在公路設計中數字地形圖的應用研究

陳 文楊 鷹

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

1 引言

隨著國民經濟的迅速發展，我國交通量明顯增長，遠遠超過了現有公路的建設速度。公路建設速度影響著國民經濟的快速發展，而公路設計在公路建設中起著舉重輕重的作用。如何準確、快速地提高公路設計質量以及速度是關鍵。傳統的公路勘測設計方法，耗時長，需要浪費很多物力、財力和人力。而采用數字地形圖進行公路設計時，可以全面系統地規劃、設計路線。同時也可從數字地形圖上提取公路設計時所需的相關數據，如縱橫斷面地面線的高程等。利用數字地形圖進行公路設計時，不僅可以保證質量，提高速度，還能夠節約經費。

2 數字地形圖的概述

數字地圖，是以地圖數據庫為基礎，以數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。數字地形圖根據數據形式分為柵格和矢量數字地形圖，本文指的是矢量數字地形圖。

在應用數字地形圖時需考慮其更新速度的快慢。對于更新較慢的，由于在數字地形圖上有些新建地物沒有反應，因此一般不建議采用。數字地形圖更新較快的，需確認地物更新狀態并實地核對，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。公路設計時不同階段對數據的精度要求不一樣，需實際情況選擇不同的數字地形圖，以滿足精度指標要求。一般公路在可行性研究階段、初步設計階段對精度的要求不高，而在施工圖測設階段對其要求較高。

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（地理信息系統軟件）、Surfer（三維繪圖系統）、緯地等軟件，分析在公路設計中數字地形圖的應用。

3.1 建立數字地面模型

地面數字地面模型是利用緯地系統結合三維地形圖而建立的，其步驟如下：

（1）新建工程項目。設置新建項目名稱、文件存儲路徑以及設計者信息等。

（2）新建數模。對點數據高程過濾進行設置，其中包括過濾器最大高程值以及最小高程值等。

（3）讀入三維數據及預檢數據。讀入三維數據并對其進行檢查，以提高數據的質量。

（4）三角構網。對三維點進行排序、索引等，并建立三維數字地面模型。

（5）顯示網格。顯示三角構網結果。

（6）優化三角網。優化三角網可消除平三角，使其更貼切反映地面實際情況。

（7）編輯數模及保存。

3.2 平面線形設計

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

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

3.3 內插縱橫斷面高程值

在平面設計后，對路線縱橫斷面的高程值進行內插，其流程如圖1。

3.4 縱斷面設計

在進行縱斷面設計時按照國家的標準以及相關規范，滿足路基的最小填土高度以及構造物的設計標高要求，合理的選擇技術指標，注意路線的行車安全，降低路線的工程造價。根據數字地面模型內插的縱斷面地面數據，進行縱斷面設計，然后繪制縱斷面設計圖。

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

3.5 橫斷面及路面結構設計

橫斷面設計是根據平面設計和縱斷面設計的地形數據而進行的。橫斷面設計方法相對于傳統方法采集數據速度快，缺點是有的數據精度不是很高，所以一般不適用在施工圖設計階段。

圖1 縱橫斷面高程內插流程

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水泥穩定碎石，面層為6cm中粒式瀝青混凝土。

3.6 三維模型設計

實體的三維模型在進行完平縱橫設計后，可利用緯地系統生成。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。在路線設計過程中要根據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，結合緯地系統生成路線的透視圖，從而可實現從不同角度、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，達到安全設計要求。

結語

本文利用 ArcviewGIS3.3、Surfer8.0、緯地等軟件結合實例分析了數字地形圖在公路設計中的應用。在平面設計中，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插時，使縱橫斷面的數據采集效率大大地提高。在三維模型設計時，可從不通過角度對路線的位置進行客觀地評價，為調整路線方案提供了參考依據。在公路設計中數字地形圖的應用越來越廣泛。

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