淺談數(shù)字地面模型在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用

淺談數(shù)字地面模型在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用近年來，我國公路建設(shè)處于前所未有的高速發(fā)展時期。由于公路建設(shè)任務(wù)重，時間緊，對公路設(shè)計工作也提出了更高的要求。如何加快測設(shè)速度、縮短設(shè)計周期、優(yōu)化設(shè)計方案、提高設(shè)計質(zhì)量成為公路設(shè)計人員所面臨的重要任務(wù)。對此，本文對數(shù)字地面模型概念進(jìn)行了簡要的介紹，并建立數(shù)字地面模型基本方法，以宛坪高速公路內(nèi)鄉(xiāng)至西坪（省界）段為例，重點(diǎn)介紹數(shù)字地面模型在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用。標(biāo)簽：數(shù)字地面模型；公路路線設(shè)計；應(yīng)用在常規(guī)公路路線測設(shè)方法中，與奧從地形圖上或航測模型上量測地形數(shù)據(jù)，或直接從野外現(xiàn)場實(shí)測得到初定路線縱、橫斷面地面線資料，然后輸入計算機(jī)，再進(jìn)行路線設(shè)計，顯然已不太適應(yīng)形勢發(fā)展的要求。特別在公路CAD系統(tǒng)研究不斷深入，應(yīng)用日趨普及的今天，如何在快速獲取地形資料基礎(chǔ)上，使計算機(jī)能自動識別、處理地形資料，成為公路設(shè)計過程中亟待解決的問題。數(shù)字地面模型的出現(xiàn)、發(fā)展，使這一問題得以解決。一、數(shù)字地面模型的概念及發(fā)展1955年，美國麻省理工學(xué)院的ChairesLMiller教授，以如何應(yīng)用從攝影測量獲得的數(shù)據(jù)通過數(shù)字化計算的方法來加快公路設(shè)計為研究目的，首先提出數(shù)字地面模型這一概念，即digitalterrainmodel，簡稱DTM。DTM是一個表示地形特征的、空間分布的、有規(guī)則的數(shù)字陣列，是一種將地形表面用密集的三維坐標(biāo)X、Y、Z表示的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。它除了適合于計算機(jī)處理的地貌形式的數(shù)字表示外，還包括插值運(yùn)算和各種實(shí)用程序。數(shù)模最初的含義只考慮地貌要素，隨著數(shù)模理論的發(fā)展和數(shù)模應(yīng)用的普及，在數(shù)模的研究中，逐漸增加了地物、各種人工構(gòu)造物、水系等多種因素，使數(shù)模對地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)，應(yīng)用更為廣泛。二、地形數(shù)據(jù)的采集及數(shù)字地面模型的建立第一，建立數(shù)模，將數(shù)模應(yīng)用于公路路線設(shè)計，首先要獲得建立數(shù)模所需的原始地形數(shù)據(jù)。數(shù)模原始地形數(shù)據(jù)的來源主要有3種：一，由航測儀器從航空照片上獲得；二，從已有地形圖上由數(shù)字化儀輸入；三，由可記錄量測數(shù)據(jù)的電子經(jīng)緯儀、全站儀等儀器從野外實(shí)測獲得。第二，從已有地形圖上由數(shù)字化儀輸入地形數(shù)據(jù)，由于原地形圖本身的精度、圖紙變形、儀器誤差及作業(yè)員熟練程度等因素影響，精度相對較低，一般只能用于公路路線初設(shè)階段。第三，由野外實(shí)測獲得地形數(shù)據(jù)，由于工作環(huán)境差、效率低，不適宜采集過多地形點(diǎn)，因而建立數(shù)模時，一般只適應(yīng)于路線較短的局部區(qū)域或局部測點(diǎn)測量。第四，用航測方法采集數(shù)據(jù)能直觀地觀察地表形態(tài)，工作環(huán)境好，可以隨意和方便地控制地形點(diǎn)的分布和密度，所得到的地形信息可靠、精度高，所以航測采樣是目前在大規(guī)模公路測設(shè)狀態(tài)下最理想的數(shù)模數(shù)據(jù)采樣手段。第五，在獲得地形數(shù)據(jù)后要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即將各種設(shè)備采集到的、數(shù)據(jù)格式各異的地形原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式與編碼形式的地形數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行查錯、改錯以及數(shù)據(jù)壓縮的處理。第六，在完成地形數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理后，還要經(jīng)過原始數(shù)據(jù)的排序與檢索、待定點(diǎn)的高程內(nèi)插等主要過程；為提高數(shù)模的精度，增強(qiáng)對地形表面描述的能力，還必須對地物、地形斷裂線進(jìn)行有效的處理，這樣才能建立數(shù)模。三、數(shù)字地面模型在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用在數(shù)模建立的基礎(chǔ)上，只需把選定的平面線起訖點(diǎn)、交點(diǎn)的平面坐標(biāo)及平曲線要素輸入CAD系統(tǒng)，計算機(jī)便可自動從數(shù)模中內(nèi)插路線設(shè)計所需的地形數(shù)據(jù)，配合路線優(yōu)化及輔助設(shè)計程序快速完成路線設(shè)計的各項內(nèi)業(yè)工作，并輸出各項成果設(shè)計文件。此外，利用數(shù)?？蛇M(jìn)行施工前的工程仿真設(shè)計，通過數(shù)模技術(shù)顯示三維實(shí)體工程圖像，進(jìn)行工程設(shè)計的評估和修改，提高工程設(shè)計質(zhì)量。數(shù)模在路線設(shè)計中的最大功能是在不需作進(jìn)一步測量的情況下，比較所有可能的平面線形，進(jìn)行路線平面優(yōu)化及空間優(yōu)化，從而找出最佳路線方案。下面筆者以宛坪高速公路內(nèi)鄉(xiāng)至西坪（省界）段為例加以介紹。宛坪高速公路內(nèi)鄉(xiāng)至西坪（省界）段全長82.297km，路線處于山嶺重丘區(qū)，沿線地形復(fù)雜，且沿途經(jīng)過恐龍蛋化石保護(hù)區(qū)、楊崗遺址等文物古跡，全線控制要素較多，設(shè)計有較大難度。按常規(guī)方法設(shè)計，當(dāng)路線方案變動時，必須重新從地形圖上讀取縱橫斷面地面線，工作量相當(dāng)大，而且稍有不慎極易出錯，并且設(shè)計周期增長，設(shè)計費(fèi)用增高，也很難真正實(shí)現(xiàn)多方案比選。該工程在初步設(shè)計過程中，通過緯地道路輔助設(shè)計系統(tǒng)，利用航測方法獲得數(shù)據(jù)而建立的數(shù)模，根據(jù)路線資料，能快速生成設(shè)計所需地面線文件，并且設(shè)計中能認(rèn)真分析、比較每一套路線方案，優(yōu)化路線中每一個交點(diǎn)位置，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成一套最佳的設(shè)計方案，并對具有比較價值的西峽縣城過境段比較線，重陽鎮(zhèn)過境段比較線進(jìn)行了同深度的設(shè)計。下表1為在重陽鎮(zhèn)過境段，利用數(shù)模進(jìn)行路線設(shè)計，完成的路線比選方案。在初步設(shè)計完成后，河南省、交通部先后組織了專家審查，提出了修改意見，并要求增加對K38～K43、K62～K72等路段不同方案的比較設(shè)計。設(shè)計單位在時間很緊的情況下，利用數(shù)模對路線進(jìn)行了必要的設(shè)計調(diào)整，對專家提出增加比較設(shè)計的路段作了同深度的設(shè)計，進(jìn)行了認(rèn)真比較，順利完成了對初步設(shè)計審查意見的答復(fù)。在路線施工圖設(shè)計階段，該工程所需的縱橫斷面地面線數(shù)據(jù)，還是由野外實(shí)測。但是橫斷面地面線因測量時間緊，地形復(fù)雜，測量方法等原因，存在著一定的誤差，難免存在個別點(diǎn)出現(xiàn)差錯或地面線寬度不夠，這時利用數(shù)模可進(jìn)行補(bǔ)充、完善。在該工程中，數(shù)模在各設(shè)計階段都得到廣泛應(yīng)用。初設(shè)階段，數(shù)模快速、準(zhǔn)確地提供了地面線數(shù)據(jù)，使多方案同深度比選成為現(xiàn)實(shí)，為工程選線最佳方案提供了支持；在施工圖設(shè)計階段，數(shù)模為野外實(shí)測的橫斷面數(shù)據(jù)提供了必要的補(bǔ)充、完善。總之，通過數(shù)模幫助，在規(guī)定時間內(nèi)出色地完成了該工程的設(shè)計任務(wù)。結(jié)語：數(shù)模從概念提出至今有了很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。特別是近幾年來，數(shù)模在公路路線設(shè)計中推廣速度越來越快，應(yīng)用越來越深入。隨著航測、數(shù)模等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在施工圖設(shè)計中，采用實(shí)測中樁加數(shù)模橫斷面的組合作為地面資料來設(shè)計，在需設(shè)置構(gòu)造物的橫斷面作野外實(shí)測修正，將進(jìn)一步縮短設(shè)計圖期，降低設(shè)計成本。航測、數(shù)模等技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用，將推動公路設(shè)計工作發(fā)生大的變革，進(jìn)而更加適應(yīng)我國公路建設(shè)高速發(fā)展