在公路設(shè)計(jì)中數(shù)字地形圖的應(yīng)用研究

陳 文楊 鷹

(1、長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙410017；2、湖北國(guó)創(chuàng)高新材料股份有限公司，武漢，430070)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)交通量明顯增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有公路的建設(shè)速度。公路建設(shè)速度影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，而公路設(shè)計(jì)在公路建設(shè)中起著舉重輕重的作用。如何準(zhǔn)確、快速地提高公路設(shè)計(jì)質(zhì)量以及速度是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，耗時(shí)長(zhǎng)，需要浪費(fèi)很多物力、財(cái)力和人力。而采用數(shù)字地形圖進(jìn)行公路設(shè)計(jì)時(shí)，可以全面系統(tǒng)地規(guī)劃、設(shè)計(jì)路線(xiàn)。同時(shí)也可從數(shù)字地形圖上提取公路設(shè)計(jì)時(shí)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，如縱橫斷面地面線(xiàn)的高程等。利用數(shù)字地形圖進(jìn)行公路設(shè)計(jì)時(shí)，不僅可以保證質(zhì)量，提高速度，還能夠節(jié)約經(jīng)費(fèi)。

2 數(shù)字地形圖的概述

數(shù)字地圖，是以地圖數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)外儲(chǔ)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(shí)需考慮其更新速度的快慢。對(duì)于更新較慢的，由于在數(shù)字地形圖上有些新建地物沒(méi)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(rèn)地物更新?tīng)顟B(tài)并實(shí)地核對(duì)，無(wú)誤后才采用。對(duì)少部分地物不符的，需進(jìn)行補(bǔ)測(cè)、糾正后才能采用。公路設(shè)計(jì)時(shí)不同階段對(duì)數(shù)據(jù)的精度要求不一樣，需實(shí)際情況選擇不同的數(shù)字地形圖，以滿(mǎn)足精度指標(biāo)要求。一般公路在可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段對(duì)精度的要求不高，而在施工圖測(cè)設(shè)階段對(duì)其要求較高。

3 工程實(shí)例

本文以該二級(jí)公路的K52+300至K56+800段為例，其設(shè)計(jì)速度為40km/h，路線(xiàn)長(zhǎng)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(cè)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(jì)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(xiàng)目。設(shè)置新建項(xiàng)目名稱(chēng)、文件存儲(chǔ)路徑以及設(shè)計(jì)者信息等。

（2）新建數(shù)模。對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)高程過(guò)濾進(jìn)行設(shè)置，其中包括過(guò)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(duì)其進(jìn)行檢查，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（4）三角構(gòu)網(wǎng)。對(duì)三維點(diǎn)進(jìn)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(shí)際情況。

（7）編輯數(shù)模及保存。

3.2 平面線(xiàn)形設(shè)計(jì)

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

在路線(xiàn)平面線(xiàn)形設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)路線(xiàn)的矢量地形圖，平面效果圖，三維效果圖以及現(xiàn)場(chǎng)的勘察按照要求確定路線(xiàn)的平面幾何線(xiàn)形。

3.3 內(nèi)插縱橫斷面高程值

在平面設(shè)計(jì)后，對(duì)路線(xiàn)縱橫斷面的高程值進(jìn)行內(nèi)插，其流程如圖1。

3.4 縱斷面設(shè)計(jì)

在進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)范，滿(mǎn)足路基的最小填土高度以及構(gòu)造物的設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，合理的選擇技術(shù)指標(biāo)，注意路線(xiàn)的行車(chē)安全，降低路線(xiàn)的工程造價(jià)。根據(jù)數(shù)字地面模型內(nèi)插的縱斷面地面數(shù)據(jù)，進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，然后繪制縱斷面設(shè)計(jì)圖。

在縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際地面數(shù)據(jù)存在著偏差。一般適用于精度要求不很?chē)?yán)的公路設(shè)計(jì)階段。

3.5 橫斷面及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)是根據(jù)平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)的地形數(shù)據(jù)而進(jìn)行的。橫斷面設(shè)計(jì)方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)速度快，缺點(diǎn)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(jì)階段。

圖1 縱橫斷面高程內(nèi)插流程

在該項(xiàng)目中，采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬為8.5m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為2*3.5m行車(chē)道+2*0.75m土路肩。該段路線(xiàn)采用瀝青混凝土路面，底基層為18cm級(jí)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(jì)

實(shí)體的三維模型在進(jìn)行完平縱橫設(shè)計(jì)后，可利用緯地系統(tǒng)生成。三維模型在輸出時(shí)可整體輸出也可分段輸出，其模型類(lèi)型有路基模型、隧道模型和橋梁模型。在路線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的情況選擇合理的模型類(lèi)型以及輸出方式。同時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇視點(diǎn)樁號(hào)、視點(diǎn)方向、距路基面的高度以及視線(xiàn)偏移的距離等，結(jié)合緯地系統(tǒng)生成路線(xiàn)的透視圖，從而可實(shí)現(xiàn)從不同角度、樁號(hào)、方向以及高度來(lái)正確反映路線(xiàn)的視覺(jué)效果，從而更有利于行車(chē)安全，達(dá)到安全設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

本文利用 ArcviewGIS3.3、Surfer8.0、緯地等軟件結(jié)合實(shí)例分析了數(shù)字地形圖在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在平面設(shè)計(jì)中，可整體把握公路的路線(xiàn)走向，從而有益于合理選線(xiàn)。在縱橫斷面地面線(xiàn)內(nèi)插時(shí)，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(jì)時(shí)，可從不通過(guò)角度對(duì)路線(xiàn)的位置進(jìn)行客觀地評(píng)價(jià)，為調(diào)整路線(xiàn)方案提供了參考依據(jù)。在公路設(shè)計(jì)中數(shù)字地形圖的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

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