淺談數(shù)字地面模型在公路路線設計中的應用

淺談數(shù)字地面模型在公路路線設計中的應用近年來，我國公路建設處于前所未有的高速發(fā)展時期。由于公路建設任務重，時間緊，對公路設計工作也提出了更高的要求。如何加快測設速度、縮短設計周期、優(yōu)化設計方案、提高設計質(zhì)量成為公路設計人員所面臨的重要任務。對此，本文對數(shù)字地面模型概念進行了簡要的介紹，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，重點介紹數(shù)字地面模型在公路路線設計中的應用。標簽：數(shù)字地面模型；公路路線設計；應用在常規(guī)公路路線測設方法中，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)場實測得到初定路線縱、橫斷面地面線資料，然后輸入計算機，再進行路線設計，顯然已不太適應形勢發(fā)展的要求。特別在公路CAD系統(tǒng)研究不斷深入，應用日趨普及的今天，如何在快速獲取地形資料基礎上，使計算機能自動識別、處理地形資料，成為公路設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，美國麻省理工學院的ChairesLMiller教授，以如何應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X、Y、Z表示的數(shù)學表達形式。它除了適合于計算機處理的地貌形式的數(shù)字表示外，還包括插值運算和各種實用程序。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)模應用的普及，在數(shù)模的研究中，逐漸增加了地物、各種人工構造物、水系等多種因素，使數(shù)模對地形的適應能力更強，應用更為廣泛。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)模應用于公路路線設計，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階段。第三，由野外實測獲得地形數(shù)據(jù)，由于工作環(huán)境差、效率低，不適宜采集過多地形點，因而建立數(shù)模時，一般只適應于路線較短的局部區(qū)域或局部測點測量。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)后要進行數(shù)據(jù)預處理，即將各種設備采集到的、數(shù)據(jù)格式各異的地形原始數(shù)據(jù)，轉換成統(tǒng)一的坐標系統(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)預處理后，還要經(jīng)過原始數(shù)據(jù)的排序與檢索、待定點的高程內(nèi)插等主要過程；為提高數(shù)模的精度，增強對地形表面描述的能力，還必須對地物、地形斷裂線進行有效的處理，這樣才能建立數(shù)模。三、數(shù)字地面模型在公路路線設計中的應用在數(shù)模建立的基礎上，只需把選定的平面線起訖點、交點的平面坐標及平曲線要素輸入CAD系統(tǒng)，計算機便可自動從數(shù)模中內(nèi)插路線設計所需的地形數(shù)據(jù)，配合路線優(yōu)化及輔助設計程序快速完成路線設計的各項內(nèi)業(yè)工作，并輸出各項成果設計文件。此外，利用數(shù)模可進行施工前的工程仿真設計，通過數(shù)模技術顯示三維實體工程圖像，進行工程設計的評估和修改，提高工程設計質(zhì)量。數(shù)模在路線設計中的最大功能是在不需作進一步測量的情況下，比較所有可能的平面線形，進行路線平面優(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)，沿線地形復雜，且沿途經(jīng)過恐龍蛋化石保護區(qū)、楊崗遺址等文物古跡，全線控制要素較多，設計有較大難度。按常規(guī)方法設計，當路線方案變動時，必須重新從地形圖上讀取縱橫斷面地面線，工作量相當大，而且稍有不慎極易出錯，并且設計周期增長，設計費用增高，也很難真正實現(xiàn)多方案比選。該工程在初步設計過程中，通過緯地道路輔助設計系統(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，能快速生成設計所需地面線文件，并且設計中能認真分析、比較每一套路線方案，優(yōu)化路線中每一個交點位置，在規(guī)定的時間內(nèi)，完成一套最佳的設計方案，并對具有比較價值的西峽縣城過境段比較線，重陽鎮(zhèn)過境段比較線進行了同深度的設計。下表1為在重陽鎮(zhèn)過境段，利用數(shù)模進行路線設計，完成的路線比選方案。在初步設計完成后，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計。設計單位在時間很緊的情況下，利用數(shù)模對路線進行了必要的設計調(diào)整，對專家提出增加比較設計的路段作了同深度的設計，進行了認真比較，順利完成了對初步設計審查意見的答復。在路線施工圖設計階段，該工程所需的縱橫斷面地面線數(shù)據(jù)，還是由野外實測。但是橫斷面地面線因測量時間緊，地形復雜，測量方法等原因，存在著一定的誤差，難免存在個別點出現(xiàn)差錯或地面線寬度不夠，這時利用數(shù)?？蛇M行補充、完善。在該工程中，數(shù)模在各設計階段都得到廣泛應用。初設階段，數(shù)?？焖?、準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，為工程選線最佳方案提供了支持；在施工圖設計階段，數(shù)模為野外實測的橫斷面數(shù)據(jù)提供了必要的補充、完善?？傊?，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計任務。結語：數(shù)模從概念提出至今有了很大的發(fā)展，應用范圍也越來越廣泛。特別是近幾年來，數(shù)模在公路路線設計中推廣速度越來越快，應用越來越深入。隨著航測、數(shù)模等技術的進一步發(fā)展，在施工圖設計中，采用實測中樁加數(shù)模橫斷面的組合作為地面資料來設計，在需設置構造物的橫斷面作野外實測修正，將進一步縮短設計圖期，降低設計成本。航測、數(shù)模等技術的發(fā)展、應用，將推動公路設計工作發(fā)生大的變革，進而更加適應我國公路建設高速發(fā)展