第一章引言

第一章引言食占—--r-r-己l一全.多刁刁，二F.mR1.1论文研究背景随着我国公路建设的蓬勃发展，一级、高速公路的数量不断增多，公路勘测设计的任务也日益繁重。目前，公路计算机辅助设计技术已广泛应用于公路设计中，并产生了巨大的经济效益和社会效益。公路测设分为勘测(外业)和设计(内业)两大环节，勘测的首要任务是地形数据的获得。传统的公路测设方法是将勘测工作分解成平、纵、横三个部分分别测量，这等于是将一项工程人为地分为三个部分，三部分数据之间缺乏内在联系，特别是横断面数据本身也无内在联系。设计过程中亦是根据这三部分数据分别进行设计，再考虑平、纵、横的协调问题。工程的设计方案及整体效果仅凭设计者的经验决定，在设计中存在较大的随意性，难以达到设计成果的最优化。另外有些单位的公路测设主要采用人工模拟图解的方法测绘大比例尺地形图，然后从图上读取或用数字化仪采集地形数据进行初步设计;在施工图阶段，则通过野外实测的方式采集数据。从而使得设计费工费时、效率低下。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。通常所讲的数字地面模型仁DTM)是一个较复杂的系统，它除了包括地形信息，还有一些非地形信息，如资源、人口、地质等信息「‘〕。而在公路勘测设计中主要是关心某点的高程，因此作为数字地面模型子集的数字高程模型仁DEM)由于信息量少、简单易建，可以广泛用于道路辅助设计系统中。一些发达国家在公路三维设计方面起步较早，经过长时间的发展，已经形成了一套基于三维数字地面模型的三维测设方法。我国由于近几年才开始大规模公路建设，在公路三维测设技术方面还相当落后，目前国内的公路设计软件普遍缺乏数字高程模型的支持，特别是在数模精度控制方法上研究的较少，一些高校和科研机构曾经进行过这方面的研究和探讨，但都未能应用于生产实践。吉林大学工程硕士论文1.2论文研究的目的和意义公路三维设计是在数字高程模型上，设计者按照一定的标准和规范，去完成指定的工程模型的设计工作的设计方法。由这个工程模型及数字高程模型可真实地模拟出工程的真实透视效果，以便进行造型及工程美学评价。在此基础上可随意、方便地进行各种剖切，得到各种具有细部几何尺寸的剖面图，指导工程的施工。数字地面模型的建立，使线状和面状工程结构物设计方案优化成为可能，使工程设计方案达到技术经济指标最优成为可能，从而为业主节省可观的建设费用。另外，不会因为设计方案的变更而要求重新进行大量艰苦的外业勘测工作，可大大的减少设计投入，缩短设计周期，提高了工程设计咨询企业的市场竞争力。正是由于三维公路设计存在着得天独厚的优越性，早在七十年代就被发达国家普遍采用，而且以极其旺盛的生命力在不断普及、发展与提高。特别是进入九十年代，随着计算机软硬件技术日新月异的发展，更为公路三维设计技术提供了腾飞的翅膀，公路三维设计取代传统的二维设计将是历史的必然。1.3国内外研究现状数字化是在20世纪50年代电子计算机出现后才提出的新概念，而数字高程模型仁DEM)的概念在1958年被提出。到了今天，数字高程模型作为地球表面地形的数字描述和模拟已成为空间数据基础设施和“数字地球”的重要组成部分。几十年来对数字高程模型的研究方兴未艾、十分活跃。从1972年起，国际摄影测量与遥感学会仁ISPRS)一直将DEM作为主体，组织工作组进行国际性合作研究。随着科学技术特别是计算机技术的迅猛发展，在DEM的数据获取方法、数据存储和数据处理速度等方面已经取得突破性进展。目前在美、英、德等发达国家，DEM作为数字地形模拟的重要成果已经成为国家空间数据基础设施(NSDI)的基本内容之一，并被纳入数字化空间数据框架仁DGDF)进行规范化生产「三〕。在我国，公路三维设计方法的运用起步较晚，虽然近年来一些院校及设计单位对数字高程模型的理论研究取得了可喜的成果，在运用数字高程模型进行第一章引言工程设计的实现方法上做了大量的工作，但由于规范的滞后，特别是数字高程模型精度的控制、数据采集的技术要求、模型精度的评价方法等还存在一些问题，使之成为公路三维设计方法普及与应用的一大障碍，随着计算机、RTK等软硬件技术的发展，采集方法的的变革，这种矛盾更加突出。1.4本文的主要工作因此，针对以上问题，本人作为主要参加人员深入到吉林省公路勘测设计院的课题项目中进行研究，在论文进行过程中主要做了以下几方面工作:1)研究在不同地形条件下仁平原区、丘陵区、山岭区、混合地形区)，使用不同的数据采集方式仁水准仪、全站仪、RTK.GPS)获取地形数据，对其进行精度分析，解决针对不同的工程需求宜采用的经济适用的数据采集方式;2)通过获取的必要原始数据，进行数学分析，用以研究在不同的地形条件下原始数据的精度、密度和分布对DEM精度的影响;3)利用检查点法对不同测设等级下所形成的DEM进行精度评定;4)检验RTK.GPS在不同地形、不同卫星状况、不同距离的条件下所能达到的可靠性、平面与高程的精度要求，研究满足不同测量精度要求的实施方案，实现效率与效益最优化。通过对采集数据进行数学分析，进行精度评价，希望提出一套完整的应用于公路勘测设计中的数字高程模型的数据采集方法仁特别是运用GPS卫星定位技术，作为公路地理信息系统(GIS)中获取空间三维坐标数据的先进手段)、技术要求及指标控制，这样对于实现公路勘测设计的自动化和数字化、推进公路三维设计方法的普及与应用无疑具有重大而深远的意义。吉林大学工程硕士论文第二章数字高程模型(DEM)基本理论与方法2.1数字高程模型(DEM)的概念数字地面模型DTM(DigitalTerrainModel)是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X,Y,Z的坐标点对连续地面的一个简单统计表示，简而言之，DTM就是地形表面简单的数学表示「'7。数字地面模型更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用下述二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式:Kp=fk(up,vP)(k=1,2,3,...,m;p=1,2,3,...n)(2-1)式中:K。为第p号地面点仁可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元)上的第k类地面特性信息的取值;(uP,vP)为第p号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等;m(m大于等于1)为地面特性信息类型的数目;n为地面点的个数。当上述函数的定义域为二维地理空间上的面域、线段或网络时，n趋于正无穷大;当定义域为离散点集时，n一般为有限正整数。例如，假定将土壤类型编作第i类地面特性信息，则数字地面模型的第i个组成部分为:lp=f(up,vP)(p=1,2,...,n)(2-2)在式(2-1)中，当m二1且fl为对地面高程的映射，(UP,VP)为矩阵行列号时，式((2-2)表达的数字地面模型即所谓的数字高程模型(DigitalElevationModel，简称DEM)。显然，DEM是DTM的一个子集。实际上，DEM是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。DEM是表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为:L几=(X,，艺，Z,)(2-3)式中:X,,艺是平面坐标，Z，为、X,,艺)对应的高程，i=1,2,,n。在实际生产和应用中，DTM与DEM在特定情况下不作区分。DEM即数字高程模型，它是地理空间定位的数据集合，最初是由美国麻省第二章数字高程模型仁DEM)基本理论与方法理工学院Miller教授为了进行高速公路的自动设计于1956年提出来的。随着相关技术的发展，DEM也经历了一个循序渐进的过程。对它的研究和应用主要经历了四个时期:20世纪50年代中到60年代初是DEM概念形成时期，当时DEM一般应用于土木水利工程和地图测绘;从60年代中期开始对DEM内插问题进行了大量的研究，如Schut提出的移动曲面拟合法，Arthur,Hardy提出的多面函数内插法，Kraus和Mikhail提出的最小二乘内插法及Ebner等提出的有限元内插法，这个时期随着数据库和遥感技术的发展，一些发达国家在机助制图的基础上，逐步建立起国家范围和区域范围内的地理信息系统，DEM作为标准的基础地理信息产品也开始大规模的生产;70年代中、后期对采样方法进行了研究，其代表为Makarovic提出的渐进采样及混合采样;80年代以后，对DEM的研究已涉及到DEM系统的各个环节，其中包括用DEM表示地形的精度、地形分类、数据采集、DEM的粗差探测、质量控制、DEM的数据压缩、DEM应用以及不规则三角网DEM的建立与应用等。近年来随着空间数据基础设施的建设和“数字地球”战略的实施，更加快了DEM与地理信息系统、遥感技术等的一体化进程，为DEM的应用开辟了更广阔的天地。2.2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地形数据经过计算机软件处理后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图;而常规形图一经制作完成后，比例尺不容易改变，如要改变比例尺或者要绘制其他形式的地形图，则需要人工处理;2)精度不会损失常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度，而DEM采用数字媒介因而能保持精度不变。另外，人工方法由常规的地图制作其他种类的地图，精度会受到损失。而由DEM直接输出，精度可得到控制且不会损失;3)容易实现自动化、实时化常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，不利于地图的实时更新;而DEM由于是数字形式的，所以增加或改变地形信息吉林大学工程硕士论文只需将修改信息直接输入到计算机，经软件处理后立即可实时化地产生各种地形图。概括起来，数字高程模型具有以下显著的特点:便于存储、更新、传播和计算机自动处理;具有多比例尺特性，如1米分辨率的DEM自动含盖了更小分辨率如10米和100米的DEM内容;特别适合于各种定量分析与三维建模。2.3数字高程模型(DEM)的应用DEM作为地形表面的一种数字表达形式所具有的特点决定了DEM在勘测、摄影测量与遥感、地球科学、制图、土木工程、地质、矿业工程、地理形态、军事工程、城市规划、通讯等领域的应用日益增多，而且不断开拓新的领域。数字高程模型在公路勘测设计中的应用潜力巨大。传统的公路设计不仅需要大量费时费力的野外勘测工作，而且所设计出的公路还不可避免地具有以下几个方面地缺陷:设计的方案不一定是经济、技术上的最优的;方案受人的主观影响较大;工作强度大，设计工作繁琐。在数字高程模型建立以后，不仅可以用于路线的优化，还可以用于路线设计、三维可视化、公路仿真等领域。具体应用描述如下:1)利用数字高程模型进行路线优化设计路线的优化设计有两种情况:迭代寻优和方案比选。考虑到目前的情况，后者在实际应用中比较多见。对迭代寻优，随着优化技术的发展，也得到了一定的应用。但不管哪种优化方式，数字高程模型都是为每个可行的方案提供内插纵、横断面地面线数据。在数模的支持下，设计人员可以在不需要作进一步测量的情况下，就可以自动得到地形数据，从而进行路线平、纵优化，找出最佳路线方案「3]2)数字高程模型在路线CAD系统中的应用将数字高程模型用于路线CAD系统是数模的主要目的之一，主要体现在以下几个方面:一方面公路设计者可利用数字高程模型产生的地形图，在其上进行选线、定线工作，在这个过程中，计算机可以根据试定的平面线形，自动产生纵断面地面线，作为定线的依据。第二章数字高程模型仁DEM)基本理论与方法另一方面，在平面线形确定的基础上，计算机可自动从数模中内插出纵断面地面线和横断面地面线，供纵断面、横断面设计使用。3)三维可视化设计利用数字高程模型生成地表面三维模型，再利用辅助设计的结果生成路线的三维空间模型，前后两个模型叠加后，利用相关软件消隐、着色、渲染及动画处理等技术，就可生成整个路线的三维实体仿真模型，设计者的意图将被表达