在公路設(shè)計中數(shù)字地形圖的應(yīng)用研究

陳 文楊 鷹

(1、長沙理工大學，長沙410017；2、湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司，武漢，430070)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國交通量明顯增長，遠遠超過了現(xiàn)有公路的建設(shè)速度。公路建設(shè)速度影響著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，而公路設(shè)計在公路建設(shè)中起著舉重輕重的作用。如何準確、快速地提高公路設(shè)計質(zhì)量以及速度是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的公路勘測設(shè)計方法，耗時長，需要浪費很多物力、財力和人力。而采用數(shù)字地形圖進行公路設(shè)計時，可以全面系統(tǒng)地規(guī)劃、設(shè)計路線。同時也可從數(shù)字地形圖上提取公路設(shè)計時所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，如縱橫斷面地面線的高程等。利用數(shù)字地形圖進行公路設(shè)計時，不僅可以保證質(zhì)量，提高速度，還能夠節(jié)約經(jīng)費。

2 數(shù)字地形圖的概述

數(shù)字地圖，是以地圖數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以數(shù)字形式存儲在計算機外儲存器上，可以在電子屏幕上顯示的地圖。數(shù)字地形圖根據(jù)數(shù)據(jù)形式分為柵格和矢量數(shù)字地形圖，本文指的是矢量數(shù)字地形圖。

在應(yīng)用數(shù)字地形圖時需考慮其更新速度的快慢。對于更新較慢的，由于在數(shù)字地形圖上有些新建地物沒有反應(yīng)，因此一般不建議采用。數(shù)字地形圖更新較快的，需確認地物更新狀態(tài)并實地核對，無誤后才采用。對少部分地物不符的，需進行補測、糾正后才能采用。公路設(shè)計時不同階段對數(shù)據(jù)的精度要求不一樣，需實際情況選擇不同的數(shù)字地形圖，以滿足精度指標要求。一般公路在可行性研究階段、初步設(shè)計階段對精度的要求不高，而在施工圖測設(shè)階段對其要求較高。

3 工程實例

本文以該二級公路的K52+300至K56+800段為例，其設(shè)計速度為40km/h，路線長度為4.5km，路面寬度為7.0m,路肩寬度為2*0.75km，最大縱坡為7%等。利用測繪和道路軟件如：ArcViewGIS（地理信息系統(tǒng)軟件）、Surfer（三維繪圖系統(tǒng)）、緯地等軟件，分析在公路設(shè)計中數(shù)字地形圖的應(yīng)用。

3.1 建立數(shù)字地面模型

地面數(shù)字地面模型是利用緯地系統(tǒng)結(jié)合三維地形圖而建立的，其步驟如下：

（1）新建工程項目。設(shè)置新建項目名稱、文件存儲路徑以及設(shè)計者信息等。

（2）新建數(shù)模。對點數(shù)據(jù)高程過濾進行設(shè)置，其中包括過濾器最大高程值以及最小高程值等。

（3）讀入三維數(shù)據(jù)及預(yù)檢數(shù)據(jù)。讀入三維數(shù)據(jù)并對其進行檢查，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（4）三角構(gòu)網(wǎng)。對三維點進行排序、索引等，并建立三維數(shù)字地面模型。

（5）顯示網(wǎng)格。顯示三角構(gòu)網(wǎng)結(jié)果。

（6）優(yōu)化三角網(wǎng)。優(yōu)化三角網(wǎng)可消除平三角，使其更貼切反映地面實際情況。

（7）編輯數(shù)模及保存。

3.2 平面線形設(shè)計

平面線形設(shè)計是路線在大地投影面上的幾何線性設(shè)計。傳統(tǒng)的選線工作量大，比較麻煩，存在許多弊端。如果設(shè)計人員對路線不是很了解，可能會導(dǎo)致選線不合理，甚至可能需要重新返工。無論在經(jīng)濟上還是在時間上造成了一定的浪費。而基于數(shù)字地形圖的平面線形設(shè)計，在CAD系統(tǒng)軟件上可實現(xiàn)整體縮小或局部放大，從而設(shè)計人員能在整體上來把握全局。

在路線平面線形設(shè)計時，平面效果圖由ArcView GIS3.3以及數(shù)量數(shù)據(jù)中的shp形文件生成。三維效果圖由Surfer8.0以及矢量數(shù)據(jù)中的xyz文件生成。通過路線的矢量地形圖，平面效果圖，三維效果圖以及現(xiàn)場的勘察按照要求確定路線的平面幾何線形。

3.3 內(nèi)插縱橫斷面高程值

在平面設(shè)計后，對路線縱橫斷面的高程值進行內(nèi)插，其流程如圖1。

3.4 縱斷面設(shè)計

在進行縱斷面設(shè)計時按照國家的標準以及相關(guān)規(guī)范，滿足路基的最小填土高度以及構(gòu)造物的設(shè)計標高要求，合理的選擇技術(shù)指標，注意路線的行車安全，降低路線的工程造價。根據(jù)數(shù)字地面模型內(nèi)插的縱斷面地面數(shù)據(jù)，進行縱斷面設(shè)計，然后繪制縱斷面設(shè)計圖。

在縱斷面設(shè)計時受天氣的影響較少，數(shù)據(jù)采集的速度較快，但是采集的數(shù)據(jù)是模型數(shù)據(jù)，跟實際地面數(shù)據(jù)存在著偏差。一般適用于精度要求不很嚴的公路設(shè)計階段。

3.5 橫斷面及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

橫斷面設(shè)計是根據(jù)平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計的地形數(shù)據(jù)而進行的。橫斷面設(shè)計方法相對于傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)速度快，缺點是有的數(shù)據(jù)精度不是很高，所以一般不適用在施工圖設(shè)計階段。

圖1 縱橫斷面高程內(nèi)插流程

在該項目中，采用二級公路標準，路基寬為8.5m，標準橫斷面為2*3.5m行車道+2*0.75m土路肩。該段路線采用瀝青混凝土路面，底基層為18cm級配碎石，基層為36cm水泥穩(wěn)定碎石，面層為6cm中粒式瀝青混凝土。

3.6 三維模型設(shè)計

實體的三維模型在進行完平縱橫設(shè)計后，可利用緯地系統(tǒng)生成。三維模型在輸出時可整體輸出也可分段輸出，其模型類型有路基模型、隧道模型和橋梁模型。在路線設(shè)計過程中要根據(jù)實際項目的情況選擇合理的模型類型以及輸出方式。同時可根據(jù)實際情況選擇視點樁號、視點方向、距路基面的高度以及視線偏移的距離等，結(jié)合緯地系統(tǒng)生成路線的透視圖，從而可實現(xiàn)從不同角度、樁號、方向以及高度來正確反映路線的視覺效果，從而更有利于行車安全，達到安全設(shè)計要求。

結(jié)語

本文利用 ArcviewGIS3.3、Surfer8.0、緯地等軟件結(jié)合實例分析了數(shù)字地形圖在公路設(shè)計中的應(yīng)用。在平面設(shè)計中，可整體把握公路的路線走向，從而有益于合理選線。在縱橫斷面地面線內(nèi)插時，使縱橫斷面的數(shù)據(jù)采集效率大大地提高。在三維模型設(shè)計時，可從不通過角度對路線的位置進行客觀地評價，為調(diào)整路線方案提供了參考依據(jù)。在公路設(shè)計中數(shù)字地形圖的應(yīng)用越來越廣泛。

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