数字高程模型及其在公路勘察设计中的应用

唐 涛 屈国庆(湖北交通职业技术学院，430079)

数字高程模型及其在公路勘察设计中的应用

唐 涛 屈国庆
(湖北交通职业技术学院，430079)

公路工程的建设需要采集大量的地理数据信息，根据得到的数据信息，按照相应的比例尺寸，然后再结合工程的实际情况，才能设计出合理的施工设计图，所以地理数据信息的采集工作对于整个公路工程来说具有重要意义，对地理数据信息数据的处理工作，仅仅依靠人的大脑是难以实现的，在这种情况下，人们在公路勘测设计中逐渐探索出了数字高程模型。本文对数字高程模型的定义和特点进行了详细的介绍，分析了模型的具体构建，对数字高程模型在公路勘察设计中的主要应用进行了探讨。

数字高程模型；公路勘察；设计；应用

随着信息技术的不断发展，现代化的先进技术已经应用在各个行业中，在公路工程建设中，为了更好的完成公路设计，提高公路工程质量，不断地对公路勘察方法进行完善、提高，其中数字高程模型便是一项十分重要且使用的技术手段。在公路勘察设计中运用数字高程模型，能够获取不同地形下的地理数据信息，为公路的设计方案提供准确的数据保障，保证了公路设计方案的科学性、合理性以及实用性，有利于公路事业的发展[1]。

1.数字高程模型的定义和特点

数字高程模型简称DEM，是一种空间数据模型，模型的的数据是通过地面规则格网点的高程值构成矩阵，然后再形成栅格结构得来的，产生的数据能够表现出地表起伏形态的详细特征。在上世纪50年代，美国麻省工学院的Miller指出地形表面的起伏形态以及各种属性特征的信息可以用数字表达出来，通过相关数字的记录和描述，能够得出数字所表示的区域内地形的各种详细情况，这便是数字地面模型[2]。数字高程模型是数字地面模型中一个重要的分支，通过应用数字高程模型，能够传达出详细的地理信息，包括地形中的坡度、坡向以及坡度变化率等。

数字高程模型DEM是表示某一区域上的三维向量有限序列，其核心是用具体的三维坐标数据代表地形表面的特征点，然后在根据连续的坐标数据，运用相应的计算公式和计算方法得出地标信息所代表的数据值，得出地表的具体特征信息，数字高程模型函数的具体表示方法为：

在公式（1）中，Xi,，Yi, 表示的是平面坐标，Zi表示的是与之相对应的高程。如果这个函数序列中的各平面向量的平面位置呈规则格网排列时，便可以将平面的坐标省略掉，,此时的DEM便简化成了一维向量序列：

DEM是一种用数字表达形式来表示地形表面特征的，与传统的地图相比较，这种表达地理特征的现代化技术具有很多优点，在对数据进行存储的时候更加方便快；通过应用计算机技术，能够实现数据的自动更新，提高了数据信息的准确性和实效性；能够更好的完成数据传输工作，提高了公路勘察的工作效率；除此之外，数字高程模型还具有比例尺特性，使用合适的比例，能够更加准确的表示出公路工程的实际尺寸[3]。由于DEM的使用优势和众多优点，已经被广泛应用于多个行业和领域，包括国民经济、国防建设以及人文与自然科学等领域。

2.数字高程模型的构建方法

2.1 数字高程模型类型的选取

数字高程模型主要包括等高线模型、规则格网和不规则三角形三种不同类型，在对公路工程进行勘察设计的时候，应该根据工程的实际情况，对三种类型进行对比，分析三者之间的不同，了解它们各自的优点以及不足之处，以保证工程质量为基本原则，选择最适合工程需要的类型。

等高线模型的数据是矢量结构，模型的构成需要大量的高程值，如果相关的高程值不够完善，模型的构建便不能达到预期的效果[4]。这种模型虽然比较简洁，但是没有较强的直观性，只适合专业人员的使用，非专业人员在使用的时候往往不能正确理解模型所传达的信息，应用难度比较大，等高线模型主要用于地图和地理信息系统中。

规则网格的构建的基础矩阵元素的行列号，在进行构建的时候需要按照相应的方法，制定出科学、合理的划分标准，然后将特定的区域划分成规则的网格，然后对二维空间进行定位、得出精确的三维高程信息。在对数据进行统计、组织时通过使用规则网络模型，能够使整个过程更加简单快；对数据进行存储的时候，存储效率比较高；能够快速的对数据进行分析，检索速度比较快。但是这种类型只适合运用在地形比较简单的区域，在对复杂的地形进行勘察的时候，并不适合应用这种类型，因为在勘察过程中，平坦地区的数据会变得相对较多且比较多余，不能表现出复杂地形的特征。

不规则三角形模型的构建是以上两种模型为发展基础的，结合了上面两种类型的优点和长处，对真实地形情况的模拟度比较高、数据信息更加精确、更能够准确的表现出地形特征，这种方式在应用过程中，想要获得做好的应用效果，就需要对数据提出最高的要求，以满足模型的需要。

2.2 数据采集

数字高程模型在进行数据采集的时候应该结合工程的实际情况，采集的数据必须满足工程的勘察需求。数据采集工作的开展必须以现有的技术条件为基础，所采集的数据必须准确，只有更加准确的数据才能更好地构建数字高程模型，保证公路工程的建设质量；模型的构建需要通过使用到大量的数据，所以在进行数据采集的时候，必须保证数据量足够大，以便为模型的构建提供足够的数据支持。

数据的采集方法有多种，主要包括野外地形测量、摄影测量、在已有的地图上进行数字化等方法[5]。在当前的数据采集方法中，摄影测量是进行公路勘察设计一种最佳的方案，在进行摄影测量的时候，通过运用航空摄影技术对特定区域进行拍摄、录影等，能够获得更加准确的数据，并且在拍摄过程中，不会受到地形限制，能够对区域内的地形、地貌进行全方位的了解，是采集的数据更加全面，大大提高了数据的可靠性，在最大程度上满足了数字高程模型对数据的现实性要求。将遥感技术与航空摄影技术结合之后，数据的精准度变得更高，分辨率也变得更高，施工数据采集达到更好的效果。

野地外形测量顾名思义就是在野外完成的数据采集工作，当在野外对所需的数据进行实地的观测、记录数据的时候，需要利用利用GPS全球定位系统、全站仪等器材，利用这些数据构建数字高程模型之前，需要将采集到的数据进行优化，以便保证数据的准确度，为模型的构建提供数据保障。地面测量方法获得的数据与航空摄影测量相比，数据质量是差不多的，但是这种方法所耗费的人力、物力、财力都是比较大的，工作效率也比较低，在公路勘察设计中并不适合用这种方法采集数据。

最后一种是现有地图数据获取方法，一个地区地形地貌的最直接表现形式就是地形图，通过运用一定的地理知识，在地形上能够清楚的了解到提图内容所表达的信息，通过地图上的等高线能够得到地图所表示的地区的地形高度和地形起伏情况，推算出准确的数据，不同地区的地图比例尺是有一定差异的，但是在经过换算之后，便能够得到比较准确的数据，所以数字高程模型构建所需要的数据也可以通过地形图数据获得。地图中的数据信息转化为模型所需的数据主要有两种方法，分别是手扶跟踪数字化仪法和扫描矢量化法，其中应用比较广泛的是扫面矢量化法。

3.数字高程模型在公路勘察设计中的主要应用

3.1 数字高程模型用于方案比选

在勘察设计中，对数字高程模型方案的选择是一项重要的工作，选择方案的目的是为了更好的应用于工程建设中，保证工程的建设质量，选择方案的依据是实际工程情况。在进行方案选择的时候需要对项目进行充分了解，明白公路的的具体性质和工程要求，对工程的周围的环境进行详细的调查，包括工程的地质结构、地形特点等，然后按照相关的施工标准和施工要求，结合施工过程中所需要用到的施工设备等各种因素，全面分析工程的具体情况，对工程的整体造价进行预算，然后选择最佳的方案，在保证工程质量的同时，最大化的减少工程量、降低工程成本。设计人员在进行公路勘察设计时，通过运用数字高程模型，能够更加方便、快捷的对公路工程所在区域的地形、地貌等情况进行充分的了解，然后按照公路建设需要，设计出最合理的施工路线。

3.2 数字高程模型用于路线设计

路线CAD系统在数字高程模型中使能够兼容存在的，所以在设计路线的时候就十分方便。公路工程在施工之前需要先选择平坦的路面，来确定公路的具体施工路线，设计人员在进行路面选择的时候，以数字高程模型所提供的地形、地貌特征作为主要参考依据，当发现路面情况不符合工程要求额时候，能够及时对局部路面进行优化，大大提高了路面的平整性。将CAD系统能够提供路面平面逐桩坐标，通过与数字高程模型相相结合，能够对路线纵断面地面线、横断面地面线等相关数值进行计算，并输出路线纵、横断面的地面线数据，为公路路线的选择提供了更多的依据，实现公路路线的最优化。

3.3 数字高程模型的三维可视化

数字高程模型具有其他技术没有的优点便是三维可视化，所谓的三维可视化就是利用动画技术将道路及周边环境设计成三维模型，然后对整个设计方案进行模拟，实现设计方案的三维动画演示。动画演示能够展现出工程设计中的每一个环节，设计人员通过观看动画演示，能够对项目设计方案进行综合性评估，然后在设计过程中对设计方案进行优化，协调道路建设与周边环境的关系，更好的保证工程质量。

结束语：

在公路工程勘测设计中，数字高程模型与传统的勘测设计方法相比具有较大的优势，能够使设计方案更优化。随着测绘技术、计算机应用技术的不断发展，数字高程模型在公路工程建设中将会发挥越来越重要的作用，同时也会得到更加广泛的应用。

[1]白万鹏.基于数字高程模型的公路勘察设计[J].黑龙江交通科技，2012,（9）：32.

[2]贾军.数字高程模型及其在公路勘察设计中的应用研究[J].北方交通，2015, （9）：66-68.

[3]王润平.数字高程模型在低等级公路设计中的应用研究[J].黑龙江交通科技，2013（10）：10-11.

[4]秦平.基于数字高程模型三维公路选择设计[D].长安大学，2011,（5）.

[5]赵晓峰.基于数字摄影测量的线路数字地面模型建立及应用方法研究[D].兰州交通大学，2013,（4）.

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1007-6344（2016）04-0063-02