道路的测量及DEM数字地面模型的建立和应用

2015-02-22李阳

城市道桥与防洪 2015年11期

关键词：格网测绘道路

李阳

(唐山市交通勘察设计院有限公司，河北唐山 063000)

道路的测量及DEM数字地面模型的建立和应用

李阳

(唐山市交通勘察设计院有限公司，河北唐山 063000)

随着以GIS为核心的3S技术的发展，在公路建设测绘领域，DEM数字地面模型研究和应用前景十分广泛。介绍道路测量的阶段性、目的和内容，阐述控制测量的诸要素，重点介绍DEM数字地面模型及其在公路测量中的应用。

道路测量;控制测量;DEM数字地面模型

0 引言

测量是道路工程建设中一项最基础的工作。道路的修建总是要以最便捷、最合理、最经济为原则，所以一条线路在建设之前，必须首先要对途经地进行勘察和测量，规划设计出路线的带状地形图，制定出如何绕开山岭，如何盘山行走，如何开凿隧道，如何架设桥梁跨越河流，如何与铁路和其它道路交叉等设计方案，所以测量结果是路线设计最基本的依据之一。DEM数字高程模型是一种数字化产品，在道路测量测绘中具有广泛的实际应用前景。笔者通过几年来的学习和实践，重点对道路的测量及DEM数字地面模型的建立和应用谈几点看法。

1 道路测量的阶段性、目的和内容

公路测量根据工程进行的不同阶段和目的，各有不同的工作内容。

(1)初步测量。初测的目的是对拟建道路提供建设沿途区域平面图、地形图、高程控制图和特殊地段的控制桩及纵、横断面资料。因此，初测工作要围绕以上目的展开，如纵、横断测量，河流及两岸地形测量，测定桥位处的河流比降，桥位处的河床断面和桥的轴线长度等。

(2)初设测量。项目的初步设计阶段是根据批准的设计任务书和初测资料，编制出施工方案和设计概算文件，提供方案说明及图表资料。目的是为工程拟定修建原则，选定设计方案和主要工程量提供测量依据。初步设计要在地形图上进行纸上定线，进行通道、桥涵、隧道等布置，所以初设阶段需要实地调查并计算工程数量。为了加深勘探调查及分析比例，还要通过实地放桩来进行平、纵、横测量。将设计好的路线平面位置、纵坡及路基边坡在地面上标定出来。

(3)施工图详测。当初步设计文件批准后，将进入施工图设计阶段。此时的测量目的是在图纸上进行方案比选，确定路线方案。测量内容是进行中线放样、纵断面测量、横断面测量、主要工点地形图测量和主要控制地物高等详细测量。

(4)竣工测量。是对道路施工总体成果的检验性测量。目的是为竣工验收提供详细的数据资料。测量内容主要是依据设计图纸和相关标准，对每个单项工程进行详细测量，为项目提供出真实的竣工图等竣工资料。

2 控制测量要素

为了设置测量基准，会在工程建设区域内的地面上，按照一定的规律布置一系列网点，并对这些点进行精确定位。这种方法被称为控制测量，其目的是为地形测图和工程建设测量放样做出基准。这个控制网在勘测设计阶段的作用，一是确定地形图中各处地貌地物之间的相对位置，利用此控制网把测区各部分的测量工作联系起来;二是为测绘地形图确定适当的比例依据;三是保证路线、桥梁、隧道等的设计位置测绘的精度，限制地形图中误差的传递和累积。

(1)坐标系统的选择。国家大地测量和工程控制测量都是在地球的自然表面进行的。面对高低起伏的不规则复杂曲面，很难用一个简单的函数来描述和解析地球曲面上的几何问题。为了方便控制网点的位置计算和地形测绘，往往会选择一个接近于地球形状而又便于数学运算的体形来代替地球曲面，并将观测结果归化到此体形的表面来进行计算[1]。通常使用参考椭球体来代替地球，该椭球体的中心与地球质心重合，旋转轴与地球自转轴重合，体积相等，质量相等，自转角速度相等。在地球曲面上，有无穷多个与铅垂线方向垂直的水准面，这个与平均海平面相重合的水准面被称为大地水准面，用该椭球面作为大地测量计算的参考面。公路线路绵延千里，跨越多个不同的省区，坐标系统必须要统一在国家坐标系中，目前普遍采用高斯正形投影平面直接坐标系。

(2)测量控制网的建立方法。现在普遍采用GPS测量来实现四等点控制网的平面和坐标建立。使用两台接收机同时观测3颗卫星信号，利用后方交会的原理解算已知高等控制点的绝对坐标，然后通过各点连接和平差计算，将坐标传递得到各未知点的坐标。控制点高程测量可采用水准仪进行四等水准施测。

(3)独立高等控制网的建设方法。在公路工程中，采用GPS对首级控制网进行四等控制，利用常规方法进行一级导线的加密。首级控制网往往采用与国家坐标点联测分带换算，以便实现实地坐标系统与已有线路的准确衔接[1]。由于此控制网的内部精度高于线路首级控制网，这时如采用独立网，作为线路整体的一部分则需要与路线的坐标系统相一致，以便保持线路施工过程中坐标系统的连续性。

3 DEM数字地面模型

为了进行公路的初步设计，需要建立数字地面模型以便对地球表面地形起伏的状况进行定量描述，将采集到的大量地形点的三维坐标按照一组数字数据来进行表达，便是数字地面模型。数字地形模型的建模是一个数字模拟的过程，从数字地面模型上，可以得到地面上任意位置点的属性值。DEM便是一个先进的地形表面的数学或数字模型。

(1)DEM数字地面模型的优势。DEM以某一地理范围内的地形数据为基础，通过数学变换，将范围内的地形地物以三维空间的形式表示在一个二维的平面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形。内插函数的形式对地表进行定量描述。DEM作为地形表面形态属性的数字表达，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的实体地面模型，是设计和测量工作的重要工具之一，可用于线路的设计和面积的计算，在测绘中可用于等高线、坡度的绘制，可用它制作立体景观图等。

(2)DEM的生成。对地形表面进行表达处理就是表面建模的生成。DEM表面模型的生成有几种方法:一是基于点的表面生成，即对于每一数据点建立一水平面，然后将这些相邻的不连续表面构成整个DEM表面。由于所建表面呈不连续性，所以不太实用。二是基于三角形的表面生成。空间的三个点可以生成一个任意倾斜的平面三角形，由于三角形形状和大小非常灵活，可能很容易地将地形特征线、断裂线等任何数据融合在一起，所以特别适合用于公路工程的表面建模。三是基于格网的建模生成。至少需要4个点来确定一个双线性表面，是正方形格网的最佳选择。但是在范围较大的区域可导致DEM表面出现无法预料的抖动。四是混合表面的建模生成。将格网分解为三角形网络，形成一个线性的连续表面。如果对不规则三角网进行内插处理，也可形成格网网络。在实际工作中，基于三角形和格网的建模方法被认为是两种基本建模方法而较多使用。