数字地面模型在公路CAD中的应用
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第27卷增刊1997年11月 东 南 大 学 学 报JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY Vol127Sup.Nov.1997
数字地面模型在公路CAD中的应用a程建川 邓学钧(东南大学交通学院,南京210018)
摘 要 论述了数字地面模型(DTM)在公路路线CAD的实用技术,介绍了在Auto2
CAD图形环境下,交互式形成三角网DTM的原理与方法,以及如何通过DTM生成三维地面和纵、横地面线,进而提高公路路线CAD应用的质量与效率.
关键词 数字地面模型(DTM)
;公路路线设计;计算机辅助设计;应用
中图法分类号 U412.3;P21
随着我国公路建设的蓬勃发展,高等级公路的数量不断增多,公路勘测设计的任务也日益繁重.过去的十几年中,公路计算机辅助设计(CAD)
技术已广泛用于公路设计中,并产生了巨
大的经济效益和社会效益.然而,由于我国的行业分工,测绘部门和设计部门配合不密切,许多高新测绘技术未能在设计中得到很好的应用,许多公路设计单位也仅仅采用或开发一些着重内业设计的软件,而忽视了勘测设计作为一个整体的勘测阶段,这种做法的弊端是:一方面,公路设计部门需要的数据来自大比例尺地形图或人工判读或数字化仪配合,以及野外实测,于是地形数据便成了影响整个公路CAD效率的“瓶颈”问题;另一方面,测绘部门的大量原始数字地形图数据也未能得到进一步利用,这是非常可惜的.
目前,在发达国家,公路设计中的勘测设计一体化早已形成,这表现在他们的工作内容和采用的CAD软件上.对他们来说,外业的勘测和内业的设计基本上是相同的人员完成的;所采用的CAD软件中,也都具有很重要的一个模块——测量数据的处理,以便用于后续的设计阶段.我国公路界也开始并加快了公路工程中勘测设计一体化的工作,以交通部第二公路勘察设计院为代表的部属企业,完成了“七五”课题“航测遥感在公路测设中的实用技术”,其主要内容包括“HD-DTMS数字地面模型系统的开发”,长沙交通学院在三角形数字地面模型的实用性上做了较多工作,这些成果都为公路勘测设计一体化进程做出了贡献.
在公路勘测设计一体化的工作中,数字地面模型有无法替代的作用,它是联接两个阶段的桥梁.目前,数字地面模型的理论与方法已日趋成熟,关键是实用化技术.在我国自主开发的一些DTM程序中,计算和图形显示一般由FORTRAN、C语言联合完成或单独完成,但图形仅仅作为计算的可视化表现,对DTM的编辑、修改等交互功能较弱,因而影响了DTM的质量和效率.考虑到AutoCAD软件在公路设计部门中几乎100%的装机率,本文在AutoCAD图形环境下,利用ADS工具,完成了DTM在公路CAD中的部分功能,旨在提高公路CAD的应
a收稿日期:1997-07-15,修改稿收到日期:1997-08-22.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.用水平.
1 数字地面模型原理与方法[1]
数字地面模型(DigitalTerrainModel)是地表(地物和地貌)的数字化表征,即用一组有序
的数据去表达地表的平面位置及高程.通过数字地面模型,可以自动化地获取公路的纵、横断面线信息,从而提高公路路线CAD的效率.
数字地面模型最早由美国麻省理工学院的米勒教授在1957年提出,随后在工程中得到广泛应用.数字地面模型有多种形式及算法.目前,在工程中运用最广泛的有如下几种.
1)矩形格网数模
(1)构成 将设计区域用一定间距的格网划分,并将各格网点的高程连同相立格网点的
序号一起按行、列顺序存放.如图1所示.
(2)插值算法 如图2,对于间距为M、L的矩形格网,其间任一点P的高程为
Hp=H
a
(1-XL)(1-YM)+Hb(1-YM)
XL+
Hc(XL)(YM)+Hd(1-XL)XL
图1 矩形格网数模 图2 矩形格网数模高程内插计算(3)优点 由于任一点的平面坐标和其对应的矩形格网有简单的对应关系,且高程插值
计算也简单,因此,计算速度非常快.
(4)缺点 不能很好地考虑地形的实际情况,无法对断裂线等特征线进行处理,进而限
制了其在工程中的深入应用.
2)带状三角网数模
图3 带状三角网数模(1)构成 沿路线前进的法向选取地
形点,进而形成地形线(俗称鱼骨线),相邻地形线的同序号点相连,并在其形成的四边形中接较短对角边,若相邻地形线上点数不等时,则序号多出点直接和相邻地形线的最后序号点相连.如图3所示.
(2)插值算法 三角网数模采用三角
面插值方法.假设待求点P(XpY
p
)在三角面
△ABC中,A、B、C3点的平面坐标和高程分别为(Xa,Ya,H
a
)、(Xb,Yb,Hb)和(
X
c,Yc,
931增刊程建川等:数字地面模型在公路CAD中的应用© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.Hc),则Hp
的高程为
XpYpHp1
XaYaHa1
XbYbHb1
XcYcHc1
=0
(3)优点 构造简单,计算方便、快速
.
(4)缺点 地形点、地形线的选取人工干预较大,不能较好地反映地形的真实情况,另
外,在工程早期阶段,无法进行方案比选和线形优化.
3)区域三角网数模
(1)构造 采用自动联网方法.在地形散点中,任取一散点P,在其邻域找到另一最近距
离点P1,PP1则作为三角形的一条边,继续在邻域中寻找P2,使P2对PP1的张角为最大,这样,形成了第一个三角形△PP1P2,以边P1P2、PP2继续扩展其它三角形,直至所有地形点被联入三角网.
(2)插值算法 同带状三角网的插值算法
.
(3)优点 能较好地反映地形情况,插值精度高,在三角网范围内可进行路线的方案比
选,线形优化等工作.
(4)缺点 计算速度相对较慢
.
本文着重讨论并解决区域三角网数模在公路路线CAD实用技术的以下问题:①改进三角网自动联接的编程算法,提高构网速度,以适应地形点较多的情况;②在图形编辑环境下,实现对地形点的交互式处理,如三角网、边的编辑,特征线的添加等,以更加真实地反映实际地形;③三维地面的生成,以供对数字地面模型进行直观检查并为公路透视图的生成打下基础.
2 公路路线CAD中DTM及其三维地面的实现方法1)硬、软件环境
(1)CPU为80386以上的PC,速度越快越好;(2)8M及以上内存;(3)AutoCADfor
DOS(WINDOWS)12版及以上;(4)ADS开发环境.
2)数字地面模型(DTM)
的编程实现
(1)地形散点及三角形的数据结构
[2]
①地形散点的数据结构为
structpoint_dtm{
intnumber,type;
doublex,y,h
;
char3attr;}结构中元素分别表示地形点的序号、类别、三维坐标及属性;
②三角形数据结构为
structtriangle_dtm{
point2dtmP1,P2,P
3
;
doublemin_x,max_x,min_y,max_y
;
structtriangle_dtm3lastptr,3nextptr;
041东 南 大 学 学 报第27卷© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.}P1、P2、P3为组成三角形的地形点;min_x,max_x,min_y,max_y系三角形范围内最小最大
X、Y值,用于三角形的排序;lastptr、nextptr为链接三角形的双向指针.
(2)地形点数据的预处理
①将所有地形点按X、Y的增加顺序排序,形成两个链表,分别为:
structx_order{
intnumber;
structx_order3lastptr,3nextptr;}
structy_order{
intnumber;
structy_order3lastptr,3nextptr;}结构中元素含义同前;
②平面坐标相同点的处理 若有平面坐标相同点,则程序提示设计人员加以处理,一般将X或Y值变化0.001m.
(3)形成三角网 如前所述构网原理和地形点数据处理,对任一点P,只在其邻域内,即
P点周围距离为D的范围内搜索三角形各边,邻域反映在排序链表指针上为[Xp-D,Xp
+
D]内和[Yp-D,Yp+D]内的地形点,这样,在地形点数量大的情况下,能提高构网速度.距离D由设计人员按需交互设定.
(4)交互修改三角网 在
AutoCAD图形环境下,若对构造的三角网不满意,可动态地、
交互式地添加、删除三角形,特别地,可在步骤(3)开始前,预先定义三角网边界(若不定义,将自动生成凸多边形边界),或定义一些特征线,如陡坎等高程突变处.这样,重新形成的三角网就会更新以前的数据记录并刷新屏幕显示.
(5)生成三维地面 作为
DTM三角网生成的附产品,在AutoCAD图形环境下,可以很
方便地生成地面的三维线框,由AutoCAD的Render(上色)
命令或在3DStudio处理后,能检
验DTM的真实程度,三维地面也可供生成路线全景透视图时调用.
在AutoCAD中,能生成三维地面的线框图,关键是先前已生成了相应的链表文件,即,存在了各个三角形(面)及其相应地形点的信息,这样,由Pface命令(ADS库函数引用)便可很
容易地完成.
图4 区域三角网数模4 举例与结论在由地形点生成DTM的过程中,首先检查各点有无平面坐标重合,若有,则提示设计人员加以调整.图4是自动生成的部分三角网DTM;图5为交互编辑DTM边界及设定了特征线后(虚线表示)重新生成的三角网;图6
是通过该部分DTM的纵、横地面线示意图.
通过对湖北省老十线(老河口—十堰)两条各130多公里一级汽车专用公路工程可行性研究等项目的实践,初步得出如下结论:
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