第四篇-数字地面模型与道路CAD新技术.pptx
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1、n n3S(GIS,GPS,RS)技术集成技术集成;n n4D(DEM(Digital Elevation Model)数字高数字高程模型程模型;n nDOM(Digital Orthophoto Map)数字正射数字正射图图;n nDRG(Digital Rastar Graphic)数字栅格地数字栅格地图图;n nDLG(Digital Line Graphic)数字线划数字线划图。图。1.1地形数据的采集与处理地形数据的采集与处理n n地形数据是进行公路设计的基础,数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程,是建立数字地形模型的基础工作。n n传统的数据采集方式已不能满足现代道
2、路测设的需要,并且是影响设计周期及质量的关键,因此,获取高速、精确的地形数据是现代道路测设中急需解决的问题。1.1 形数据采集的分类与特点形数据采集的分类与特点n n公路设计原始地形数据的来源,通常有三种方法:利用航公路设计原始地形数据的来源,通常有三种方法:利用航公路设计原始地形数据的来源,通常有三种方法:利用航公路设计原始地形数据的来源,通常有三种方法:利用航空摄影测量和遥感方法采集地形数据;利用已有的图形数空摄影测量和遥感方法采集地形数据;利用已有的图形数空摄影测量和遥感方法采集地形数据;利用已有的图形数空摄影测量和遥感方法采集地形数据;利用已有的图形数字化、矢量化;野外实测采集地形数据
3、。对于以上每种方字化、矢量化;野外实测采集地形数据。对于以上每种方字化、矢量化;野外实测采集地形数据。对于以上每种方字化、矢量化;野外实测采集地形数据。对于以上每种方法,根据设备及手段的不同又有多种数据采集形式。比如法,根据设备及手段的不同又有多种数据采集形式。比如法,根据设备及手段的不同又有多种数据采集形式。比如法,根据设备及手段的不同又有多种数据采集形式。比如航测数据采集按设备不同又可分为模拟法测图、解析法测航测数据采集按设备不同又可分为模拟法测图、解析法测航测数据采集按设备不同又可分为模拟法测图、解析法测航测数据采集按设备不同又可分为模拟法测图、解析法测图及数字测图等方式。地形图数字化有
4、人工手扶跟踪数字图及数字测图等方式。地形图数字化有人工手扶跟踪数字图及数字测图等方式。地形图数字化有人工手扶跟踪数字图及数字测图等方式。地形图数字化有人工手扶跟踪数字化仪输入法和全自动数字化仪化仪输入法和全自动数字化仪化仪输入法和全自动数字化仪化仪输入法和全自动数字化仪(扫描仪扫描仪扫描仪扫描仪)输入法两种;野外输入法两种;野外输入法两种;野外输入法两种;野外实测数据有采用常规的野外测量方式、由人工实测和记录实测数据有采用常规的野外测量方式、由人工实测和记录实测数据有采用常规的野外测量方式、由人工实测和记录实测数据有采用常规的野外测量方式、由人工实测和记录获得地形数据,也可用电子速测仪从野外实
5、测获得地形数获得地形数据,也可用电子速测仪从野外实测获得地形数获得地形数据,也可用电子速测仪从野外实测获得地形数获得地形数据,也可用电子速测仪从野外实测获得地形数据,还有采用全球卫星定位系统据,还有采用全球卫星定位系统据,还有采用全球卫星定位系统据,还有采用全球卫星定位系统GPSGPS从野外采集地形数据从野外采集地形数据从野外采集地形数据从野外采集地形数据等。或利用等。或利用等。或利用等。或利用GISGIS和和和和DTMDTM直接与直接与直接与直接与CADCAD嫁接,地形数据采集嫁接,地形数据采集嫁接,地形数据采集嫁接,地形数据采集分类如图分类如图分类如图分类如图1-1-11-1-1。2数字地
6、形模型及应用数字地形模型及应用n n数字地形模型是根据地表面上一些地形点数字地形模型是根据地表面上一些地形点的三维大地坐标(的三维大地坐标(X X,Y Y,Z Z)的集合以及在)的集合以及在集合中配有的内插规则,而建立起来的一集合中配有的内插规则,而建立起来的一个数字化的地形模型。所谓数字化就是说个数字化的地形模型。所谓数字化就是说地形模型不是实物而是用一组数据来构建地形模型不是实物而是用一组数据来构建的;所谓内插就是通过构成的;所谓内插就是通过构成DTMDTM的一组数据的一组数据来求算地面上任意一个给定了平面坐标(来求算地面上任意一个给定了平面坐标(X X,Y Y)的地形点的高程()的地形点
7、的高程(Z Z)的数学方法。)的数学方法。2.1数模的发展及研究状况DTMDTMDTMDTM最初是由美国麻省理工学院最初是由美国麻省理工学院最初是由美国麻省理工学院最初是由美国麻省理工学院MillerMillerMillerMiller为了高速公路的自动为了高速公路的自动为了高速公路的自动为了高速公路的自动设计于设计于设计于设计于1956195619561956年提出来的。此后,对它的研究经历了四个时年提出来的。此后,对它的研究经历了四个时年提出来的。此后,对它的研究经历了四个时年提出来的。此后,对它的研究经历了四个时期:期:期:期:50505050年代末是其概念形成时期;年代末是其概念形成时
8、期;年代末是其概念形成时期;年代末是其概念形成时期;60606060一一一一70707070年代对年代对年代对年代对DTMDTMDTMDTM内插内插内插内插问题进行了大量的研究,如问题进行了大量的研究,如问题进行了大量的研究,如问题进行了大量的研究,如SchutSchutSchutSchut提出的移动曲面拟合法,提出的移动曲面拟合法,提出的移动曲面拟合法,提出的移动曲面拟合法,ArthurArthurArthurArthur和和和和HardyHardyHardyHardy提出的多面函数内插法,提出的多面函数内插法,提出的多面函数内插法,提出的多面函数内插法,KrausKrausKrausKra
9、us和和和和MikhailMikhailMikhailMikhail提出的最小二乘内插法及提出的最小二乘内插法及提出的最小二乘内插法及提出的最小二乘内插法及EbnerEbnerEbnerEbner等提出的有限元内插法。等提出的有限元内插法。等提出的有限元内插法。等提出的有限元内插法。70707070年代中、后期对采样方法进行了研究,其代表为年代中、后期对采样方法进行了研究,其代表为年代中、后期对采样方法进行了研究,其代表为年代中、后期对采样方法进行了研究,其代表为MakarovicMakarovicMakarovicMakarovic提出的渐近采样提出的渐近采样提出的渐近采样提出的渐近采样(P
10、rogressive Sampling)(Progressive Sampling)(Progressive Sampling)(Progressive Sampling)、混、混、混、混合采样合采样合采样合采样(Composite Sampling)(Composite Sampling)(Composite Sampling)(Composite Sampling)。80808080年代以来,对年代以来,对年代以来,对年代以来,对DTMDTMDTMDTM研究研究研究研究已经涉及到已经涉及到已经涉及到已经涉及到DTMDTMDTMDTM系统的各个环节,其中包括用系统的各个环节,其中包括用系统的
11、各个环节,其中包括用系统的各个环节,其中包括用DTMDTMDTMDTM表示地形表示地形表示地形表示地形的精度、地形分类数据采集、的精度、地形分类数据采集、的精度、地形分类数据采集、的精度、地形分类数据采集、DTMDTMDTMDTM的粗差探测、质量控制、的粗差探测、质量控制、的粗差探测、质量控制、的粗差探测、质量控制、DTMDTMDTMDTM数据压缩、数据压缩、数据压缩、数据压缩、DTMDTMDTMDTM应用以及不规则三角网应用以及不规则三角网应用以及不规则三角网应用以及不规则三角网DTMDTMDTMDTM的建立与应的建立与应的建立与应的建立与应用等等。用等等。用等等。用等等。2.2内插方法与数
12、模的表现形态内插方法与数模的表现形态n n(1)(1)内插方法内插方法n n原始地形数据采集,经处理后以散点数据的形式存储在计原始地形数据采集,经处理后以散点数据的形式存储在计原始地形数据采集,经处理后以散点数据的形式存储在计原始地形数据采集,经处理后以散点数据的形式存储在计算机内,如何形成数字地形模型呢?简单的说,在计算机算机内,如何形成数字地形模型呢?简单的说,在计算机算机内,如何形成数字地形模型呢?简单的说,在计算机算机内,如何形成数字地形模型呢?简单的说,在计算机中,根据合适数量的已知点的中,根据合适数量的已知点的中,根据合适数量的已知点的中,根据合适数量的已知点的X X X X,Y
13、Y Y Y,Z Z Z Z坐标用各种适合的坐标用各种适合的坐标用各种适合的坐标用各种适合的面,如三角平面、双曲抛物面、二次多项式曲面、双曲面、面,如三角平面、双曲抛物面、二次多项式曲面、双曲面、面,如三角平面、双曲抛物面、二次多项式曲面、双曲面、面,如三角平面、双曲抛物面、二次多项式曲面、双曲面、三次曲面按照一定的原则比如最小二乘原理(各点到拟合三次曲面按照一定的原则比如最小二乘原理(各点到拟合三次曲面按照一定的原则比如最小二乘原理(各点到拟合三次曲面按照一定的原则比如最小二乘原理(各点到拟合面的距离平方和最小)来拟合地表面,在拟合面的方程中面的距离平方和最小)来拟合地表面,在拟合面的方程中面
14、的距离平方和最小)来拟合地表面,在拟合面的方程中面的距离平方和最小)来拟合地表面,在拟合面的方程中代入各已知点的代入各已知点的代入各已知点的代入各已知点的X X X X,Y Y Y Y,Z Z Z Z坐标,解方程组求出方程中的待坐标,解方程组求出方程中的待坐标,解方程组求出方程中的待坐标,解方程组求出方程中的待定系数,这样就相当于确定地表面方程,由此拟合方程即定系数,这样就相当于确定地表面方程,由此拟合方程即定系数,这样就相当于确定地表面方程,由此拟合方程即定系数,这样就相当于确定地表面方程,由此拟合方程即可根据此方程范围内的任意一点可根据此方程范围内的任意一点可根据此方程范围内的任意一点可根
15、据此方程范围内的任意一点X X X X,Y Y Y Y坐标求出该点坐标求出该点坐标求出该点坐标求出该点Z Z Z Z坐标,坐标,坐标,坐标,即高程值,达到利用数字地形模型获取地面上任意点高程即高程值,达到利用数字地形模型获取地面上任意点高程即高程值,达到利用数字地形模型获取地面上任意点高程即高程值,达到利用数字地形模型获取地面上任意点高程产生纵、横断面地面线资料的目的,进行纵、横断面设计。产生纵、横断面地面线资料的目的,进行纵、横断面设计。产生纵、横断面地面线资料的目的,进行纵、横断面设计。产生纵、横断面地面线资料的目的,进行纵、横断面设计。n nDTMDTMDTMDTM是将地面上无数的地形点
16、压缩后,选取一些有是将地面上无数的地形点压缩后,选取一些有是将地面上无数的地形点压缩后,选取一些有是将地面上无数的地形点压缩后,选取一些有代表性的离散点来反映地形起伏的,实际应用中代表性的离散点来反映地形起伏的,实际应用中代表性的离散点来反映地形起伏的,实际应用中代表性的离散点来反映地形起伏的,实际应用中必须用插值的方法重建原地面,以便获得地表面必须用插值的方法重建原地面,以便获得地表面必须用插值的方法重建原地面,以便获得地表面必须用插值的方法重建原地面,以便获得地表面任一点的高程值。任一点的高程值。任一点的高程值。任一点的高程值。DTMDTMDTMDTM内插就是根据已知点上的高内插就是根据已
17、知点上的高内插就是根据已知点上的高内插就是根据已知点上的高程求出其他待定点上的高程。由于所采集的原始程求出其他待定点上的高程。由于所采集的原始程求出其他待定点上的高程。由于所采集的原始程求出其他待定点上的高程。由于所采集的原始数据一般是不规则的,为了得到规则格网的数据一般是不规则的,为了得到规则格网的数据一般是不规则的,为了得到规则格网的数据一般是不规则的,为了得到规则格网的DTMDTMDTMDTM,内插是必不可少的。所以内插是必不可少的。所以内插是必不可少的。所以内插是必不可少的。所以DTMDTMDTMDTM内插是内插是内插是内插是DTMDTMDTMDTM生产中的生产中的生产中的生产中的一个
18、核心问题。按内插点的分布范围,可将内插一个核心问题。按内插点的分布范围,可将内插一个核心问题。按内插点的分布范围,可将内插一个核心问题。按内插点的分布范围,可将内插分为三类:局部内插,逐点内插和整体内插。而分为三类:局部内插,逐点内插和整体内插。而分为三类:局部内插,逐点内插和整体内插。而分为三类:局部内插,逐点内插和整体内插。而按二元函数附近数学面和参考点的关系,内插又按二元函数附近数学面和参考点的关系,内插又按二元函数附近数学面和参考点的关系,内插又按二元函数附近数学面和参考点的关系,内插又可分为纯二维内插和曲面拟合内插两种。可分为纯二维内插和曲面拟合内插两种。可分为纯二维内插和曲面拟合内
19、插两种。可分为纯二维内插和曲面拟合内插两种。1)整体函数内插n n对整个区域对整个区域(或一个子区或一个子区)应用一个数学模应用一个数学模型型(一般以地形特征线将整个测区划分成若一般以地形特征线将整个测区划分成若干个子区干个子区),由区域内所有已知点的数据求,由区域内所有已知点的数据求解待定参数来定义整体函数。其基本思想解待定参数来定义整体函数。其基本思想是:任何一个规则或不规则面均可以由若是:任何一个规则或不规则面均可以由若干个简单面,如二次曲面、三次曲面等叠干个简单面,如二次曲面、三次曲面等叠加到任意精度等级。加到任意精度等级。n n2)2)2)2)局部函数内插局部函数内插局部函数内插局部
20、函数内插n n用一个函数式拟合一个局部地表面,通常只在格用一个函数式拟合一个局部地表面,通常只在格用一个函数式拟合一个局部地表面,通常只在格用一个函数式拟合一个局部地表面,通常只在格网小范围内使用。如线性内插、双线性多项式内网小范围内使用。如线性内插、双线性多项式内网小范围内使用。如线性内插、双线性多项式内网小范围内使用。如线性内插、双线性多项式内插、有限元法等。插、有限元法等。插、有限元法等。插、有限元法等。n n3)3)3)3)逐点内插逐点内插逐点内插逐点内插n n以任意待定点为中心,以邻近的已知点定义内插以任意待定点为中心,以邻近的已知点定义内插以任意待定点为中心,以邻近的已知点定义内插
21、以任意待定点为中心,以邻近的已知点定义内插函数,拟合该点邻近的地表面形态。内插函数的函数,拟合该点邻近的地表面形态。内插函数的函数,拟合该点邻近的地表面形态。内插函数的函数,拟合该点邻近的地表面形态。内插函数的选择应以能最好地反映插值区的地形为准。内插选择应以能最好地反映插值区的地形为准。内插选择应以能最好地反映插值区的地形为准。内插选择应以能最好地反映插值区的地形为准。内插的关键是处理好地形特征点、线。整体函数内插的关键是处理好地形特征点、线。整体函数内插的关键是处理好地形特征点、线。整体函数内插的关键是处理好地形特征点、线。整体函数内插计算量大,速度慢,一般用于大范围的航测建模。计算量大,
22、速度慢,一般用于大范围的航测建模。计算量大,速度慢,一般用于大范围的航测建模。计算量大,速度慢,一般用于大范围的航测建模。(2)数模的表现形态n n常用的数模有以下四种表现形态:1)散点数模n n移动曲面法(典型的逐点内插)(完全二次平方式)移动曲面法(典型的逐点内插)(完全二次平方式)移动曲面法(典型的逐点内插)(完全二次平方式)移动曲面法(典型的逐点内插)(完全二次平方式)n n移动曲面法的特点是运算简单灵活,精度高,但速度较慢。移动曲面法的特点是运算简单灵活,精度高,但速度较慢。移动曲面法的特点是运算简单灵活,精度高,但速度较慢。移动曲面法的特点是运算简单灵活,精度高,但速度较慢。常用于
23、方案计算和模型换算等。移动曲面法是根据以待插常用于方案计算和模型换算等。移动曲面法是根据以待插常用于方案计算和模型换算等。移动曲面法是根据以待插常用于方案计算和模型换算等。移动曲面法是根据以待插点为中心的一定邻域点为中心的一定邻域点为中心的一定邻域点为中心的一定邻域D D D D内的若干参考点进行带权曲面拟合,内的若干参考点进行带权曲面拟合,内的若干参考点进行带权曲面拟合,内的若干参考点进行带权曲面拟合,需解决的问题是参考点的搜索方法和权的确定。其中邻域需解决的问题是参考点的搜索方法和权的确定。其中邻域需解决的问题是参考点的搜索方法和权的确定。其中邻域需解决的问题是参考点的搜索方法和权的确定。
24、其中邻域D D D D有四种形式有四种形式有四种形式有四种形式以待插点为圆心某一半径的圆,如图以待插点为圆心某一半径的圆,如图以待插点为圆心某一半径的圆,如图以待插点为圆心某一半径的圆,如图2-2-2-2-2-2-2-2-2(a)2(a)2(a)2(a)所示;所示;所示;所示;以待插点为中心的八分圆以待插点为中心的八分圆以待插点为中心的八分圆以待插点为中心的八分圆(或方形或方形或方形或方形)分块,图分块,图分块,图分块,图2-2-2(b)2-2-2(b)2-2-2(b)2-2-2(b)示出了八分圆形分块,根据点落入不同区域分别示出了八分圆形分块,根据点落入不同区域分别示出了八分圆形分块,根据点
25、落入不同区域分别示出了八分圆形分块,根据点落入不同区域分别处理;处理;处理;处理;把待插点所在子块的邻近九个子块范围平分成五把待插点所在子块的邻近九个子块范围平分成五把待插点所在子块的邻近九个子块范围平分成五把待插点所在子块的邻近九个子块范围平分成五个段,如图个段,如图个段,如图个段,如图2-2-2(c)2-2-2(c)2-2-2(c)2-2-2(c)所示;所示;所示;所示;在格网范围内,以特征线为在格网范围内,以特征线为在格网范围内,以特征线为在格网范围内,以特征线为边界划分的地势连续区域,如图边界划分的地势连续区域,如图边界划分的地势连续区域,如图边界划分的地势连续区域,如图2-2-2(d
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