唐 濤 屈國(guó)慶(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，430079)

數(shù)字高程模型及其在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

唐 濤 屈國(guó)慶
(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，430079)

公路工程的建設(shè)需要采集大量的地理數(shù)據(jù)信息，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)信息，按照相應(yīng)的比例尺寸，然后再結(jié)合工程的實(shí)際情況，才能設(shè)計(jì)出合理的施工設(shè)計(jì)圖，所以地理數(shù)據(jù)信息的采集工作對(duì)于整個(gè)公路工程來(lái)說(shuō)具有重要意義，對(duì)地理數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)的處理工作，僅僅依靠人的大腦是難以實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，人們?cè)诠房睖y(cè)設(shè)計(jì)中逐漸探索出了數(shù)字高程模型。本文對(duì)數(shù)字高程模型的定義和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，分析了模型的具體構(gòu)建，對(duì)數(shù)字高程模型在公路勘察設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用進(jìn)行了探討。

數(shù)字高程模型；公路勘察；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，在公路工程建設(shè)中，為了更好的完成公路設(shè)計(jì)，提高公路工程質(zhì)量，不斷地對(duì)公路勘察方法進(jìn)行完善、提高，其中數(shù)字高程模型便是一項(xiàng)十分重要且使用的技術(shù)手段。在公路勘察設(shè)計(jì)中運(yùn)用數(shù)字高程模型，能夠獲取不同地形下的地理數(shù)據(jù)信息，為公路的設(shè)計(jì)方案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保障，保證了公路設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性以及實(shí)用性，有利于公路事業(yè)的發(fā)展[1]。

1.數(shù)字高程模型的定義和特點(diǎn)

數(shù)字高程模型簡(jiǎn)稱DEM，是一種空間數(shù)據(jù)模型，模型的的數(shù)據(jù)是通過(guò)地面規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的高程值構(gòu)成矩陣，然后再形成柵格結(jié)構(gòu)得來(lái)的，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠表現(xiàn)出地表起伏形態(tài)的詳細(xì)特征。在上世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省工學(xué)院的Miller指出地形表面的起伏形態(tài)以及各種屬性特征的信息可以用數(shù)字表達(dá)出來(lái)，通過(guò)相關(guān)數(shù)字的記錄和描述，能夠得出數(shù)字所表示的區(qū)域內(nèi)地形的各種詳細(xì)情況，這便是數(shù)字地面模型[2]。數(shù)字高程模型是數(shù)字地面模型中一個(gè)重要的分支，通過(guò)應(yīng)用數(shù)字高程模型，能夠傳達(dá)出詳細(xì)的地理信息，包括地形中的坡度、坡向以及坡度變化率等。

數(shù)字高程模型DEM是表示某一區(qū)域上的三維向量有限序列，其核心是用具體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)代表地形表面的特征點(diǎn)，然后在根據(jù)連續(xù)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算公式和計(jì)算方法得出地標(biāo)信息所代表的數(shù)據(jù)值，得出地表的具體特征信息，數(shù)字高程模型函數(shù)的具體表示方法為：

在公式（1）中，Xi,，Yi, 表示的是平面坐標(biāo)，Zi表示的是與之相對(duì)應(yīng)的高程。如果這個(gè)函數(shù)序列中的各平面向量的平面位置呈規(guī)則格網(wǎng)排列時(shí)，便可以將平面的坐標(biāo)省略掉，,此時(shí)的DEM便簡(jiǎn)化成了一維向量序列：

DEM是一種用數(shù)字表達(dá)形式來(lái)表示地形表面特征的，與傳統(tǒng)的地圖相比較，這種表達(dá)地理特征的現(xiàn)代化技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的時(shí)候更加方便快；通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新，提高了數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和實(shí)效性；能夠更好的完成數(shù)據(jù)傳輸工作，提高了公路勘察的工作效率；除此之外，數(shù)字高程模型還具有比例尺特性，使用合適的比例，能夠更加準(zhǔn)確的表示出公路工程的實(shí)際尺寸[3]。由于DEM的使用優(yōu)勢(shì)和眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，包括國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)以及人文與自然科學(xué)等領(lǐng)域。

2.數(shù)字高程模型的構(gòu)建方法

2.1 數(shù)字高程模型類型的選取

數(shù)字高程模型主要包括等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角形三種不同類型，在對(duì)公路工程進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況，對(duì)三種類型進(jìn)行對(duì)比，分析三者之間的不同，了解它們各自的優(yōu)點(diǎn)以及不足之處，以保證工程質(zhì)量為基本原則，選擇最適合工程需要的類型。

等高線模型的數(shù)據(jù)是矢量結(jié)構(gòu)，模型的構(gòu)成需要大量的高程值，如果相關(guān)的高程值不夠完善，模型的構(gòu)建便不能達(dá)到預(yù)期的效果[4]。這種模型雖然比較簡(jiǎn)潔，但是沒(méi)有較強(qiáng)的直觀性，只適合專業(yè)人員的使用，非專業(yè)人員在使用的時(shí)候往往不能正確理解模型所傳達(dá)的信息，應(yīng)用難度比較大，等高線模型主要用于地圖和地理信息系統(tǒng)中。

規(guī)則網(wǎng)格的構(gòu)建的基礎(chǔ)矩陣元素的行列號(hào)，在進(jìn)行構(gòu)建的時(shí)候需要按照相應(yīng)的方法，制定出科學(xué)、合理的劃分標(biāo)準(zhǔn)，然后將特定的區(qū)域劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，然后對(duì)二維空間進(jìn)行定位、得出精確的三維高程信息。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、組織時(shí)通過(guò)使用規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型，能夠使整個(gè)過(guò)程更加簡(jiǎn)單快；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的時(shí)候，存儲(chǔ)效率比較高；能夠快速的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢索速度比較快。但是這種類型只適合運(yùn)用在地形比較簡(jiǎn)單的區(qū)域，在對(duì)復(fù)雜的地形進(jìn)行勘察的時(shí)候，并不適合應(yīng)用這種類型，因?yàn)樵诳辈爝^(guò)程中，平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)變得相對(duì)較多且比較多余，不能表現(xiàn)出復(fù)雜地形的特征。

不規(guī)則三角形模型的構(gòu)建是以上兩種模型為發(fā)展基礎(chǔ)的，結(jié)合了上面兩種類型的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，對(duì)真實(shí)地形情況的模擬度比較高、數(shù)據(jù)信息更加精確、更能夠準(zhǔn)確的表現(xiàn)出地形特征，這種方式在應(yīng)用過(guò)程中，想要獲得做好的應(yīng)用效果，就需要對(duì)數(shù)據(jù)提出最高的要求，以滿足模型的需要。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)字高程模型在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合工程的實(shí)際情況，采集的數(shù)據(jù)必須滿足工程的勘察需求。數(shù)據(jù)采集工作的開(kāi)展必須以現(xiàn)有的技術(shù)條件為基礎(chǔ)，所采集的數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確，只有更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)才能更好地構(gòu)建數(shù)字高程模型，保證公路工程的建設(shè)質(zhì)量；模型的構(gòu)建需要通過(guò)使用到大量的數(shù)據(jù)，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，必須保證數(shù)據(jù)量足夠大，以便為模型的構(gòu)建提供足夠的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)的采集方法有多種，主要包括野外地形測(cè)量、攝影測(cè)量、在已有的地圖上進(jìn)行數(shù)字化等方法[5]。在當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集方法中，攝影測(cè)量是進(jìn)行公路勘察設(shè)計(jì)一種最佳的方案，在進(jìn)行攝影測(cè)量的時(shí)候，通過(guò)運(yùn)用航空攝影技術(shù)對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行拍攝、錄影等，能夠獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且在拍攝過(guò)程中，不會(huì)受到地形限制，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的地形、地貌進(jìn)行全方位的了解，是采集的數(shù)據(jù)更加全面，大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性，在最大程度上滿足了數(shù)字高程模型對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)性要求。將遙感技術(shù)與航空攝影技術(shù)結(jié)合之后，數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度變得更高，分辨率也變得更高，施工數(shù)據(jù)采集達(dá)到更好的效果。

野地外形測(cè)量顧名思義就是在野外完成的數(shù)據(jù)采集工作，當(dāng)在野外對(duì)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地的觀測(cè)、記錄數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要利用利用GPS全球定位系統(tǒng)、全站儀等器材，利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字高程模型之前，需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以便保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，為模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)保障。地面測(cè)量方法獲得的數(shù)據(jù)與航空攝影測(cè)量相比，數(shù)據(jù)質(zhì)量是差不多的，但是這種方法所耗費(fèi)的人力、物力、財(cái)力都是比較大的，工作效率也比較低，在公路勘察設(shè)計(jì)中并不適合用這種方法采集數(shù)據(jù)。

最后一種是現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)獲取方法，一個(gè)地區(qū)地形地貌的最直接表現(xiàn)形式就是地形圖，通過(guò)運(yùn)用一定的地理知識(shí)，在地形上能夠清楚的了解到提圖內(nèi)容所表達(dá)的信息，通過(guò)地圖上的等高線能夠得到地圖所表示的地區(qū)的地形高度和地形起伏情況，推算出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，不同地區(qū)的地圖比例尺是有一定差異的，但是在經(jīng)過(guò)換算之后，便能夠得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，所以數(shù)字高程模型構(gòu)建所需要的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)地形圖數(shù)據(jù)獲得。地圖中的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為模型所需的數(shù)據(jù)主要有兩種方法，分別是手扶跟蹤數(shù)字化儀法和掃描矢量化法，其中應(yīng)用比較廣泛的是掃面矢量化法。

3.數(shù)字高程模型在公路勘察設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用

3.1 數(shù)字高程模型用于方案比選

在勘察設(shè)計(jì)中，對(duì)數(shù)字高程模型方案的選擇是一項(xiàng)重要的工作，選擇方案的目的是為了更好的應(yīng)用于工程建設(shè)中，保證工程的建設(shè)質(zhì)量，選擇方案的依據(jù)是實(shí)際工程情況。在進(jìn)行方案選擇的時(shí)候需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行充分了解，明白公路的的具體性質(zhì)和工程要求，對(duì)工程的周圍的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，包括工程的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形特點(diǎn)等，然后按照相關(guān)的施工標(biāo)準(zhǔn)和施工要求，結(jié)合施工過(guò)程中所需要用到的施工設(shè)備等各種因素，全面分析工程的具體情況，對(duì)工程的整體造價(jià)進(jìn)行預(yù)算，然后選擇最佳的方案，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，最大化的減少工程量、降低工程成本。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行公路勘察設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)運(yùn)用數(shù)字高程模型，能夠更加方便、快捷的對(duì)公路工程所在區(qū)域的地形、地貌等情況進(jìn)行充分的了解，然后按照公路建設(shè)需要，設(shè)計(jì)出最合理的施工路線。

3.2 數(shù)字高程模型用于路線設(shè)計(jì)

路線CAD系統(tǒng)在數(shù)字高程模型中使能夠兼容存在的，所以在設(shè)計(jì)路線的時(shí)候就十分方便。公路工程在施工之前需要先選擇平坦的路面，來(lái)確定公路的具體施工路線，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行路面選擇的時(shí)候，以數(shù)字高程模型所提供的地形、地貌特征作為主要參考依據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)路面情況不符合工程要求額時(shí)候，能夠及時(shí)對(duì)局部路面進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了路面的平整性。將CAD系統(tǒng)能夠提供路面平面逐樁坐標(biāo)，通過(guò)與數(shù)字高程模型相相結(jié)合，能夠?qū)β肪€縱斷面地面線、橫斷面地面線等相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并輸出路線縱、橫斷面的地面線數(shù)據(jù)，為公路路線的選擇提供了更多的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)公路路線的最優(yōu)化。

3.3 數(shù)字高程模型的三維可視化

數(shù)字高程模型具有其他技術(shù)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)便是三維可視化，所謂的三維可視化就是利用動(dòng)畫技術(shù)將道路及周邊環(huán)境設(shè)計(jì)成三維模型，然后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的三維動(dòng)畫演示。動(dòng)畫演示能夠展現(xiàn)出工程設(shè)計(jì)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)觀看動(dòng)畫演示，能夠?qū)?xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合性評(píng)估，然后在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，協(xié)調(diào)道路建設(shè)與周邊環(huán)境的關(guān)系，更好的保證工程質(zhì)量。

結(jié)束語(yǔ)：

在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中，數(shù)字高程模型與傳統(tǒng)的勘測(cè)設(shè)計(jì)方法相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠使設(shè)計(jì)方案更優(yōu)化。隨著測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字高程模型在公路工程建設(shè)中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，同時(shí)也會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]白萬(wàn)鵬.基于數(shù)字高程模型的公路勘察設(shè)計(jì)[J].黑龍江交通科技，2012,（9）：32.

[2]賈軍.數(shù)字高程模型及其在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].北方交通，2015, （9）：66-68.

[3]王潤(rùn)平.數(shù)字高程模型在低等級(jí)公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].黑龍江交通科技，2013（10）：10-11.

[4]秦平.基于數(shù)字高程模型三維公路選擇設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2011,（5）.

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