1、,现代道路设计,长沙理工大学 交通运输工程学院 桂 岚,概述及基础知识 地形数据采集与处理 数字地面模型及应用 公路计算机辅助设计,道路测设新技术,数字地面模型理论与方法,概述 数字地面模型的分类 数字地面模型的生成 数字地面模型在道路工程中的应用,数字地面模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是美国麻省理工学院Miller教授为了高速公路的自动设计于1956年提出的。此后，它被广泛用于各种线路（铁路、公路、输电线）的设计及各种工程的面积、体积、坡度的计算，任意两点间的可视性判断及绘制任意断面图。,1、概述,一 、概念 DTM（Digital Terrain Mode
2、l) 数字地面模型，是用数字形式描述地形表面的模型。实质上这是对地面形态和属性信息的数字表达,如：高程(海拔高度)、坡度、坡向和地面粗糙度等地形因子。DEM（Digital Elevation Model) 数字高程模型，是DTM模型的一种特例。当DTM模型中数字属性为高程时称为数字高程模型。坡度、坡向、地面粗糙度等其它地形因子都可以由高程推导而出。所以，DEM也是DTM的基础。,数字高程模型,泰山数字地面模型,“9.11”事件前后世贸大厦的数字高程图,VirtuoZo 自动生成的高精度的DTM/DEM,等高线内插,1、概述,二.数字地面模型的发展过程 50年代末是其概念的形成。 60年至70
3、年代对DTM内插问题进行研究。 70年代中、后期对采样方法进行了研究。 80年代以来，对DTM的研究涉及到DTM系统的各个环节。,三. DEM的表示方法,1、概述,2、数字地面模型的分类,按数据结构形式分面状（格网、三角网、空间多边形）线状（等高线、断裂线）点状（散点） 按几何形状分规则数模（方格、矩形、正三角形网）半规则数模（等高线、地形断面）不规则数模（散点、三角网TIN）,一 、规则格网模型 格网点：针对格网点的值 格网面元：组成格网的四个相邻格点在水平面上所包含的面积单元。 格网面元的趋势面格网面元的四个角点高程支撑的数学面，通常该数学面用三种形式表示。,2、数字地面模型的分类,一 、
4、规则格网模型 规则格网模型将空间区域分成规则的等距离单元, 每个单元对应一个数值，通常在数学上表示为一个矩阵， 在计算机中表现为一个二维数组，每个格网单元或数组元素对应一个高程值。 如方格网数模、矩形格网数模。,2、数字地面模型的分类,一 、规则格网模型,一 、规则格网模型 规则格网数据模型的优点：1）数据结构简单，算法实现容易，便于空间操作和存储。尤其适合在栅格数据结构的GIS系统中。2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。 规则格网数据模型的缺点：1）数据量大，有数据冗余2）不规则的地面特性与规则的数据不协调。它对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。,2、数字地
5、面模型的分类,2、数字地面模型的分类,二 、不规则三角网模型 不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以DTM为基础的计算。但其结构复杂。 TIN（Triangulated Irregular Network)表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面(在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等Delaunay)。 因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。,不规则三角网,TIN模型的
6、存储方式,不规则三角网（TIN）,TIN小结,表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点都将落在三角面顶点、线或三角形内。落在顶点上其高程与顶点相同；落在线上则由两个顶点线性插值得到；落在三角形内则由三个顶点插值得到。 生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。 TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地区收集少量信息，避免数据冗余。 对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统更有效，如坡度、坡向等的计算。,规则格网DEM和不规则三角网TIN 的比较,3、数字地面模型的生成,地形数据采集 地形数据预处理 地形数据排序与检索 数字地面模型的高程内插,一.地形数据
7、采集 数字地面模型的数据来源主要有两个方面：一是直接 取自地形表面，二是间接取自地形表面的模拟模型。 根据数据获取的方法不同，数据来源可分为以下几种：,3、数字地面模型的生成,1.DEM数据点的采集方法,地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实测,现有地图数字化,DLG,手扶跟踪数字化仪,扫描数字化仪,空间传感器:,GPS,激光测高仪,（4）从摄影测量立体模型上采取。大多数立体测图仪、解析测图仪的数字化系统都能从遥感像片上采取数据。自动化的摄影测量系统则采用自动影像相关器，沿着扫描断面产生高密度的高程点。,沿等高线采样：主要用于山区采样。 规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则
8、矩形格网的DEM数据。 渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多。 选择采样：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。 混合采样。,数字摄影测量采样点的选取,注意：所有采集的数据都要按一定的空间插值方法转换成点模式格式数据。,沿等高线采样,规则格网采样,沿断面扫描,渐进采样（Progressive Sampling）,先按比较稀疏的间隔进行采样，获得一个稀疏的格网，然后分析是否需要加密,P1,P3,P5,P2,P4,h2,h2,h2,计算两点间中点的二次内插值与线性内插值之差,利用高程的二阶差分,二.采集方法 1、人工格网法 2、三角网法 3、立体
9、像对法 4、曲面拟合法 5、等值线插值法,3、数字地面模型的生成,3、数字地面模型的生成,在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。,1、人工格网法,3、数字地面模型的生成,对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。,2、三角网法,三.地形数据排序与检索DEM数据预处理是DEM内插之前的准备工作，它是整个数据处理的一部分。包括数据格式的转换、坐标系统的转换、数据的编辑、栅格数据的矢量化转换机数据分块等内容。, 3、数字地面模型的生成,四.DEM的内插方法DEM内插就是根据参考点上的高程求出其他的待定点的高程，在数学上属于插值问题。由于所采集的原始数据排列一般是不规则的，因此，为了获得规则格网的DEM,内插是必不可少的一个步骤。（1）线性插值（2）移动曲面拟合法（3）有限元法DEM内插（双线性有限元内插法）, 3、数字地面模型的生成, 4、数字地面模型在道路工程中的应用,数字地面模型在公路选线、定坡度、计算工程量方面应用极为广泛。凡是地面上量测面积、体积、坡度、填挖土方、施工等方面均可采用数字地面模型进行计算，并使公路能用计算机辅助设计。,数模在公路设计中的应用, 4、数字地面模型在道路工程中的应用,数字地面模型在路线工程上的应用,立体计算线路挖土、石方量,
