CN100552723C - 一种基于数字高程模型dem的越岭线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,包括如下步骤:基于数字高程模型,建立选线区数字地面模型;指定越岭线起点和终点;对定线区域内的地貌进行分析;确定垭口控制点并分段设计上行和下行线路;按平均纵坡初步拉坡;平均纵坡判别;缓和坡段布置;交点合并调整;变坡点合并调整;方案评价。本发明方法可有效、充分地利用计算机的功能,将目前的人工纸上定线根本无法完成的计算工作由计算机自动完成;较人工选线提高工效数十倍;而且,选线的质量能够得到保证。在给定条件下能够求得土石方量最小、造价最低的越岭路线方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)的计算机自动选线方法。本方法主要用于公路、铁路在主要考虑地貌(地形)和坡度时的区段替代人工选线作业。
背景技术
数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)是反映地貌的地面高程点位数据与高程和内插软件的集合,主要用于绘制地形图和求取地面任意点高程。其出现后应用范围不断扩大,目前主要用于土建工程勘查设计中的交互式应用,包括地貌分析、景观分析和仿真、场地设计、平基和造价分析等。现有的应用技术存在的主要不足是:计算机只是作为电子地形图的可视化界面,设计方案的拟定必需借助于人工干预作业才能完成,而且交互式应用设计人员工作量较大,没有充分发挥DEM的作用。
而目前的越岭线的定线方法主要是在纸质地形图上进行,由有经验的操作人员,在确定的控制点间进行试坡定线,根据人工放坡定出导向线,在此基础上确定交点并配适当的曲线要素,形成完整的越岭线。因此该方法不仅还没有利用DEM技术,更没有EDM的自动选线技术,效率很低,优化几乎不可能且质量难以控制。
综上所述,现有方法存在的主要问题是:
1、方案数量有限,人工纸面选线方法一般只作2个方案比选,难以找到最佳方案。
2、人工纸面选线和计算机交互选线,工作业效率都比较低,没有充分发挥计算机的功能和作用。
3、现有方法具有较大的经验性和主观性,缺乏一致的标准,顾及的因素有限,也造成方案评价困难。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种能够充分应用EDM数据的、定线质量更高的、速度更快的计算机自动定线的方法与系统。
本发明的目的是这样实现的:一种基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,包括如下步骤:
(1)基于数字高程模型,建立选线区数字地面模型;(2)指定越岭线起点和终点;(3)对定线区域内的地貌进行分析;(4)确定垭口控制点并分段设计上行和下行线路;(5)按平均纵坡初步拉坡;(6)平均纵坡判别;(7)缓和坡段布置;(8)交点合并调整;(9)变坡点合并调整;(10)方案评价。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
1、更加有效地、充分地利用计算机的功能,将目前的人工纸上定线根本无法完成的计算工作由计算机自动完成。
2、在两点之间设计越岭线时能够快速找到最优的方案,一般不会超过数分钟,较人工选线提高工效数十倍。
3、选线的质量能够保证。对给定的选线区和地形,以及给定的技术要求,能够寻找到既满足线形技术要求和平纵组合最优的条件。
4、在给定条件下能够求得土石方量最小、造价最低的越岭路线方案。多个项目与现有方法对照平均较人工比选定线要节造价10~20%左右。
5、扩大了数字高程模型(DEM)的工程应用范围,使其能够产生直接的经济效益。
附图说明
图1是本发明方法设计流程图。
图2是按照本发明方法设计的越岭线示意图。
具体实施方式
本发明为基于数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)的计算机自动选线方法。主要用于公路、铁路在主要考虑地貌(地形)和坡度时的区段替代人工选线作业,具有实用、快捷之优点。
如图1所示,本发明基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,包括如下步骤:
(1)基于数字高程模型DEM,建立选线区数字地面模型;
(2)指定越岭线起点和终点;
(3)对定线区域内的地貌进行分析,主要是根据地面标高进行坡度分区,划分出平缓区、中等坡度区、陡坡区和悬崖峭壁区;
(4)确定垭口控制点,主要是自动提取垭口点,并找出最低垭口点将路线分为两段或多段。从垭口处分别设计上山和下山路线;
(5)按平均纵坡初步拉坡。拉坡(即放坡)是从坡段起点按照设计的坡度沿地面求交线,从而找出一段路线的平面位置。在控制点间根据水平距离和高差计算平均纵坡坡度,以低于该坡度的而且地面允许对大纵坡(坡面法向坡度)若干坡度进行试放,然后从中选出最好的一条。将端点作为控制点继续向前放坡。
(6)最佳线路(平均纵坡)的判别:主要根据某路线的平面线形条件、地貌降坡比例满足情况以及挖填方量来判别。
(7)缓和坡段布置:在路线放坡试坡时根据地貌自动形成。
(8)平面交点合并和调整:根据地貌的放坡线是不规则的。主要将其用不同的平曲线组合进行拟合,得到最佳拟合线形方案。对此方案进行平纵线形指标的自动分析,决定对某些交点进行删除和移动,以是平面线形满足要求。
(9)纵面变坡点合并调整:根据地貌生成的初步变坡点一般是地貌分区点,其位置与平面线形不相适应,需要作调整。以消除或移动过密、坡差过小或过大、与平面配合不良的点。
参见图2,为本发明具体实施例。某越岭线的设计起点为西南角,设计路线将翻越某山岭到达终点。路线总高差约100米,长度约3公里。首先建立包括起点和终点的数字地面模型(DEM)。在模型上指定路线起点和终点坐标。输入平纵面顶线的技术指标和规范数据。根据本发明的方法,由计算机自动寻找出满足给定技术要求的路线方案(粗实线)。
本发明方法由于采用自动选线设计,可完成多个越岭线方案,并快速完成方案技术经济指标的分析评价,以及多个方案的对比。尤其是在数字高程模型(DEM)下,可自动生成满足一定定线条件的越岭线方案:
(1)自动完成坡面组成分析,进行坡面特征分区,找出一定高度以上的陡坎和悬崖。
(2)自动进行坡面特征线、特征点分析。
(3)按照坡面分区进行缓和坡段的自动布置。在各缓坡区进行缓和放坡形成新的控制点。禁止通过区避绕,主要指特别陡峭及悬崖绝壁区、特殊用地区和其他禁行区需避绕。自动判断并选择多个回头点进行比选确定最佳点。
(4)根据地貌特征自动产生备选交点,控制点间的初始导向线自动生成。
(5)自动进行坡长检查并调整变坡点的位置,使陡坡和缓坡的分布满足规范要求。进行全线土石方优化,并使挖填方量最小。
本发明在DEM上对确定的越岭线方案的技术经济指标自动分析方法是:根据DEM数据,采用内插与拟合方法自动采集方案沿线纵横断面数据,并计算挖填方量;自动获取路线设计技术参数值,根据规范要求和一定理论要求,判别方案的线形设计质量。
坡面特征的分析方法是:基于坡度分析的原理,对两控制点间的坡面按照设定间隔进行坡向和坡度分区,并由计算机自动找出一定高度以上的陡坎和悬崖。分区的方法是,在DEM上进行局部坡度和坡向分析,在一定范围以内计算平均变化率判别,以此进行坡面按坡度和坡向分区,并产生分区的界线。
坡面特征点线分析方法是:根据上步产生的坡面分区边界线,从中自动提取山谷线、山脊线、分水线(反坡线);根据山顶脊线提取各可能鞍部点,从中提出最低垭口和次低垭口点。
两控制点间初始导向线生成的方法是:两个相邻控制点间,从两端按照平均坡度进行自动放坡,并将与地形特征线产生的交点作为可能交点。
按照坡面分区进行缓和坡段的布置:沿平均坡度线,在各缓坡区进行缓和坡段的放坡,并形成新的控制点。
交点的合并和调整:在自动进行交点间长度检查以及坡长检查后,根据平面交点间的间距和偏角,按照一定的准则取消、合并部分交点,并配合一定的曲线要素;根据各个自然坡段的长度判别,按照一定的准则,合并、删除或移动部分边坡点,以满足纵面线形寻优的要求,即使使挖填方量最小,平纵线形组合最优。
禁止通过区避绕:主要指特别陡峭及悬崖绝壁区、特殊用地区和其他禁行区需避绕时,自动在禁行区上或下边缘产生控制点,使用1~4步程序分段进行自动寻线。
回头曲线选址方法是:当两控制点高差很大平均坡度超过最大纵坡时,需要设回头曲线进行展线。回头点在缓坡开阔区成对布置,自动选择多个回头点进行比选确定最佳点算法。以此作为新增控制点,分段进行自动寻线。
Claims (4)
1、一种基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,该方法是基于数字高程模型的计算机自动选线方法,包括如下步骤:
(1)基于数字高程模型,建立选线区数字地面模型;
(2)指定越岭线起点和终点;
(3)对定线区域内的地貌进行分析;
(4)确定垭口控制点并分段设计上行和下行线路;
(5)按平均纵坡初步拉坡;
(6)平均纵坡判别;
(7)缓和坡段布置,在路线放坡试坡时根据地貌自动形成;
(8)交点合并调整,对方案进行平纵线形指标的自动分析,决定对某些交点进行删除和移动;
(9)变坡点合并调整,消除或移动过密、坡差过小或过大、与平面配合不良的点;
(10)方案评价。
2、根据权利要求1所述的基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,其特征在于:所述步骤(3)包括建立选线区数字地面模型,主要是进行坡面特征线、特征点分析,包括自动提取山谷线、山脊线、分水线、最低垭口和次低垭口点;找出一定高度以上的陡坎和悬崖。
3、根据权利要求1所述的基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,其特征在于:所述步骤(7)缓和坡段布置,是在识别出各地表缓坡区内,进行缓和放坡形成新的控制点。
4、根据权利要求1所述的基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法,其特征在于:所述步骤(10)根据DEM数据,采用内插与拟合方法自动采集方案沿线纵横断面数据,并计算挖填方量;自动获取路线设计技术参数值,根据规范要求和一定理论要求,判别方案的线形设计质量。
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