(zhǎng)宜短些，初步設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)可長(zhǎng)些，技術(shù)設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)應(yīng)短些。一般在520m之間為宜。格網(wǎng)數(shù)模的優(yōu)點(diǎn)是

13、速度快，只需存儲(chǔ)格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高程而不需存儲(chǔ)平面坐標(biāo)值，節(jié)省內(nèi)存等特點(diǎn)，檢索和內(nèi)插簡(jiǎn)單、快速，數(shù)據(jù)采集方便，選點(diǎn)不依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，并且輸出格式良好，便于應(yīng)用。缺點(diǎn)是不適應(yīng)地形的突然變化，節(jié)點(diǎn)不一定是地形變化點(diǎn)，因此，地形變化大的地方精度低，因?yàn)檫@時(shí)常常漏掉了地形的真正變化點(diǎn)。格網(wǎng)數(shù)?？捎糜诳尚行匝芯侩A段的多方案比選，初步設(shè)計(jì)中的移線、改線設(shè)計(jì)，全景透視圖的繪制，以及當(dāng)格網(wǎng)內(nèi)無(wú)地形特征線時(shí)點(diǎn)的高程插值計(jì)算等。4）魚(yú)骨式數(shù)字地形模型數(shù)模視不同應(yīng)用領(lǐng)域，其種類(lèi)可有更多種形態(tài)，如沿道路中線和橫斷面的所謂“魚(yú)骨狀數(shù)模等，通過(guò)模型轉(zhuǎn)換可變換成以下的形式進(jìn)行處理。魚(yú)骨式數(shù)字地形模型是在路線方案確定以后，沿路線方向和垂

14、直于路線方向上采集地形點(diǎn)而構(gòu)成的數(shù)字地形模型。如圖2-2-6，這種數(shù)模是數(shù)字地形模型的最初方案，與傳統(tǒng)的人工計(jì)算方法相同。這種數(shù)字地形模型的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)采集方法簡(jiǎn)便，容易從航測(cè)相片或地形圖上采點(diǎn)，只考慮中樁及中樁兩側(cè)一定寬度內(nèi)的地形；節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存。缺點(diǎn)是要在路線方案確定以后才能建立數(shù)字地形模型，不能用作進(jìn)行方案比選，在地形變化大的地區(qū)或遠(yuǎn)離中線的地方內(nèi)插精度較低。為了改進(jìn)魚(yú)骨式數(shù)字地形模型的缺點(diǎn)，可以按上述方法建立一種較為使用的“隨意魚(yú)骨式數(shù)字地形模型”，這種模型在采點(diǎn)時(shí)盡量使點(diǎn)的分布在縱向和橫向都處于地形變化特征點(diǎn)上，如圖2-2-7隨意魚(yú)骨式數(shù)字地形模型2.3數(shù)字地形模型用于路線設(shè)計(jì)的基本

15、方法 (1)繪制等高線地形圖DTM是一個(gè)人眼看不見(jiàn)的非視覺(jué)模型，因而首先應(yīng)據(jù)DTM繪制出人們習(xí)慣使用的等高線地形圖，這步工作通常由自動(dòng)繪圖系統(tǒng)據(jù)專(zhuān)門(mén)的等高線繪制程序來(lái)完成。(2) 擬定路線平面位置由于道路選線的復(fù)雜性，該項(xiàng)工作主要還是由人來(lái)進(jìn)行的。設(shè)計(jì)人員在繪出的等高線地形圖上，同常規(guī)紙上定線一樣，進(jìn)行平曲線設(shè)計(jì)，然后根據(jù)數(shù)字地形模型自動(dòng)確定各中樁里程、逐樁坐標(biāo)、各曲線要素等。(3)建立路中線及橫斷面方向線的參數(shù)方程路線坐標(biāo)系與DTM坐標(biāo)系統(tǒng)相同，通常采用高斯投影的大地坐標(biāo)系，路線方程即在大地坐標(biāo)系中確定。以路線里程樁號(hào)I參數(shù)，路中線方程可表示為：路線平面可分解為直線、圓、緩和曲線三種計(jì)算單元

16、，各單元的參數(shù)方程可分別定義。有了路中線方程后，求出路中線上各點(diǎn)的法線方程，即可得到橫斷面方向線參數(shù)方程。(4)路線縱、橫斷面地面高程內(nèi)插路線方程可求得路中線上各中樁點(diǎn)及其橫斷面地面線上各點(diǎn)的平面大地坐標(biāo)x，y，再由下述DTM高程內(nèi)插方法即可求得路線各點(diǎn)的地面高程值Z，從而可由繪圖機(jī)自動(dòng)繪出路線縱斷面地面線和橫斷面地面線。圖2-3-1中，路線上某樁號(hào)為L(zhǎng)的中樁號(hào)點(diǎn)P的大地坐標(biāo)X，Y已經(jīng)求出，根據(jù)X，Y可以判斷點(diǎn)P所在格網(wǎng)，然后計(jì)算點(diǎn)P所在網(wǎng)格左下角的行、列號(hào)數(shù)I，J：式中X0，Y0為格網(wǎng)左下角的大地坐標(biāo)，dl為格網(wǎng)間距。有了行列號(hào)I，J后，就可以把點(diǎn)P所在網(wǎng)格提出來(lái)單獨(dú)加以討論。如圖2-3-2

17、，點(diǎn)P所在網(wǎng)格的四個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的高程分別為Z(I，J)、Z(I+1，J）、Z(I+1，J=1)、Z(I，J+1)，我們建立以網(wǎng)格左下角為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，并設(shè)格網(wǎng)間距為l，則四個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的平面坐標(biāo)分別為（0，0)、 (0，1)、（l，1)、(1，0)。將網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的曲面（即地表面)擬合為一個(gè)雙曲拋物面，曲面函數(shù)為：a2=Z(I，J+1)-Z(I，J) a3=Z(I十1，J)-Z（I，J) a4=Z(I+1，J+1)-Z（I，J+1)-Z(I+l，J)+Z(I，J)點(diǎn)P在建立的歸一化坐標(biāo)系中的坐標(biāo)： Xg=(XX0JS)S Yg=(YY0一IS)/S 將Xg，Yg代入(2-31)式即可求出點(diǎn)P的高程值Z。由

18、于式(2-3-1)所定義的曲面函數(shù)，其Z值在平行于坐標(biāo)軸的兩個(gè)方向上為線性的，故這種內(nèi)插稱(chēng)為雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插，該法只需四個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的高程信息，計(jì)算簡(jiǎn)單，內(nèi)插速度快，是DTM選線設(shè)計(jì)常用的內(nèi)插方法。Z=a1+a2Xg+a3Yg+a4XgYg 將四個(gè)已知的格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)代入上式，則求得待定系數(shù)： al=Z（I，J) (5)路線平縱橫設(shè)計(jì)使用電子三維地形圖或?qū)㈦娮佣S地形圖三維化，或?qū)⒓堎|(zhì)地形圖掃描，并用矢量化軟件進(jìn)行矢量化處理得到電子地形圖，然后再將得到的二維地形圖三維化。建立數(shù)字地面模型，在數(shù)字地形模型支持下，借助數(shù)學(xué)方法，由計(jì)算機(jī)初定路線平面位置，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算機(jī)選擇的最優(yōu)方案和數(shù)模提供的地

19、形資料。完成整個(gè)路線設(shè)計(jì)工作。這種方法實(shí)現(xiàn)的CAD系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高道路平面位置確定以后，利用數(shù)模，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)模內(nèi)插，得到道路中線上任意點(diǎn)的高程值，從而獲得縱斷面地面線。進(jìn)行縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用數(shù)字地形模型內(nèi)插獲得橫斷面地面線，進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。當(dāng)然數(shù)字地形模型在路線平縱橫設(shè)計(jì)中是否能夠較好的應(yīng)用，取決于地形特征點(diǎn)、變化點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理、內(nèi)插方法、數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)的分布是否合理、點(diǎn)的密度是否足夠、點(diǎn)的精度等，通常都需要用其它方法，比如實(shí)地補(bǔ)測(cè)等來(lái)補(bǔ)充數(shù)據(jù)和人的判斷等。(6)設(shè)計(jì)成果評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方案優(yōu)化計(jì)算機(jī)向設(shè)計(jì)人員提供路線平、縱、橫設(shè)計(jì)圖、路線透視圖、工程量、工程造價(jià)等目標(biāo)函數(shù)值，由設(shè)計(jì)人員最后決定設(shè)

20、計(jì)方案的可行與否。若方案欠佳，則調(diào)整縱面設(shè)計(jì)甚至修改平面設(shè)計(jì)后重新計(jì)算；反之，采用該設(shè)計(jì)方案。這步工作最能發(fā)揮DTM的作用。對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)而言，路線平面位置的每一次變動(dòng)，都要求重新進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量以獲得新的地面高程，這實(shí)際上是很難辦到的，采用DTM，只需重新計(jì)算路線平面大地坐標(biāo)，然后通過(guò)DTM高程內(nèi)插得到新的高程值，而這個(gè)過(guò)程可由計(jì)算機(jī)輕而易舉地反復(fù)循環(huán)完成，有了DTM，路線平面優(yōu)化就有了實(shí)際應(yīng)用的可能。(7)編制工程設(shè)計(jì)文件由計(jì)算機(jī)輸出路線平、縱、橫設(shè)計(jì)圖，路線線形透視圖或路線全景透視圖，計(jì)算表格和有關(guān)說(shuō)明文件。2.4“3S”技術(shù)在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用目前已提出了數(shù)字化地球概念。并通過(guò)3S計(jì)劃

21、來(lái)實(shí)現(xiàn)，即：（1）豐富的全球地理信息系統(tǒng)（GIS）；（2）精確的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）；（3）先進(jìn)的遙感測(cè)設(shè)系統(tǒng)（RS）。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System） （1）地理信息系統(tǒng)Geographic Information System簡(jiǎn)稱(chēng)GIS：是地理學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科運(yùn)用測(cè)繪遙感、衛(wèi)星定位、信息傳遞等高新技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。它具有三維地理空間系統(tǒng)為骨架，包含有與該地理空間系統(tǒng)有關(guān)的各種屬性信息，并隨時(shí)間進(jìn)程不斷更新，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)服務(wù)。地理信息系統(tǒng)按其內(nèi)容可以分為如下3大類(lèi)1）專(zhuān)題型：是具有有限目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的地理信息系統(tǒng)是服務(wù)特定的專(zhuān)門(mén)目的的如水

22、資源地理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源地理信息系統(tǒng)等2）區(qū)域型：主要以某一特定的研究區(qū)域綜合研究和全面服務(wù)為目標(biāo)，可以有不同規(guī)模的如國(guó)家級(jí)、地區(qū)級(jí)等3）工具型：它是具有地理信息系統(tǒng)諳功能的軟件包，是一種工具平臺(tái)目前這類(lèi)工具型的地理信息系統(tǒng)還不是很成熟在功能覆蓋、應(yīng)用程序接口、硬件適應(yīng)面和使用靈活性上還不能滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的不同層次需要目前地理信息系統(tǒng)平臺(tái)主要應(yīng)用在資源普查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境管理、宏觀決策等方面公路GIS是綜合處理三維公路信息的一個(gè)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，數(shù)字化地理信息系統(tǒng)應(yīng)該具備詳細(xì)的地形數(shù)據(jù)資料，包括平面點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，已建道路和橋梁的位置、名稱(chēng)，道路沿線的民宅、工礦企事業(yè)單位、田地、果林

23、、魚(yú)塘、水渠、河流、電力管線等詳細(xì)地面資料。應(yīng)用GIS，可以方便打開(kāi)某一個(gè)區(qū)域或某設(shè)計(jì)路段數(shù)字化地形圖，通過(guò)鼠標(biāo)在地形圖上選取控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的屬性也同時(shí)顯示(包括點(diǎn)的坐標(biāo)、高程)，控制點(diǎn)連線后，路線的走向就基本確定，輸入一些平曲線要素，一條路線方案很快就選定。如果對(duì)所選路線方案不滿(mǎn)意，可隨時(shí)用鼠標(biāo)修改，同時(shí)地形圖比例也可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)。在路線方案選定的同時(shí)，可以從地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取其它相關(guān)信息資料，如最佳路徑、最短出行時(shí)間、交通流量、道路沿線地區(qū)人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)狀況、建材分布與儲(chǔ)量、運(yùn)輸條件、土壤、地質(zhì)和植被情況等。同時(shí)設(shè)計(jì)人員對(duì)于同一起終點(diǎn)的路線，可以選取不同的路線方案進(jìn)行分析、對(duì)比

24、、篩選直至獲得最佳滿(mǎn)意方案為止。GIS在道路前期規(guī)劃中發(fā)揮了巨大作用。占地拆遷做為前期規(guī)劃工作中的一項(xiàng)重要工作，它的估算準(zhǔn)確與否直接影響到工程總造價(jià)的高低和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的好壞。在GIS電子地圖上準(zhǔn)確定出占地線寬度，自動(dòng)算出占地畝數(shù)，算出占地線范圍內(nèi)的魚(yú)塘、麥地、果樹(shù)、電線桿、水井和電力管線等分項(xiàng)拆遷工程量，減輕了前期規(guī)劃人員外業(yè)工作強(qiáng)度，提高了工作效率。可以隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行碎部測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，以補(bǔ)充更新原有的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)在許多省、市，嘗試把GIS技術(shù)引入到初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)中，并且已經(jīng)取得了良好地效果。美國(guó)、英國(guó)、瑞典等國(guó)家已經(jīng)把GIS技術(shù)引入到施工圖設(shè)計(jì)階段中，并處于領(lǐng)先地位，開(kāi)發(fā)和推出了不

25、少關(guān)于這方面的軟件，如INROADS和MOSS、CARD/1。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System) （1）GPS全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位是依靠空間衛(wèi)星傳送到地面接收機(jī)的信號(hào)，從電磁波的時(shí)間和速度或是波長(zhǎng)與相位判斷距離。是全球性的衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，它能向全世界任何地方的用戶(hù)觀測(cè)站提供連續(xù)的、實(shí)時(shí)的位置（即三維坐標(biāo)），速度、和時(shí)間等信息。全球定位系統(tǒng)是美國(guó)從 20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用

26、于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開(kāi)拓，目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門(mén)，并開(kāi)始逐步深入人們的日常生活。目前世界上已有的兩大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在運(yùn)行：一是美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS），二是俄羅斯的“格魯納斯”（GLONASS）。但是這兩個(gè)系統(tǒng)受到美、俄兩國(guó)軍方的嚴(yán)密控制，其信號(hào)的可靠性無(wú)法得到保證。長(zhǎng)期以來(lái)歐洲只能在美、俄的授權(quán)下從事接收機(jī)制造、導(dǎo)航服務(wù)等從屬性的工作。科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，歐洲完全依賴(lài)美國(guó)的全球定位系統(tǒng)。當(dāng)這

27、個(gè)系統(tǒng)出于軍事目的而停止運(yùn)作時(shí)，一些歐洲企業(yè)的許多事務(wù)被迫中斷。為了能在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中占有一席之地，歐洲認(rèn)識(shí)到建立擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性。同時(shí)在歐洲一體化的進(jìn)程中，建立歐洲自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)全面加強(qiáng)歐盟諸成員國(guó)間的聯(lián)系和合作。在這種背景下，歐盟決定啟動(dòng)一個(gè)軍民兩用的與現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃 “伽利略”（GALILEO）計(jì)劃。 GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分(GPS衛(wèi)星星座)、地面控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))、用戶(hù)設(shè)備部分(GPS信號(hào)接收機(jī))。 GPS在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1）繪制大比例尺地形圖公路選線多是在大比例尺(11000或12000)帶狀地形圖上進(jìn)行。用

28、傳統(tǒng)方法測(cè)圖，先要建立控制點(diǎn)，然后進(jìn)行碎部測(cè)量，繪制成大比例尺地形圖。這種方法工作量大，速度慢，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量可以完全克服這個(gè)缺點(diǎn)，只需在沿線每個(gè)碎部點(diǎn)上停留一兩分鐘，即可獲得每點(diǎn)的坐標(biāo)、高程。結(jié)合輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，構(gòu)成帶狀所有碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可用繪圖軟件成圖。由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息，而且采集速度快，因此大大降低了測(cè)圖難度。2）公路中線放樣設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后，需將公路中線在地面上標(biāo)定出來(lái)。采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量，只需將中樁點(diǎn)坐標(biāo)輸入到GPS電子手簿中，系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)定出放樣點(diǎn)的點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)測(cè)量都是獨(dú)立完成的，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，各點(diǎn)放樣精度趨于一致。公路路線主要是由直線、緩和曲線、圓曲線構(gòu)成。放樣時(shí)，只要先輸入各主點(diǎn)樁號(hào)(ZH、HY、QZ、YH、HZ)，然后輸入起終點(diǎn)的方位角a1、a2，直線段距離D1、D2，緩和曲線長(zhǎng)度LS1、LS2，圓曲線半徑R，即可進(jìn)行放樣操作。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，比起傳統(tǒng)的弦線撥角法要快速得多。另外，如果需要在各直線段和曲線段間加樁，只需輸入加樁點(diǎn)的樁號(hào)就能自動(dòng)計(jì)算放樣元素。3）公路的橫、縱斷面放樣和土石方數(shù)量計(jì)算縱斷面放樣時(shí)，先把需要放樣的數(shù)據(jù)輸入到電子手簿中(如：各變坡點(diǎn)樁號(hào)、直線正負(fù)坡度值、豎曲線半徑)，生成一個(gè)施工測(cè)設(shè)放樣點(diǎn)文件，并儲(chǔ)存起來(lái)，隨時(shí)可以到現(xiàn)場(chǎng)放樣測(cè)設(shè)