數字高程模型及其在公路勘察設計中的應用

唐 濤 屈國慶(湖北交通職業技術學院，430079)

數字高程模型及其在公路勘察設計中的應用

唐 濤 屈國慶
(湖北交通職業技術學院，430079)

公路工程的建設需要采集大量的地理數據信息，根據得到的數據信息，按照相應的比例尺寸，然后再結合工程的實際情況，才能設計出合理的施工設計圖，所以地理數據信息的采集工作對于整個公路工程來說具有重要意義，對地理數據信息數據的處理工作，僅僅依靠人的大腦是難以實現的，在這種情況下，人們在公路勘測設計中逐漸探索出了數字高程模型。本文對數字高程模型的定義和特點進行了詳細的介紹，分析了模型的具體構建，對數字高程模型在公路勘察設計中的主要應用進行了探討。

數字高程模型；公路勘察；設計；應用

隨著信息技術的不斷發展，現代化的先進技術已經應用在各個行業中，在公路工程建設中，為了更好的完成公路設計，提高公路工程質量，不斷地對公路勘察方法進行完善、提高，其中數字高程模型便是一項十分重要且使用的技術手段。在公路勘察設計中運用數字高程模型，能夠獲取不同地形下的地理數據信息，為公路的設計方案提供準確的數據保障，保證了公路設計方案的科學性、合理性以及實用性，有利于公路事業的發展[1]。

1.數字高程模型的定義和特點

數字高程模型簡稱DEM，是一種空間數據模型，模型的的數據是通過地面規則格網點的高程值構成矩陣，然后再形成柵格結構得來的，產生的數據能夠表現出地表起伏形態的詳細特征。在上世紀50年代，美國麻省工學院的Miller指出地形表面的起伏形態以及各種屬性特征的信息可以用數字表達出來，通過相關數字的記錄和描述，能夠得出數字所表示的區域內地形的各種詳細情況，這便是數字地面模型[2]。數字高程模型是數字地面模型中一個重要的分支，通過應用數字高程模型，能夠傳達出詳細的地理信息，包括地形中的坡度、坡向以及坡度變化率等。

數字高程模型DEM是表示某一區域上的三維向量有限序列，其核心是用具體的三維坐標數據代表地形表面的特征點，然后在根據連續的坐標數據，運用相應的計算公式和計算方法得出地標信息所代表的數據值，得出地表的具體特征信息，數字高程模型函數的具體表示方法為：

在公式（1）中，Xi,，Yi, 表示的是平面坐標，Zi表示的是與之相對應的高程。如果這個函數序列中的各平面向量的平面位置呈規則格網排列時，便可以將平面的坐標省略掉，,此時的DEM便簡化成了一維向量序列：

DEM是一種用數字表達形式來表示地形表面特征的，與傳統的地圖相比較，這種表達地理特征的現代化技術具有很多優點，在對數據進行存儲的時候更加方便快；通過應用計算機技術，能夠實現數據的自動更新，提高了數據信息的準確性和實效性；能夠更好的完成數據傳輸工作，提高了公路勘察的工作效率；除此之外，數字高程模型還具有比例尺特性，使用合適的比例，能夠更加準確的表示出公路工程的實際尺寸[3]。由于DEM的使用優勢和眾多優點，已經被廣泛應用于多個行業和領域，包括國民經濟、國防建設以及人文與自然科學等領域。

2.數字高程模型的構建方法

2.1 數字高程模型類型的選取

數字高程模型主要包括等高線模型、規則格網和不規則三角形三種不同類型，在對公路工程進行勘察設計的時候，應該根據工程的實際情況，對三種類型進行對比，分析三者之間的不同，了解它們各自的優點以及不足之處，以保證工程質量為基本原則，選擇最適合工程需要的類型。

等高線模型的數據是矢量結構，模型的構成需要大量的高程值，如果相關的高程值不夠完善，模型的構建便不能達到預期的效果[4]。這種模型雖然比較簡潔，但是沒有較強的直觀性，只適合專業人員的使用，非專業人員在使用的時候往往不能正確理解模型所傳達的信息，應用難度比較大，等高線模型主要用于地圖和地理信息系統中。

規則網格的構建的基礎矩陣元素的行列號，在進行構建的時候需要按照相應的方法，制定出科學、合理的劃分標準，然后將特定的區域劃分成規則的網格，然后對二維空間進行定位、得出精確的三維高程信息。在對數據進行統計、組織時通過使用規則網絡模型，能夠使整個過程更加簡單快；對數據進行存儲的時候，存儲效率比較高；能夠快速的對數據進行分析，檢索速度比較快。但是這種類型只適合運用在地形比較簡單的區域，在對復雜的地形進行勘察的時候，并不適合應用這種類型，因為在勘察過程中，平坦地區的數據會變得相對較多且比較多余，不能表現出復雜地形的特征。

不規則三角形模型的構建是以上兩種模型為發展基礎的，結合了上面兩種類型的優點和長處，對真實地形情況的模擬度比較高、數據信息更加精確、更能夠準確的表現出地形特征，這種方式在應用過程中，想要獲得做好的應用效果，就需要對數據提出最高的要求，以滿足模型的需要。

2.2 數據采集

數字高程模型在進行數據采集的時候應該結合工程的實際情況，采集的數據必須滿足工程的勘察需求。數據采集工作的開展必須以現有的技術條件為基礎，所采集的數據必須準確，只有更加準確的數據才能更好地構建數字高程模型，保證公路工程的建設質量；模型的構建需要通過使用到大量的數據，所以在進行數據采集的時候，必須保證數據量足夠大，以便為模型的構建提供足夠的數據支持。

數據的采集方法有多種，主要包括野外地形測量、攝影測量、在已有的地圖上進行數字化等方法[5]。在當前的數據采集方法中，攝影測量是進行公路勘察設計一種最佳的方案，在進行攝影測量的時候，通過運用航空攝影技術對特定區域進行拍攝、錄影等，能夠獲得更加準確的數據，并且在拍攝過程中，不會受到地形限制，能夠對區域內的地形、地貌進行全方位的了解，是采集的數據更加全面，大大提高了數據的可靠性，在最大程度上滿足了數字高程模型對數據的現實性要求。將遙感技術與航空攝影技術結合之后，數據的精準度變得更高，分辨率也變得更高，施工數據采集達到更好的效果。

野地外形測量顧名思義就是在野外完成的數據采集工作，當在野外對所需的數據進行實地的觀測、記錄數據的時候，需要利用利用GPS全球定位系統、全站儀等器材，利用這些數據構建數字高程模型之前，需要將采集到的數據進行優化，以便保證數據的準確度，為模型的構建提供數據保障。地面測量方法獲得的數據與航空攝影測量相比，數據質量是差不多的，但是這種方法所耗費的人力、物力、財力都是比較大的，工作效率也比較低，在公路勘察設計中并不適合用這種方法采集數據。

最后一種是現有地圖數據獲取方法，一個地區地形地貌的最直接表現形式就是地形圖，通過運用一定的地理知識，在地形上能夠清楚的了解到提圖內容所表達的信息，通過地圖上的等高線能夠得到地圖所表示的地區的地形高度和地形起伏情況，推算出準確的數據，不同地區的地圖比例尺是有一定差異的，但是在經過換算之后，便能夠得到比較準確的數據，所以數字高程模型構建所需要的數據也可以通過地形圖數據獲得。地圖中的數據信息轉化為模型所需的數據主要有兩種方法，分別是手扶跟蹤數字化儀法和掃描矢量化法，其中應用比較廣泛的是掃面矢量化法。

3.數字高程模型在公路勘察設計中的主要應用

3.1 數字高程模型用于方案比選

在勘察設計中，對數字高程模型方案的選擇是一項重要的工作，選擇方案的目的是為了更好的應用于工程建設中，保證工程的建設質量，選擇方案的依據是實際工程情況。在進行方案選擇的時候需要對項目進行充分了解，明白公路的的具體性質和工程要求，對工程的周圍的環境進行詳細的調查，包括工程的地質結構、地形特點等，然后按照相關的施工標準和施工要求，結合施工過程中所需要用到的施工設備等各種因素，全面分析工程的具體情況，對工程的整體造價進行預算，然后選擇最佳的方案，在保證工程質量的同時，最大化的減少工程量、降低工程成本。設計人員在進行公路勘察設計時，通過運用數字高程模型，能夠更加方便、快捷的對公路工程所在區域的地形、地貌等情況進行充分的了解，然后按照公路建設需要，設計出最合理的施工路線。

3.2 數字高程模型用于路線設計

路線CAD系統在數字高程模型中使能夠兼容存在的，所以在設計路線的時候就十分方便。公路工程在施工之前需要先選擇平坦的路面，來確定公路的具體施工路線，設計人員在進行路面選擇的時候，以數字高程模型所提供的地形、地貌特征作為主要參考依據，當發現路面情況不符合工程要求額時候，能夠及時對局部路面進行優化，大大提高了路面的平整性。將CAD系統能夠提供路面平面逐樁坐標，通過與數字高程模型相相結合，能夠對路線縱斷面地面線、橫斷面地面線等相關數值進行計算，并輸出路線縱、橫斷面的地面線數據，為公路路線的選擇提供了更多的依據，實現公路路線的最優化。

3.3 數字高程模型的三維可視化

數字高程模型具有其他技術沒有的優點便是三維可視化，所謂的三維可視化就是利用動畫技術將道路及周邊環境設計成三維模型，然后對整個設計方案進行模擬，實現設計方案的三維動畫演示。動畫演示能夠展現出工程設計中的每一個環節，設計人員通過觀看動畫演示，能夠對項目設計方案進行綜合性評估，然后在設計過程中對設計方案進行優化，協調道路建設與周邊環境的關系，更好的保證工程質量。

結束語：

在公路工程勘測設計中，數字高程模型與傳統的勘測設計方法相比具有較大的優勢，能夠使設計方案更優化。隨著測繪技術、計算機應用技術的不斷發展，數字高程模型在公路工程建設中將會發揮越來越重要的作用，同時也會得到更加廣泛的應用。

[1]白萬鵬.基于數字高程模型的公路勘察設計[J].黑龍江交通科技，2012,（9）：32.

[2]賈軍.數字高程模型及其在公路勘察設計中的應用研究[J].北方交通，2015, （9）：66-68.

[3]王潤平.數字高程模型在低等級公路設計中的應用研究[J].黑龍江交通科技，2013（10）：10-11.

[4]秦平.基于數字高程模型三維公路選擇設計[D].長安大學，2011,（5）.

[5]趙曉峰.基于數字攝影測量的線路數字地面模型建立及應用方法研究[D].蘭州交通大學，2013,（4）.

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1007-6344（2016）04-0063-02