公路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的DTM應(yīng)用探討

賀玲玲

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006)

0 引言

DTM(數(shù)字地面模型)作為對(duì)地形特征點(diǎn)空間分布及關(guān)聯(lián)信息的一種數(shù)字表達(dá)方式，綜合表達(dá)了地表自然和人文多種信息。該技術(shù)最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院的米勒教授于1956年提出，用于計(jì)算道路工程的面積、體積和坡度，以及兩點(diǎn)之間可視性的判斷和繪制任意斷面圖。近些年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、道路勘測(cè)技術(shù)、航測(cè)遙感技術(shù)等也得到了迅速的發(fā)展，伴隨著眾多道路工程的開(kāi)展，DTM在道路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

對(duì)此，眾多學(xué)者和技術(shù)人員做了分析與研究，程建川等人[1]以數(shù)字地面模型為技術(shù)核心，就公路路線(xiàn)勘測(cè)、設(shè)計(jì)兩階段的一體化技術(shù)進(jìn)行討論，通過(guò)相應(yīng)的工程項(xiàng)目的實(shí)踐，確定了數(shù)字地面模型在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性和重要性。楊長(zhǎng)根等人[2]介紹了現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)和鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在鐵路勘測(cè)一體化中的地位與作用，并結(jié)合對(duì)成昆鐵路的具體研究?jī)?nèi)容及成果，討論如何將現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化中，進(jìn)一步拓寬鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化的視野。而趙永平等人[3]則為了解決傳統(tǒng)道路勘測(cè)設(shè)計(jì)效率低及制約公路多方案比選的問(wèn)題，對(duì)道路勘測(cè)及設(shè)計(jì)的內(nèi)、外業(yè)工作進(jìn)行了分析，結(jié)合CAD技術(shù)，研究數(shù)字地面模型構(gòu)建的方法，提出了應(yīng)用DTM實(shí)現(xiàn)路線(xiàn)測(cè)設(shè)一體化的程序設(shè)計(jì)方法及自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖表的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這些研究與實(shí)踐工作，鞏固了DTM技術(shù)在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化中的技術(shù)地位，同時(shí)也為公路工程的數(shù)字化、智能化提供了技術(shù)支持。

1 公路勘測(cè)設(shè)計(jì)與DTM

傳統(tǒng)的公路設(shè)計(jì)方法不僅需要大量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的野外勘測(cè)工作，而且所設(shè)計(jì)的公路還不可避免的具有以下缺陷:方案并不一定是經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上最優(yōu)的方案;工作強(qiáng)度大，且受人為主觀影響大;設(shè)計(jì)工作比較繁瑣，需要設(shè)計(jì)者有一定的經(jīng)驗(yàn)。

山西作為全國(guó)最主要的能源輸出省之一，交通一直是制約全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。面對(duì)我國(guó)蓬勃發(fā)展的公路產(chǎn)業(yè)，山西省繼2010年，2011年連續(xù)兩年每年建成1 000 km高速公路之后，計(jì)劃在2012年再建1 000 km高速公路，到年底全省高速公路總里程突破5 000 km大關(guān)。這就意味著，公路建設(shè)成為山西重點(diǎn)工程建設(shè)的重頭戲。而采用傳統(tǒng)的公路設(shè)計(jì)方法顯然不能滿(mǎn)足公路建設(shè)的要求。因此，采用以DTM為代表的高效能新技術(shù)，對(duì)保障公路建設(shè)工程至關(guān)重要。我們知道，公路設(shè)計(jì)一般分為可行性研究、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段，而DTM的應(yīng)用被普遍認(rèn)為是在初步設(shè)計(jì)階段。而作為公路這樣的線(xiàn)形工程，DTM的表現(xiàn)形式一般都是帶狀的，為了計(jì)算方便，并考慮計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)量的限制，當(dāng)線(xiàn)路長(zhǎng)度較大時(shí)，可采用分段建立的方式進(jìn)行。當(dāng)線(xiàn)路存在較為復(fù)雜的曲線(xiàn)時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行分段處理。

需要注意的是，所建立的分段DTM必須保證一定的重疊度，以保障待插高程點(diǎn)均不處于各DTM的邊緣，從而保證內(nèi)插精度不會(huì)因點(diǎn)所處位置不同而有明顯差異。

目前，在成熟的公路設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中，Hard系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一個(gè)引入數(shù)字化地面模型(DTM)技術(shù)的公路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它真正實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)，并且在三維設(shè)計(jì)方面一直保持國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的地位，用戶(hù)遍布全國(guó)30個(gè)省、直轄市，近10年來(lái)，全國(guó)1 000多家海地用戶(hù)應(yīng)用Hard系統(tǒng)完成數(shù)十萬(wàn)千米的公路設(shè)計(jì)，建設(shè)完成的道路遍布祖國(guó)大江南北。

2 DTM用于公路設(shè)計(jì)

公路設(shè)計(jì)主要涉及平面曲線(xiàn)設(shè)計(jì);縱、橫斷面設(shè)計(jì);填挖方量計(jì)算和透視圖制作幾個(gè)方面。在平面曲線(xiàn)大體位置確定的情況下，不必做進(jìn)一步的野外測(cè)量，而依據(jù)已建立的帶狀DTM內(nèi)插生成縱、橫斷面圖。下面以CASS 7.0作為輔助設(shè)計(jì)軟件，探討DTM在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 三維立體圖生成

三維立體圖是人們熟悉和習(xí)慣的數(shù)字模型的表達(dá)形式之一。它是以數(shù)值的形式表示地表數(shù)量變化(不只是高程變化)的直觀方法，可以用線(xiàn)條描繪或陰影柵格顯示來(lái)表示規(guī)則或不規(guī)則x，y，z數(shù)據(jù)組的立體圖形。在CASS 7.0下首先生成格網(wǎng)DTM，然后經(jīng)三維模型高級(jí)著色渲染后的三維地形效果圖如圖1所示。

圖1 渲染后的三維地形效果圖

2.2 縱斷面圖繪制

現(xiàn)行的縱斷面設(shè)計(jì)方法是沿道路中心線(xiàn)測(cè)得中樁地面高程，將這些高程點(diǎn)繪制在坐標(biāo)格網(wǎng)紙上，以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)原地面線(xiàn)進(jìn)行拉坡，最后獲得縱斷面設(shè)計(jì)線(xiàn)[4]。而采用DTM是先根據(jù)平面曲線(xiàn)分測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，利用帶狀DTM，采用移動(dòng)擬合法內(nèi)插，即可獲得縱斷面圖。還可采用平滑處理，得到一個(gè)比原地面線(xiàn)更加平滑的地面線(xiàn)。在CASS 7.0下利用復(fù)合線(xiàn)(PLINE)在三角網(wǎng)上繪制出斷面線(xiàn)后生成縱斷面圖。

2.3 土方量計(jì)算

土方量是工程費(fèi)用估算及方案優(yōu)選的重要因素，因此公路工程必須計(jì)算土方量。常見(jiàn)的土方量?jī)?nèi)業(yè)計(jì)算方法包括:方格法、等高線(xiàn)法、斷面法和數(shù)字高程模型法等。不同的計(jì)算將產(chǎn)生不同的結(jié)果。其中，等高線(xiàn)法計(jì)算土方適合于地形坡度均勻的地方，其等高線(xiàn)必須閉合，否則難以計(jì)算。首先在CASS 7.0下建立DTM，生成計(jì)算區(qū)域的等高線(xiàn)。然后選中等高線(xiàn)法計(jì)算土方量選項(xiàng)，輸入場(chǎng)地平均高程，再在圖面上選擇三角網(wǎng)，即可按要求的平場(chǎng)標(biāo)高計(jì)算出場(chǎng)地填挖量。

2.4 復(fù)雜斷面圖生成

要繪制道路工程中一些復(fù)雜的斷面圖，就要依據(jù)斷面里程文件進(jìn)行圖形繪制，斷面里程文件主要包括里程和該里程處所對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高。

操作步驟為:

1)由圖上等高線(xiàn)或三角網(wǎng)生成斷面里程文件;

2)給定一組統(tǒng)一的設(shè)計(jì)參數(shù)，如中樁設(shè)計(jì)高程、路寬、邊坡、邊溝等，依據(jù)這些參數(shù)生成斷面圖;

3)依據(jù)地面實(shí)際情況對(duì)斷面逐個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，修改其中樁高程、路面及邊坡信息;

4)按照新的設(shè)計(jì)參數(shù)重新生成設(shè)計(jì)線(xiàn)。具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)雜斷面生成流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

目前，DTM已是建立不同層次的地理信息系統(tǒng)(GIS)不可缺少的組成部分。在信息系統(tǒng)分析并以此為依據(jù)進(jìn)行規(guī)劃和決策時(shí)，十分注重地表屬性的三維特征，并使這些要素成為地學(xué)分析和生產(chǎn)應(yīng)用中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和確切信息。DTM建立后，即可進(jìn)行各種工程應(yīng)用，如自動(dòng)生成等高線(xiàn)，提取斷面數(shù)據(jù)，坡度信息或生成相應(yīng)圖形，自動(dòng)計(jì)算土方工程量，制作三維景觀數(shù)字地形圖等。作為DTM建立原動(dòng)力的道路工程中，DTM應(yīng)用更為廣泛。為公路工程而建立的DTM，是沿著線(xiàn)路方向中心線(xiàn)具有一定寬度的帶狀DTM，在逐次修訂線(xiàn)路中應(yīng)能便于求得縱、橫斷面上的地形信息，而建立DTM的目的也就是能自動(dòng)或者半自動(dòng)的求得最佳線(xiàn)路的設(shè)計(jì)。DTM在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)我國(guó)公路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化工程發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，但目前的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，受限于DTM數(shù)據(jù)獲取和表達(dá)的測(cè)繪技術(shù)發(fā)展，仍需要我們繼續(xù)關(guān)注和應(yīng)用研究。

[1]程建川，王之江.公路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化應(yīng)用技術(shù)[J].公路交通科技，2001，18(5):19-21.

[2]楊長(zhǎng)根，陳彥恒，青云毅.現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2009(4):67-69.

[3]趙永平，馬松林，王百成.道路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化的實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(7):155-159.

[4]張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.