劉 勝

(重慶市開(kāi)縣水務(wù)局，重慶開(kāi)縣405400)

在水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用

劉 勝

(重慶市開(kāi)縣水務(wù)局，重慶開(kāi)縣405400)

數(shù)字地面模型是對(duì)地面諸多特性空間分布進(jìn)行描述的有序數(shù)值陣列，是對(duì)多種或某種地面特性空間分布的數(shù)字化描述。鑒于設(shè)計(jì)階段于水利水電工程建設(shè)的重要性，概述了數(shù)字地面模型的內(nèi)涵，并從等高線繪制、庫(kù)容分析、斷面圖繪制、土石方量計(jì)算4個(gè)方面來(lái)就水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用作出分析，意在為水利水電工程的實(shí)踐設(shè)計(jì)提供借鑒與支持。

水利水電工程設(shè)計(jì);數(shù)字地面模型;特性空間分布;應(yīng)用;分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字地面模型的日趨成熟，數(shù)字地面模型在災(zāi)情監(jiān)控、資源調(diào)查、測(cè)繪遙感、水利工程勘測(cè)規(guī)劃、地學(xué)分析、軍事領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般情況下，水利水電工程的設(shè)計(jì)通常有多個(gè)方案，要選擇最佳的方案，才能保證工程建設(shè)合理科學(xué)性。而要從根本上克服繁瑣的選擇，在短時(shí)間內(nèi)完成多種方案的比較分析，就需要運(yùn)用CAD技術(shù)。而數(shù)字地面模型就是水利水電工程設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。因此，對(duì)水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用進(jìn)行探討就顯得十分必要，對(duì)于水利水電工程設(shè)計(jì)優(yōu)化具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字地面模型的內(nèi)涵概述

地形表面同一般數(shù)學(xué)曲面存在差異，有著較為復(fù)雜的形態(tài)，在表達(dá)和處理數(shù)學(xué)公式的選擇上難以確定，通常應(yīng)用插值法，以原有離散點(diǎn)為依據(jù)，來(lái)進(jìn)行未知點(diǎn)高程的插補(bǔ)。數(shù)字地面模型分為TIN(不規(guī)則三角形網(wǎng)模型)和RSG(規(guī)則放個(gè)形網(wǎng)模型)兩類，其中，TIN對(duì)于各種數(shù)據(jù)的分布密度均適用，利于各種地形特征信息的更新與直接利用，具有保持原有精度、可直接利用原始數(shù)據(jù)、適應(yīng)不規(guī)則形狀區(qū)域、高線算法簡(jiǎn)單、唯一性好等優(yōu)點(diǎn)，因而成為應(yīng)用最廣的數(shù)字地面模型。

水利水電工程施工布置是施工組織設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，由于其影響因素多，內(nèi)容龐雜，因此，施工場(chǎng)地布置是一項(xiàng)復(fù)雜的工作本文就水利水電工程施工布置三維設(shè)計(jì)、重要施工設(shè)施廠址優(yōu)選和布置方案優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行了研究 數(shù)字地面模型是施工三維布置的基礎(chǔ)，在比較矩形網(wǎng)格和三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型各自的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文建立了三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型基于三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型可以較精確計(jì)算出在施工場(chǎng)地布置中所發(fā)生的土石方工程量，完成對(duì)堆渣場(chǎng)和場(chǎng)地平整設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了土方填挖后的三維模型施工道路作為物料運(yùn)輸主要渠道，提出了用直紋曲面來(lái)表示施工道路的三維模型對(duì)以混凝土工程為主的水利水電工程施工布置而言，應(yīng)著重布置混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，混凝土各生產(chǎn)系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)度強(qiáng)、物料運(yùn)輸頻繁，此時(shí)廠址選擇是多個(gè)相關(guān)聯(lián)廠址選擇問(wèn)題，借用企業(yè)物流中心上下游供應(yīng)關(guān)系和物流中心選址數(shù)學(xué)模型，建立了料場(chǎng)、加工廠、拌和系統(tǒng)、澆筑點(diǎn)之間的物料運(yùn)輸模型將線性規(guī)劃軟件LINDO用于模型的求解，得到較為合理的廠址選擇方案和物料運(yùn)輸方案在混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施選址的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析設(shè)施間的鄰接關(guān)系，構(gòu)造出初步布置方案，由于布置方案影響因素多，因素復(fù)雜，認(rèn)為施工布置中的模糊性應(yīng)當(dāng)受到重視.

2 水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用數(shù)字地面模型來(lái)進(jìn)行等高線的繪制

等高線繪制是以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ)的，采用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行等高線的自動(dòng)繪制，常用方法包括三角網(wǎng)法和格網(wǎng)法兩種，相比于格網(wǎng)法，三角網(wǎng)法具有眾多優(yōu)勢(shì)，故本文圍繞三角網(wǎng)法來(lái)展開(kāi)論述，運(yùn)用三角網(wǎng)法來(lái)繪制等高線，制圖的原始資料為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，將離散點(diǎn)中距離最近的三點(diǎn)構(gòu)成三角形，每個(gè)三角形是一個(gè)空間面的表示，從而構(gòu)成三角網(wǎng)，而三角形公共邊就是這些面的交線，因此，原始數(shù)字模型信息可用三角形各頂點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行表示。如圖1所示，為基于數(shù)字地面模型的等高線繪制圖(等高距比例:1∶1 000)，在建立數(shù)字地面模型時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:①唯一的數(shù)字地面模型;②數(shù)字地面模型的組成為周圍鄰近觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量確保所有三角形均為三邊長(zhǎng)度近似相等或銳角三角形，從而避免過(guò)小銳角或過(guò)大鈍角的出現(xiàn);③確保三角形的構(gòu)成為最鄰近三點(diǎn)，即做到最小的邊長(zhǎng)之和;④不存在任意兩三角形相交情況的出現(xiàn)。而在應(yīng)用數(shù)字地面模型來(lái)繪制等高線時(shí)，則應(yīng)對(duì)以下因素進(jìn)行考慮:首先，曲線必須通過(guò)已知節(jié)點(diǎn)(等值點(diǎn));其次，保持節(jié)點(diǎn)處曲線的光滑，即連續(xù)倒數(shù);再次，曲線于相鄰兩節(jié)點(diǎn)不存在多余擺動(dòng);最后，等高線在同一高程不能相交。通常來(lái)講，曲線光滑法能夠滿足前兩點(diǎn)要求，但對(duì)后兩點(diǎn)則難以完全滿足，特別是在節(jié)點(diǎn)較稀疏或分布不均時(shí)，更為明顯，而在三角網(wǎng)離散點(diǎn)分布較均勻、較密的情況下，運(yùn)用5點(diǎn)光滑法則可滿足后兩點(diǎn)要求。

圖1 基于數(shù)字地面模型的等高線繪制圖

2.2 應(yīng)用數(shù)字地面模型來(lái)分析庫(kù)容

應(yīng)用三角形法來(lái)構(gòu)建數(shù)字地面模型，將庫(kù)區(qū)進(jìn)行若干三角形的微分，每個(gè)三角形均包含高程和平面的基本信息，只要賦予其對(duì)應(yīng)值，就可在正常高水位平面投影成一個(gè)三角形，一一連接兩個(gè)形的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，就可形成一個(gè)三菱主體，如圖2所示，便可以此為依據(jù)，來(lái)對(duì)庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算。取三點(diǎn)高差的平均值(h1+h2+h3)/3，運(yùn)用三角形體積公式，V=S*h，之后疊加全部三菱柱體積，便可將庫(kù)區(qū)的庫(kù)容算出。而在計(jì)算和分析庫(kù)區(qū)淹沒(méi)面積時(shí)，則可賦予林地、土地、房屋等信息，之后對(duì)各類面積作出分類的統(tǒng)計(jì)，對(duì)于淹沒(méi)所穿越三角形部分在淹沒(méi)范圍的情況，可用等值線追蹤等值點(diǎn)的方面來(lái)進(jìn)行處理，將高程等指點(diǎn)的平面位置計(jì)算出來(lái)。

圖2 應(yīng)用數(shù)字地面模型所形成的三菱柱體

2.3 應(yīng)用數(shù)字地面模型來(lái)繪制斷面圖

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)部門需要對(duì)設(shè)計(jì)線路所在斷面的形狀進(jìn)行了解，而斷面圖則能夠?qū)嗝嫘螤钭鞒鲚^為直觀、真實(shí)地反映。在實(shí)際應(yīng)用中，斷面圖的繪制有兩種形式:①任意方向和長(zhǎng)度，來(lái)繪制某一樁距斷面圖;②中線走向、曲線元素、折點(diǎn)坐標(biāo)、樁距已知，來(lái)繪制斷面圖。而這兩種繪制方式，在數(shù)字?jǐn)嗝婺Ｐ偷膽?yīng)用上，有著一樣的算法原理。首先由相關(guān)人員負(fù)責(zé)對(duì)兩端點(diǎn)位置的提供，后遂進(jìn)行直線方程的建立，來(lái)計(jì)算數(shù)字地面模型三角網(wǎng)和直線的焦點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)端點(diǎn)坐標(biāo) A(Ax，Ay)，B(Bx，By)，則直線方程式為:Y=Kx+b，式子中，K=(By-Ay)/(Bx-Ax)，b=By+Kay。首先，將直線所穿三角形找出，后對(duì)直線所穿邊的內(nèi)插高程值(涵蓋起點(diǎn)與終點(diǎn)高程值)和焦點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，之后，便可就起點(diǎn)至近點(diǎn)距離作出計(jì)算，依次類推至終點(diǎn)，最后以距離和高程信息為依據(jù)，來(lái)將斷面圖繪制出來(lái)。

2.4 應(yīng)用數(shù)字地面模型來(lái)計(jì)算土石方量

土石方量(壩型、壩軸線、土石方填筑量及開(kāi)挖量)的計(jì)算是水利水電工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)選的一項(xiàng)重要依據(jù)，其常用方法包括斷面法和三角網(wǎng)法(格網(wǎng)法)，前者用于對(duì)指定區(qū)域內(nèi)土石方量的計(jì)算，其應(yīng)用的關(guān)鍵是求得各個(gè)橫斷面面積，在各三角網(wǎng)和橫斷面的高程與交點(diǎn)坐標(biāo)已知時(shí)，運(yùn)用辛普生公式或梯形公式便可實(shí)現(xiàn)。而后者則能夠?qū)λ姽こ陶w的填、挖方量作出計(jì)算，適用于總體的工程控制。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)工作貫穿于水利水電工程建設(shè)的整個(gè)過(guò)程，借鑒上述內(nèi)容，來(lái)保證水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的合理科學(xué)應(yīng)用，來(lái)不斷完善其設(shè)計(jì)不足，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平，從而為水利水電工程建設(shè)的耐久性、安全性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］王興隆.大廣壩水利水電工程的布置與設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.水力發(fā)電，2008(12):112-114.

［2］湯璞.數(shù)字地面模型的建立及其應(yīng)用［J］.測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化，2010(01):55-68.

［3］景欽剛.數(shù)字地面模型及其在電力工程中的應(yīng)用［J］.工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010(05):168-174.

［4］夏建華.數(shù)字地面模型在工程中的應(yīng)用［J］.北京測(cè)繪，2008(15):45-50.

［5］范向偉.芻議水利水電工程設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011(03):113-116.

［6］辜承林.水利發(fā)電機(jī)組變電站和水力發(fā)電工程的發(fā)展［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，11(03):56-59.

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1007-7596(2012)09-0097-02

2012-09-18

劉勝(1978-)，男，重慶開(kāi)縣人，助理工程師，從事水利設(shè)計(jì)工作。