公路勘測設計中的DTM應用探討

賀玲玲

(山西省交通規劃勘察設計院，山西太原 030006)

0 引言

DTM(數字地面模型)作為對地形特征點空間分布及關聯信息的一種數字表達方式，綜合表達了地表自然和人文多種信息。該技術最早由美國麻省理工學院的米勒教授于1956年提出，用于計算道路工程的面積、體積和坡度，以及兩點之間可視性的判斷和繪制任意斷面圖。近些年來，隨著國民經濟的快速發展，測繪技術、計算機技術、虛擬現實技術、道路勘測技術、航測遙感技術等也得到了迅速的發展，伴隨著眾多道路工程的開展，DTM在道路勘測設計中的應用越來越廣泛。

對此，眾多學者和技術人員做了分析與研究，程建川等人[1]以數字地面模型為技術核心，就公路路線勘測、設計兩階段的一體化技術進行討論，通過相應的工程項目的實踐，確定了數字地面模型在公路工程勘測設計中應用的可行性和重要性。楊長根等人[2]介紹了現代測繪技術和鐵路勘測設計一體化的發展現狀，分析了現代測繪技術在鐵路勘測一體化中的地位與作用，并結合對成昆鐵路的具體研究內容及成果，討論如何將現代測繪技術應用于鐵路勘測設計一體化中，進一步拓寬鐵路勘測設計一體化的視野。而趙永平等人[3]則為了解決傳統道路勘測設計效率低及制約公路多方案比選的問題，對道路勘測及設計的內、外業工作進行了分析，結合CAD技術，研究數字地面模型構建的方法，提出了應用DTM實現路線測設一體化的程序設計方法及自動生成設計圖表的軟件實現技術。這些研究與實踐工作，鞏固了DTM技術在公路勘測設計一體化中的技術地位，同時也為公路工程的數字化、智能化提供了技術支持。

1 公路勘測設計與DTM

傳統的公路設計方法不僅需要大量費時費力的野外勘測工作，而且所設計的公路還不可避免的具有以下缺陷:方案并不一定是經濟、技術上最優的方案;工作強度大，且受人為主觀影響大;設計工作比較繁瑣，需要設計者有一定的經驗。

山西作為全國最主要的能源輸出省之一，交通一直是制約全省經濟社會發展的瓶頸。面對我國蓬勃發展的公路產業，山西省繼2010年，2011年連續兩年每年建成1 000 km高速公路之后，計劃在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。這就意味著，公路建設成為山西重點工程建設的重頭戲。而采用傳統的公路設計方法顯然不能滿足公路建設的要求。因此，采用以DTM為代表的高效能新技術，對保障公路建設工程至關重要。我們知道，公路設計一般分為可行性研究、初步設計和施工圖設計三個階段，而DTM的應用被普遍認為是在初步設計階段。而作為公路這樣的線形工程，DTM的表現形式一般都是帶狀的，為了計算方便，并考慮計算機內存儲量的限制，當線路長度較大時，可采用分段建立的方式進行。當線路存在較為復雜的曲線時，也應進行分段處理。

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

目前，在成熟的公路設計軟件系統中，Hard系統是國內第一個引入數字化地面模型(DTM)技術的公路設計系統，它真正實現了三維設計，并且在三維設計方面一直保持國內領先的地位，用戶遍布全國30個省、直轄市，近10年來，全國1 000多家海地用戶應用Hard系統完成數十萬千米的公路設計，建設完成的道路遍布祖國大江南北。

2 DTM用于公路設計

公路設計主要涉及平面曲線設計;縱、橫斷面設計;填挖方量計算和透視圖制作幾個方面。在平面曲線大體位置確定的情況下，不必做進一步的野外測量，而依據已建立的帶狀DTM內插生成縱、橫斷面圖。下面以CASS 7.0作為輔助設計軟件，探討DTM在公路設計中的應用。

2.1 三維立體圖生成

三維立體圖是人們熟悉和習慣的數字模型的表達形式之一。它是以數值的形式表示地表數量變化(不只是高程變化)的直觀方法，可以用線條描繪或陰影柵格顯示來表示規則或不規則x，y，z數據組的立體圖形。在CASS 7.0下首先生成格網DTM，然后經三維模型高級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

現行的縱斷面設計方法是沿道路中心線測得中樁地面高程，將這些高程點繪制在坐標格網紙上，以設計標準為依據，對原地面線進行拉坡，最后獲得縱斷面設計線[4]。而采用DTM是先根據平面曲線分測點的平面坐標，利用帶狀DTM，采用移動擬合法內插，即可獲得縱斷面圖。還可采用平滑處理，得到一個比原地面線更加平滑的地面線。在CASS 7.0下利用復合線(PLINE)在三角網上繪制出斷面線后生成縱斷面圖。

2.3 土方量計算

土方量是工程費用估算及方案優選的重要因素，因此公路工程必須計算土方量。常見的土方量內業計算方法包括:方格法、等高線法、斷面法和數字高程模型法等。不同的計算將產生不同的結果。其中，等高線法計算土方適合于地形坡度均勻的地方，其等高線必須閉合，否則難以計算。首先在CASS 7.0下建立DTM，生成計算區域的等高線。然后選中等高線法計算土方量選項，輸入場地平均高程，再在圖面上選擇三角網，即可按要求的平場標高計算出場地填挖量。

2.4 復雜斷面圖生成

要繪制道路工程中一些復雜的斷面圖，就要依據斷面里程文件進行圖形繪制，斷面里程文件主要包括里程和該里程處所對應的地面標高。

操作步驟為:

1)由圖上等高線或三角網生成斷面里程文件;

2)給定一組統一的設計參數，如中樁設計高程、路寬、邊坡、邊溝等，依據這些參數生成斷面圖;

3)依據地面實際情況對斷面逐個進行設計，修改其中樁高程、路面及邊坡信息;

4)按照新的設計參數重新生成設計線。具體流程見圖2。

圖2 復雜斷面生成流程圖

3 結語

目前，DTM已是建立不同層次的地理信息系統(GIS)不可缺少的組成部分。在信息系統分析并以此為依據進行規劃和決策時，十分注重地表屬性的三維特征，并使這些要素成為地學分析和生產應用中的基礎數據和確切信息。DTM建立后，即可進行各種工程應用，如自動生成等高線，提取斷面數據，坡度信息或生成相應圖形，自動計算土方工程量，制作三維景觀數字地形圖等。作為DTM建立原動力的道路工程中，DTM應用更為廣泛。為公路工程而建立的DTM，是沿著線路方向中心線具有一定寬度的帶狀DTM，在逐次修訂線路中應能便于求得縱、橫斷面上的地形信息，而建立DTM的目的也就是能自動或者半自動的求得最佳線路的設計。DTM在道路設計中的應用，對我國公路勘測設計一體化工程發展具有重要的推動作用，但目前的應用尚處于發展階段，受限于DTM數據獲取和表達的測繪技術發展，仍需要我們繼續關注和應用研究。

[1]程建川，王之江.公路勘測設計一體化應用技術[J].公路交通科技，2001，18(5):19-21.

[2]楊長根，陳彥恒，青云毅.現代測繪技術在鐵路勘測設計一體化中的應用[J].鐵道勘察，2009(4):67-69.

[3]趙永平，馬松林，王百成.道路勘測設計一體化的實現技術[J].哈爾濱工業大學學報，2009，41(7):155-159.

[4]張正祿.工程測量學[M].武漢:武漢大學出版社，2002.