第四章 数字地面模型与道路CAD新技术

第四章数字地面模型与道路CAD新技术本章内容•地形数据的采集与处理•数字地形模型及应用1）道路CAD系统核心模型2）数字地形模型3）数字地形模型用于路线设计的基本方法4）“3s”技术在公路勘测设计中的应用4.1地形数据的采集与处理•地形数据是进行公路设计的基础，数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程，是建立数字地形模型的基础工作。公路设计原始地形数据来源：1）利用航空摄影测量遥感方法采集地形数据；2）利用已有的图形数字化、矢量化；3）野外实测采集地形数据1.航测法采集地形数据•摄影测量：利用摄影所得的像片，研究和确定被摄物体形状、大小、位置、属性相互关系的一种技术。•航空摄影测量技术：利用航空摄影和遥感手段采集地形数据和地面、地物、地质等信息的技术。•在公路设计中，利用航片所反映的信息和地表现象，进行判断和测量，配合立体观察和处理，可以得到测区的地形、地面、地质、水文等多种资料，为路线设计提供原始资料。•1）航测方法采集航测方法采集数据能直观地观察地表形态，控制地形点的分布和密度，信息可靠精度高。利用解析仪测图的同时，可以附带记录测图信息，不需要专门为建立数字地面模型重新采集，给数据采集带来极大方便。因此，航测采样是理想的地形数据采集手段。航空摄影测量步骤包括航片的获取；飞机航空照相、摄影航片的判读、调绘；使用立体测图仪等建立数字地形模型、绘制等高线地形图。全数字化测图利用相关技术和扫描技术将像片影像数字化，得到测区的地表三维数据。其过程为：首先将像片影像的灰度数字化，然后在计算机上进行数据处理，通过扫描方式将像片上影像的灰度值转换成电信号或数字信号，形成“数字影像”，然后用相关技术自动地立体照准同名像点。•2）航测判释及遥感遥感：通过飞机、卫星、行星等设施对地球进行地球观测。图像中通过航测判断及遥感技术获得地质及水文资料，使得勘测设计工作目标明确，避免盲目性，提高了勘测设计的质量和速度。•3）航测技术在公路中应用依靠航测成果建立数字地形模型、直接在航片上选线航测像片与地形图的区别•航摄象片虽然是地面情况真实而详尽的记录，但它却不象一般透视图或普通象片那样易为人们所认识，也不象地形图那样，可在其上进行量测距离和读取高程。•象片上的影象和人们常见的实物有所差异，象片上的点位和线段方位和地形图不尽一致。这是因为航摄象片是飞机从空中向下作近似垂直摄影的结果，按取的影象属于地面的中心投影，而地形图则属于正射投影。•由于这一特性，决定了航摄象片上的影象特征，是有规律可循的。2.地形图数字化•大比例尺地形图是公路路线初步设计阶段地形数据的主要来源。•步骤：1）数字化仪坐标转换2）图纸变形纠正3）地形图的数字化输入3.野外实测采集•1.传统测量方法测量•2.现代地面测量1）光电测距仪2）全站仪3）笔记本电脑4）电子板测绘系统：系统包含全站仪、笔记本电脑、图形软件，实现野外数据自动采集，可以在现场自动展点、自动绘制等高线地形图，同时建立数字地形模型。5）全球定位系统（GPS)数字地形模型（四）五、数字地形模型数据采集手段1、用航测方法特点：（1）数据采集工作量不大，劳动强度小（2）价格昂贵2、地形图数字化特点：（1）工作量比较大，精度低（2）价格便宜3、野外实测获取原始数据特点：精度高，但劳动量比较大4.2数字地形模型及应用数字高程模型•数字地形模型（DTM，DigitalTerrainModel),又翻译为数字地面模型，是指按照某种数学模型表达地形特征的数值描述方式。它由许多规则或无规则排列的地形点三维坐标x,y,z组成，是数字化的地形资料存储于计算机的产物。•数字高程模型（DEM，DigitalElevationModel)是DTM的子集，它关心的是地形的高程特征，而不关心地形的文化特征。数字地形模型（二）二、数模组成1、采样点信息，通常是按照一定规则，存贮于计算机中向量序列2、拟合地表形态的数学模型3、功能程序块，完成坐标系转换工作三、数模的应用四、数字地形模型的种类按采点方式：离散型、（方）格网型、鱼骨式按构网方法：格网和三角网1、离散型数模（1）是由随机分布的离散地形数据构成带状离散型数字地面模型。（2）散点数模优点：地形点任意布置，能够适应地形变化缺点：地形点选择依赖设计人员经验判断，占用计算机内存多，计算速度较慢（3）采用移动，曲面拟合法插值数字地形模型（三）2、方格网式数模定义：将路中线左右一定宽度内的地面划分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，输入计算机即构成（方）格网式数模。特点：（1）优点：只需存储格网节点的高程面不需储存平面坐标值，检索和内插简单、快速。数据采集方便，选点不依赖于经验，便于应用等。（2）缺点：不易适应地形的突然变化，因为节点不一定是地形变化点，因此精度较低。插值：双线性多项式内插3、三角网式数模定义：三角网式数模用许多平面三角形逼近地形表面，即将地表面看成是许多小三角形平面所组成折面覆盖起来，读取并存储三角形顶点三维坐标。特点：（1）占用内存少，数模内插精度完全取决于采样点分布及取网合理与否，所以要求操作者有一定经验（2）为保证三角网精度，采点时，宜沿地形特征线采集（3）构网时，三角形应确保为锐角三角形或三角形各边、各角较均匀4、鱼骨式数模：路线方案确定后，沿路线方向或垂直路线方向上采集地形点而构成特点：（1）数据采集方法简便，节省计算机内存（2）不能用于方案比选，在地形变化大或远离中线地方内插精度较低数字高程模型的基本理论一、数模组成1、采样点信息，通常是按照一定规则，存贮于计算机中向量序列2、拟合地表形态的数学模型3、功能程序块，完成坐标系转换工作二、数字地形模型的种类按采点方式：离散型、（方）格网型、鱼骨式按构网方法：格网和三角网格网数模的特点•定义：将路中线左右一定宽度内的地面划分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，输入计算机即构成（方）格网式数模。•特点：（1）优点：只需存储格网节点的高程面不需储存平面坐标值，检索和内插简单、快速。数据采集方便，选点不依赖于经验，便于应用等。•（2）缺点：不易适应地形的突然变化，因为节点不一定是地形变化点，因此精度较低。不规则三角网数模•不规则三角网（TIN-TriangulatedIrregularNetwork）通过从不规则分布的数据点生成的连续的三角面来逼近地形表面。•TIN模型的优点是它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。•对于TIN模型，其基本要求有三点：–TIN是唯一的；–力求最佳的三角形形状，每个三角形尽量接近等边形状；–保证最临近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。CDT用于道路三维模型3.设计对象模型和地表面模型的表现形态及特点（1）表现形态：研究区域按范围和形状可分为带状区域和面状区域对于带状区域，设计对象模型可以是骨架模型，也可以是线框模型。对于面状区域，均需建立三维模型。（2）模型特点：1）设计对象模型二维骨架模型给出道路的平面信息、纵断面信息以及典型横断面信息，然后建立平、纵、横子模型，其特点是中线或轴线表达设计对象，特别适宜于带状区域，但对面状区域难以适应。三维模型的特点是以边界曲线来描述设计面，对带状区域和面状区域均能适应。2）地表面模型三角网模型适宜于野外实测数据的情形，也可用地形图模拟野外实测，且能自动联成三角网。其特点是联网、内插、计算时均考虑地形特征，精度较高。格网模型适宜于野外测量规则格网数据及由立体航测仪采集格网数据的情形。4.2.2数字地形模型1.数字地形模型的概念数字高程模型：简称DEM，是用某一区域内一群地面点的平面坐标和高程的数值来描述地表形状。数字表面模型：简称DSM，是用某一区域内地表覆盖物的平面坐标和高程的数值来描述地表形状。数字地形模型：简称DTM，是用离散量模拟地表形态与地表有关的各种信息的一种方法。2.数字地形模型的发展过程（1）国外对数模的研究比较成熟的系统有：1）英国的MOSS、2）德国的CARD/1、3）法国的MACAO（2）国内对数模的研究状况：较常用的数模有三角网模型和格网模型。3.有关数模的基本概念（1）地形特征：即地形的不光滑性、不连续性和不相关性（弱相关性）。习惯上，人们把地形特征分为四类：地形单点、边界线、构造线和断裂线。（2）数模的效率：数模的效率主要在于精度和速度。影响数模精度的主要因素是：点的分布、密度和采点精度。4.2.3数字地形模型用于路线设计的基本方法1.绘制等高线地形图2.拟定路线平面位置3.建立路中线及横断面方向线的参数方程4.路线纵、横断面地面高程内插5.路线平纵横设计6.设计成果评价与设计方案优化7.编制工程设计文件4.2.4“3S”技术在公路勘测设计中的应用1.地理信息系统（GeographicInformationSystem）简称GIS：是地理学科和计算机学科运用测绘遥感、卫星定位、信息传递等高新技术而发展起来的。分以下三类：（1）专题型：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，是服务于特定的专门目的的。（2）区域型：主要以某一特定的研究区域综合研究和全面服务为目标，可以有不同规模的，如国家级、地区级。（3）工具型：它是具有地理信息系统功能的软件包，是一种工具平台。2.全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem）简称GPS。（1）GPS全球定位系统即全球性的卫星定位和导航系统，它能向全世界任何地方的用户观测站提供连续的、实时的位置，速度和时间等信息。GPS系统包括三大部分：空间部分（GPS卫星星座）、地面部分（地面监控系统）、用户设备部分（GPS信号接收机）。（2）GPS定位原理GPS定位的实质是空间距离后方交会i，即将空间卫星作为已知点，同时测定接收机到几颗卫星的空间位置。1）绝对定位原理；2）相对定位原理（3）GPS测量的实施1）用GPS布设控制网，与全站仪联测；2）GPS与航测技术联合；3）实时动态测量（4）GPS的缺点（5）GPS的改进（6）GPS在道路设计中的应用1）绘制大比例尺地形图；2）公路中线放样；3）公路的横、纵断面放样和土石方数量计算；4）桥梁结构物放样3.遥感技术（RemoteSensing）:遥感是利用航片或卫星照片上含有的丰富地表信息，通过立体观察和相片判释并经过计算机的自动处理、自动识别，获得与路线相关的各种地质、水文、建材等资料的一个计算机软硬件系统。全球卫星定位系统（GPS)－产生与发展（一）第一代卫星导航系统的产生与发展•1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功。•1958年12月美国建立“子午卫星系统”——Transit•1965年前苏联建立了“卫星导航系统”——CICADA•1967年美国宣布解密子午卫星系统的部分导航电文供民间使用。（二）第一代卫星导航系统的局限性•1.卫星少，不能实时定位。•2.轨道低，难以精密定轨。•3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。（三）第二、三代卫星导航系统•1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统——GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem)••该系统分三个阶段进行：1.论证方案阶段：1973年12月组成联合办公室。2.工程研制阶段：1978年2月22日第一颗GPS试验卫星发射成功。3.生产作业阶段：1989年2月14日第一颗GPS工作卫星发射成功。1994年6月完成第二代卫星发射。1996年开始发射第三代（BlockIIR)卫星。全球卫星定位系统（GPS)－特点•(一)GPS相对于其它导航系统的特点1.全球地面连续覆盖。2.功能多，精度高。3.实时定位速度快。4.抗干扰性能好，保密性强。•(二)GPS应用于定位方面的特点1.观测站之间无需通视。2.定位精度高。3.观测时间短。4.提供三维坐标。5.操作简便。6.全天候作业。•利用GPS的限制美国实行所谓“选择可用性”—SA政策(SelectiveAvailability)提供两种定位服务方式：1.精密定位服务(PPS)—P码(精码)2.标准定位服务(SPS)—C/A码(粗码)出租车城市出租车管理