李陽

(唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北唐山 063000)

道路的測量及DEM數(shù)字地面模型的建立和應(yīng)用

李陽

(唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北唐山 063000)

隨著以GIS為核心的3S技術(shù)的發(fā)展，在公路建設(shè)測繪領(lǐng)域，DEM數(shù)字地面模型研究和應(yīng)用前景十分廣泛。介紹道路測量的階段性、目的和內(nèi)容，闡述控制測量的諸要素，重點(diǎn)介紹DEM數(shù)字地面模型及其在公路測量中的應(yīng)用。

道路測量;控制測量;DEM數(shù)字地面模型

0 引言

測量是道路工程建設(shè)中一項(xiàng)最基礎(chǔ)的工作。道路的修建總是要以最便捷、最合理、最經(jīng)濟(jì)為原則，所以一條線路在建設(shè)之前，必須首先要對途經(jīng)地進(jìn)行勘察和測量，規(guī)劃設(shè)計(jì)出路線的帶狀地形圖，制定出如何繞開山嶺，如何盤山行走，如何開鑿隧道，如何架設(shè)橋梁跨越河流，如何與鐵路和其它道路交叉等設(shè)計(jì)方案，所以測量結(jié)果是路線設(shè)計(jì)最基本的依據(jù)之一。DEM數(shù)字高程模型是一種數(shù)字化產(chǎn)品，在道路測量測繪中具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。筆者通過幾年來的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，重點(diǎn)對道路的測量及DEM數(shù)字地面模型的建立和應(yīng)用談幾點(diǎn)看法。

1 道路測量的階段性、目的和內(nèi)容

公路測量根據(jù)工程進(jìn)行的不同階段和目的，各有不同的工作內(nèi)容。

(1)初步測量。初測的目的是對擬建道路提供建設(shè)沿途區(qū)域平面圖、地形圖、高程控制圖和特殊地段的控制樁及縱、橫斷面資料。因此，初測工作要圍繞以上目的展開，如縱、橫斷測量，河流及兩岸地形測量，測定橋位處的河流比降，橋位處的河床斷面和橋的軸線長度等。

(2)初設(shè)測量。項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)階段是根據(jù)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)任務(wù)書和初測資料，編制出施工方案和設(shè)計(jì)概算文件，提供方案說明及圖表資料。目的是為工程擬定修建原則，選定設(shè)計(jì)方案和主要工程量提供測量依據(jù)。初步設(shè)計(jì)要在地形圖上進(jìn)行紙上定線，進(jìn)行通道、橋涵、隧道等布置，所以初設(shè)階段需要實(shí)地調(diào)查并計(jì)算工程數(shù)量。為了加深勘探調(diào)查及分析比例，還要通過實(shí)地放樁來進(jìn)行平、縱、橫測量。將設(shè)計(jì)好的路線平面位置、縱坡及路基邊坡在地面上標(biāo)定出來。

(3)施工圖詳測。當(dāng)初步設(shè)計(jì)文件批準(zhǔn)后，將進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。此時的測量目的是在圖紙上進(jìn)行方案比選，確定路線方案。測量內(nèi)容是進(jìn)行中線放樣、縱斷面測量、橫斷面測量、主要工點(diǎn)地形圖測量和主要控制地物高等詳細(xì)測量。

(4)竣工測量。是對道路施工總體成果的檢驗(yàn)性測量。目的是為竣工驗(yàn)收提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。測量內(nèi)容主要是依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對每個單項(xiàng)工程進(jìn)行詳細(xì)測量，為項(xiàng)目提供出真實(shí)的竣工圖等竣工資料。

2 控制測量要素

為了設(shè)置測量基準(zhǔn)，會在工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)的地面上，按照一定的規(guī)律布置一系列網(wǎng)點(diǎn)，并對這些點(diǎn)進(jìn)行精確定位。這種方法被稱為控制測量，其目的是為地形測圖和工程建設(shè)測量放樣做出基準(zhǔn)。這個控制網(wǎng)在勘測設(shè)計(jì)階段的作用，一是確定地形圖中各處地貌地物之間的相對位置，利用此控制網(wǎng)把測區(qū)各部分的測量工作聯(lián)系起來;二是為測繪地形圖確定適當(dāng)?shù)谋壤罁?jù);三是保證路線、橋梁、隧道等的設(shè)計(jì)位置測繪的精度，限制地形圖中誤差的傳遞和累積。

(1)坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇。國家大地測量和工程控制測量都是在地球的自然表面進(jìn)行的。面對高低起伏的不規(guī)則復(fù)雜曲面，很難用一個簡單的函數(shù)來描述和解析地球曲面上的幾何問題。為了方便控制網(wǎng)點(diǎn)的位置計(jì)算和地形測繪，往往會選擇一個接近于地球形狀而又便于數(shù)學(xué)運(yùn)算的體形來代替地球曲面，并將觀測結(jié)果歸化到此體形的表面來進(jìn)行計(jì)算[1]。通常使用參考橢球體來代替地球，該橢球體的中心與地球質(zhì)心重合，旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，體積相等，質(zhì)量相等，自轉(zhuǎn)角速度相等。在地球曲面上，有無窮多個與鉛垂線方向垂直的水準(zhǔn)面，這個與平均海平面相重合的水準(zhǔn)面被稱為大地水準(zhǔn)面，用該橢球面作為大地測量計(jì)算的參考面。公路線路綿延千里，跨越多個不同的省區(qū)，坐標(biāo)系統(tǒng)必須要統(tǒng)一在國家坐標(biāo)系中，目前普遍采用高斯正形投影平面直接坐標(biāo)系。

(2)測量控制網(wǎng)的建立方法。現(xiàn)在普遍采用GPS測量來實(shí)現(xiàn)四等點(diǎn)控制網(wǎng)的平面和坐標(biāo)建立。使用兩臺接收機(jī)同時觀測3顆衛(wèi)星信號，利用后方交會的原理解算已知高等控制點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，然后通過各點(diǎn)連接和平差計(jì)算，將坐標(biāo)傳遞得到各未知點(diǎn)的坐標(biāo)?？刂泣c(diǎn)高程測量可采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行四等水準(zhǔn)施測。

(3)獨(dú)立高等控制網(wǎng)的建設(shè)方法。在公路工程中，采用GPS對首級控制網(wǎng)進(jìn)行四等控制，利用常規(guī)方法進(jìn)行一級導(dǎo)線的加密。首級控制網(wǎng)往往采用與國家坐標(biāo)點(diǎn)聯(lián)測分帶換算，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)地坐標(biāo)系統(tǒng)與已有線路的準(zhǔn)確銜接[1]。由于此控制網(wǎng)的內(nèi)部精度高于線路首級控制網(wǎng)，這時如采用獨(dú)立網(wǎng)，作為線路整體的一部分則需要與路線的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，以便保持線路施工過程中坐標(biāo)系統(tǒng)的連續(xù)性。

3 DEM數(shù)字地面模型

為了進(jìn)行公路的初步設(shè)計(jì)，需要建立數(shù)字地面模型以便對地球表面地形起伏的狀況進(jìn)行定量描述，將采集到的大量地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)按照一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來進(jìn)行表達(dá)，便是數(shù)字地面模型。數(shù)字地形模型的建模是一個數(shù)字模擬的過程，從數(shù)字地面模型上，可以得到地面上任意位置點(diǎn)的屬性值。DEM便是一個先進(jìn)的地形表面的數(shù)學(xué)或數(shù)字模型。

(1)DEM數(shù)字地面模型的優(yōu)勢。DEM以某一地理范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)變換，將范圍內(nèi)的地形地物以三維空間的形式表示在一個二維的平面上，以離散分布的平面點(diǎn)來模擬分布的地形。內(nèi)插函數(shù)的形式對地表進(jìn)行定量描述。DEM作為地形表面形態(tài)屬性的數(shù)字表達(dá)，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的實(shí)體地面模型，是設(shè)計(jì)和測量工作的重要工具之一，可用于線路的設(shè)計(jì)和面積的計(jì)算，在測繪中可用于等高線、坡度的繪制，可用它制作立體景觀圖等。

(2)DEM的生成。對地形表面進(jìn)行表達(dá)處理就是表面建模的生成。DEM表面模型的生成有幾種方法:一是基于點(diǎn)的表面生成，即對于每一數(shù)據(jù)點(diǎn)建立一水平面，然后將這些相鄰的不連續(xù)表面構(gòu)成整個DEM表面。由于所建表面呈不連續(xù)性，所以不太實(shí)用。二是基于三角形的表面生成?？臻g的三個點(diǎn)可以生成一個任意傾斜的平面三角形，由于三角形形狀和大小非常靈活，可能很容易地將地形特征線、斷裂線等任何數(shù)據(jù)融合在一起，所以特別適合用于公路工程的表面建模。三是基于格網(wǎng)的建模生成。至少需要4個點(diǎn)來確定一個雙線性表面，是正方形格網(wǎng)的最佳選擇。但是在范圍較大的區(qū)域可導(dǎo)致DEM表面出現(xiàn)無法預(yù)料的抖動。四是混合表面的建模生成。將格網(wǎng)分解為三角形網(wǎng)絡(luò)，形成一個線性的連續(xù)表面。如果對不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插處理，也可形成格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際工作中，基于三角形和格網(wǎng)的建模方法被認(rèn)為是兩種基本建模方法而較多使用。

4 DEM在公路測量中的應(yīng)用

隨著以GIS為核心的3S技術(shù)的發(fā)展，DEM研究和應(yīng)用前景非常廣泛，尤其是在公路建設(shè)測繪領(lǐng)域占據(jù)了相當(dāng)?shù)闹匾恢谩?/p>

(1)DEM用于地形分析。通過DEM可以得到擬建公路地帶中任一點(diǎn)的地形情況，計(jì)算出任一點(diǎn)的高程，可進(jìn)行道路設(shè)計(jì)和施工中坡向、坡度、山脊線、山谷線和高程變化分析，可進(jìn)行地貌形態(tài)分類及地形剖面圖的繪制等。

(2)DEM與遙感圖像融合生成的逼真場景。DEM采用等距格網(wǎng)模與遙感圖像數(shù)據(jù)之間的復(fù)合，一方面可以利用地形高程信息，對擬建道路的生態(tài)環(huán)境、地貌形態(tài)、植被土壤、景觀格局有個清晰的了解，另一方面可以消除或減少地形起伏地區(qū)的測量誤差。

(3)DEM自動繪制等高線及地形圖。通過DEM回放，可以按指定的間距特別方便地生成新的等高線圖。DEM還具有生成三維透視立體圖的功能，用二維平面將三維空間逼真地表現(xiàn)出來?？捎脕砟M地形，制作地形起伏影像圖。

[1] 曹偉堯.淺談公路工程勘察設(shè)計(jì)中測繪技術(shù)的應(yīng)用[J].四川建材，2007(6):126-128.

[2] GB 50026—2007，工程測量規(guī)范[S].

U412.2

B

1009-7716(2015)11-0046-02

2015-05-27

李陽(1984-)，女，河北唐山人，工程師，從事公路測繪技術(shù)工作。