公路勘测设计中的DTM应用探讨

贺玲玲

(山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030006)

0 引言

DTM(数字地面模型)作为对地形特征点空间分布及关联信息的一种数字表达方式，综合表达了地表自然和人文多种信息。该技术最早由美国麻省理工学院的米勒教授于1956年提出，用于计算道路工程的面积、体积和坡度，以及两点之间可视性的判断和绘制任意断面图。近些年来，随着国民经济的快速发展，测绘技术、计算机技术、虚拟现实技术、道路勘测技术、航测遥感技术等也得到了迅速的发展，伴随着众多道路工程的开展，DTM在道路勘测设计中的应用越来越广泛。

对此，众多学者和技术人员做了分析与研究，程建川等人[1]以数字地面模型为技术核心，就公路路线勘测、设计两阶段的一体化技术进行讨论，通过相应的工程项目的实践，确定了数字地面模型在公路工程勘测设计中应用的可行性和重要性。杨长根等人[2]介绍了现代测绘技术和铁路勘测设计一体化的发展现状，分析了现代测绘技术在铁路勘测一体化中的地位与作用，并结合对成昆铁路的具体研究内容及成果，讨论如何将现代测绘技术应用于铁路勘测设计一体化中，进一步拓宽铁路勘测设计一体化的视野。而赵永平等人[3]则为了解决传统道路勘测设计效率低及制约公路多方案比选的问题，对道路勘测及设计的内、外业工作进行了分析，结合CAD技术，研究数字地面模型构建的方法，提出了应用DTM实现路线测设一体化的程序设计方法及自动生成设计图表的软件实现技术。这些研究与实践工作，巩固了DTM技术在公路勘测设计一体化中的技术地位，同时也为公路工程的数字化、智能化提供了技术支持。

1 公路勘测设计与DTM

传统的公路设计方法不仅需要大量费时费力的野外勘测工作，而且所设计的公路还不可避免的具有以下缺陷:方案并不一定是经济、技术上最优的方案;工作强度大，且受人为主观影响大;设计工作比较繁琐，需要设计者有一定的经验。

山西作为全国最主要的能源输出省之一，交通一直是制约全省经济社会发展的瓶颈。面对我国蓬勃发展的公路产业，山西省继2010年，2011年连续两年每年建成1 000 km高速公路之后，计划在2012年再建1 000 km高速公路，到年底全省高速公路总里程突破5 000 km大关。这就意味着，公路建设成为山西重点工程建设的重头戏。而采用传统的公路设计方法显然不能满足公路建设的要求。因此，采用以DTM为代表的高效能新技术，对保障公路建设工程至关重要。我们知道，公路设计一般分为可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段，而DTM的应用被普遍认为是在初步设计阶段。而作为公路这样的线形工程，DTM的表现形式一般都是带状的，为了计算方便，并考虑计算机内存储量的限制，当线路长度较大时，可采用分段建立的方式进行。当线路存在较为复杂的曲线时，也应进行分段处理。

需要注意的是，所建立的分段DTM必须保证一定的重叠度，以保障待插高程点均不处于各DTM的边缘，从而保证内插精度不会因点所处位置不同而有明显差异。

目前，在成熟的公路设计软件系统中，Hard系统是国内第一个引入数字化地面模型(DTM)技术的公路设计系统，它真正实现了三维设计，并且在三维设计方面一直保持国内领先的地位，用户遍布全国30个省、直辖市，近10年来，全国1 000多家海地用户应用Hard系统完成数十万千米的公路设计，建设完成的道路遍布祖国大江南北。

2 DTM用于公路设计

公路设计主要涉及平面曲线设计;纵、横断面设计;填挖方量计算和透视图制作几个方面。在平面曲线大体位置确定的情况下，不必做进一步的野外测量，而依据已建立的带状DTM内插生成纵、横断面图。下面以CASS 7.0作为辅助设计软件，探讨DTM在公路设计中的应用。

2.1 三维立体图生成

三维立体图是人们熟悉和习惯的数字模型的表达形式之一。它是以数值的形式表示地表数量变化(不只是高程变化)的直观方法，可以用线条描绘或阴影栅格显示来表示规则或不规则x，y，z数据组的立体图形。在CASS 7.0下首先生成格网DTM，然后经三维模型高级着色渲染后的三维地形效果图如图1所示。

图1 渲染后的三维地形效果图

2.2 纵断面图绘制

现行的纵断面设计方法是沿道路中心线测得中桩地面高程，将这些高程点绘制在坐标格网纸上，以设计标准为依据，对原地面线进行拉坡，最后获得纵断面设计线[4]。而采用DTM是先根据平面曲线分测点的平面坐标，利用带状DTM，采用移动拟合法内插，即可获得纵断面图。还可采用平滑处理，得到一个比原地面线更加平滑的地面线。在CASS 7.0下利用复合线(PLINE)在三角网上绘制出断面线后生成纵断面图。

2.3 土方量计算

土方量是工程费用估算及方案优选的重要因素，因此公路工程必须计算土方量。常见的土方量内业计算方法包括:方格法、等高线法、断面法和数字高程模型法等。不同的计算将产生不同的结果。其中，等高线法计算土方适合于地形坡度均匀的地方，其等高线必须闭合，否则难以计算。首先在CASS 7.0下建立DTM，生成计算区域的等高线。然后选中等高线法计算土方量选项，输入场地平均高程，再在图面上选择三角网，即可按要求的平场标高计算出场地填挖量。

2.4 复杂断面图生成

要绘制道路工程中一些复杂的断面图，就要依据断面里程文件进行图形绘制，断面里程文件主要包括里程和该里程处所对应的地面标高。

操作步骤为:

1)由图上等高线或三角网生成断面里程文件;

2)给定一组统一的设计参数，如中桩设计高程、路宽、边坡、边沟等，依据这些参数生成断面图;

3)依据地面实际情况对断面逐个进行设计，修改其中桩高程、路面及边坡信息;

4)按照新的设计参数重新生成设计线。具体流程见图2。

图2 复杂断面生成流程图

3 结语

目前，DTM已是建立不同层次的地理信息系统(GIS)不可缺少的组成部分。在信息系统分析并以此为依据进行规划和决策时，十分注重地表属性的三维特征，并使这些要素成为地学分析和生产应用中的基础数据和确切信息。DTM建立后，即可进行各种工程应用，如自动生成等高线，提取断面数据，坡度信息或生成相应图形，自动计算土方工程量，制作三维景观数字地形图等。作为DTM建立原动力的道路工程中，DTM应用更为广泛。为公路工程而建立的DTM，是沿着线路方向中心线具有一定宽度的带状DTM，在逐次修订线路中应能便于求得纵、横断面上的地形信息，而建立DTM的目的也就是能自动或者半自动的求得最佳线路的设计。DTM在道路设计中的应用，对我国公路勘测设计一体化工程发展具有重要的推动作用，但目前的应用尚处于发展阶段，受限于DTM数据获取和表达的测绘技术发展，仍需要我们继续关注和应用研究。

[1]程建川，王之江.公路勘测设计一体化应用技术[J].公路交通科技，2001，18(5):19-21.

[2]杨长根，陈彦恒，青云毅.现代测绘技术在铁路勘测设计一体化中的应用[J].铁道勘察，2009(4):67-69.

[3]赵永平，马松林，王百成.道路勘测设计一体化的实现技术[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41(7):155-159.

[4]张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2002.