道路的測量及DEM數字地面模型的建立和應用

李陽

(唐山市交通勘察設計院有限公司，河北唐山 063000)

道路的測量及DEM數字地面模型的建立和應用

李陽

(唐山市交通勘察設計院有限公司，河北唐山 063000)

隨著以GIS為核心的3S技術的發展，在公路建設測繪領域，DEM數字地面模型研究和應用前景十分廣泛。介紹道路測量的階段性、目的和內容，闡述控制測量的諸要素，重點介紹DEM數字地面模型及其在公路測量中的應用。

道路測量;控制測量;DEM數字地面模型

0 引言

測量是道路工程建設中一項最基礎的工作。道路的修建總是要以最便捷、最合理、最經濟為原則，所以一條線路在建設之前，必須首先要對途經地進行勘察和測量，規劃設計出路線的帶狀地形圖，制定出如何繞開山嶺，如何盤山行走，如何開鑿隧道，如何架設橋梁跨越河流，如何與鐵路和其它道路交叉等設計方案，所以測量結果是路線設計最基本的依據之一。DEM數字高程模型是一種數字化產品，在道路測量測繪中具有廣泛的實際應用前景。筆者通過幾年來的學習和實踐，重點對道路的測量及DEM數字地面模型的建立和應用談幾點看法。

1 道路測量的階段性、目的和內容

公路測量根據工程進行的不同階段和目的，各有不同的工作內容。

(1)初步測量。初測的目的是對擬建道路提供建設沿途區域平面圖、地形圖、高程控制圖和特殊地段的控制樁及縱、橫斷面資料。因此，初測工作要圍繞以上目的展開，如縱、橫斷測量，河流及兩岸地形測量，測定橋位處的河流比降，橋位處的河床斷面和橋的軸線長度等。

(2)初設測量。項目的初步設計階段是根據批準的設計任務書和初測資料，編制出施工方案和設計概算文件，提供方案說明及圖表資料。目的是為工程擬定修建原則，選定設計方案和主要工程量提供測量依據。初步設計要在地形圖上進行紙上定線，進行通道、橋涵、隧道等布置，所以初設階段需要實地調查并計算工程數量。為了加深勘探調查及分析比例，還要通過實地放樁來進行平、縱、橫測量。將設計好的路線平面位置、縱坡及路基邊坡在地面上標定出來。

(3)施工圖詳測。當初步設計文件批準后，將進入施工圖設計階段。此時的測量目的是在圖紙上進行方案比選，確定路線方案。測量內容是進行中線放樣、縱斷面測量、橫斷面測量、主要工點地形圖測量和主要控制地物高等詳細測量。

(4)竣工測量。是對道路施工總體成果的檢驗性測量。目的是為竣工驗收提供詳細的數據資料。測量內容主要是依據設計圖紙和相關標準，對每個單項工程進行詳細測量，為項目提供出真實的竣工圖等竣工資料。

2 控制測量要素

為了設置測量基準，會在工程建設區域內的地面上，按照一定的規律布置一系列網點，并對這些點進行精確定位。這種方法被稱為控制測量，其目的是為地形測圖和工程建設測量放樣做出基準。這個控制網在勘測設計階段的作用，一是確定地形圖中各處地貌地物之間的相對位置，利用此控制網把測區各部分的測量工作聯系起來;二是為測繪地形圖確定適當的比例依據;三是保證路線、橋梁、隧道等的設計位置測繪的精度，限制地形圖中誤差的傳遞和累積。

(1)坐標系統的選擇。國家大地測量和工程控制測量都是在地球的自然表面進行的。面對高低起伏的不規則復雜曲面，很難用一個簡單的函數來描述和解析地球曲面上的幾何問題。為了方便控制網點的位置計算和地形測繪，往往會選擇一個接近于地球形狀而又便于數學運算的體形來代替地球曲面，并將觀測結果歸化到此體形的表面來進行計算[1]。通常使用參考橢球體來代替地球，該橢球體的中心與地球質心重合，旋轉軸與地球自轉軸重合，體積相等，質量相等，自轉角速度相等。在地球曲面上，有無窮多個與鉛垂線方向垂直的水準面，這個與平均海平面相重合的水準面被稱為大地水準面，用該橢球面作為大地測量計算的參考面。公路線路綿延千里，跨越多個不同的省區，坐標系統必須要統一在國家坐標系中，目前普遍采用高斯正形投影平面直接坐標系。

(2)測量控制網的建立方法?，F在普遍采用GPS測量來實現四等點控制網的平面和坐標建立。使用兩臺接收機同時觀測3顆衛星信號，利用后方交會的原理解算已知高等控制點的絕對坐標，然后通過各點連接和平差計算，將坐標傳遞得到各未知點的坐標?？刂泣c高程測量可采用水準儀進行四等水準施測。

(3)獨立高等控制網的建設方法。在公路工程中，采用GPS對首級控制網進行四等控制，利用常規方法進行一級導線的加密。首級控制網往往采用與國家坐標點聯測分帶換算，以便實現實地坐標系統與已有線路的準確銜接[1]。由于此控制網的內部精度高于線路首級控制網，這時如采用獨立網，作為線路整體的一部分則需要與路線的坐標系統相一致，以便保持線路施工過程中坐標系統的連續性。

3 DEM數字地面模型

為了進行公路的初步設計，需要建立數字地面模型以便對地球表面地形起伏的狀況進行定量描述，將采集到的大量地形點的三維坐標按照一組數字數據來進行表達，便是數字地面模型。數字地形模型的建模是一個數字模擬的過程，從數字地面模型上，可以得到地面上任意位置點的屬性值。DEM便是一個先進的地形表面的數學或數字模型。

(1)DEM數字地面模型的優勢。DEM以某一地理范圍內的地形數據為基礎，通過數學變換，將范圍內的地形地物以三維空間的形式表示在一個二維的平面上，以離散分布的平面點來模擬分布的地形。內插函數的形式對地表進行定量描述。DEM作為地形表面形態屬性的數字表達，是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的實體地面模型，是設計和測量工作的重要工具之一，可用于線路的設計和面積的計算，在測繪中可用于等高線、坡度的繪制，可用它制作立體景觀圖等。

(2)DEM的生成。對地形表面進行表達處理就是表面建模的生成。DEM表面模型的生成有幾種方法:一是基于點的表面生成，即對于每一數據點建立一水平面，然后將這些相鄰的不連續表面構成整個DEM表面。由于所建表面呈不連續性，所以不太實用。二是基于三角形的表面生成。空間的三個點可以生成一個任意傾斜的平面三角形，由于三角形形狀和大小非常靈活，可能很容易地將地形特征線、斷裂線等任何數據融合在一起，所以特別適合用于公路工程的表面建模。三是基于格網的建模生成。至少需要4個點來確定一個雙線性表面，是正方形格網的最佳選擇。但是在范圍較大的區域可導致DEM表面出現無法預料的抖動。四是混合表面的建模生成。將格網分解為三角形網絡，形成一個線性的連續表面。如果對不規則三角網進行內插處理，也可形成格網網絡。在實際工作中，基于三角形和格網的建模方法被認為是兩種基本建模方法而較多使用。

4 DEM在公路測量中的應用

隨著以GIS為核心的3S技術的發展，DEM研究和應用前景非常廣泛，尤其是在公路建設測繪領域占據了相當的重要位置。

(1)DEM用于地形分析。通過DEM可以得到擬建公路地帶中任一點的地形情況，計算出任一點的高程，可進行道路設計和施工中坡向、坡度、山脊線、山谷線和高程變化分析，可進行地貌形態分類及地形剖面圖的繪制等。

(2)DEM與遙感圖像融合生成的逼真場景。DEM采用等距格網模與遙感圖像數據之間的復合，一方面可以利用地形高程信息，對擬建道路的生態環境、地貌形態、植被土壤、景觀格局有個清晰的了解，另一方面可以消除或減少地形起伏地區的測量誤差。

(3)DEM自動繪制等高線及地形圖。通過DEM回放，可以按指定的間距特別方便地生成新的等高線圖。DEM還具有生成三維透視立體圖的功能，用二維平面將三維空間逼真地表現出來?？捎脕砟M地形，制作地形起伏影像圖。

[1] 曹偉堯.淺談公路工程勘察設計中測繪技術的應用[J].四川建材，2007(6):126-128.

[2] GB 50026—2007，工程測量規范[S].

U412.2

B

1009-7716(2015)11-0046-02

2015-05-27

李陽(1984-)，女，河北唐山人，工程師，從事公路測繪技術工作。