一种基于数字高程模型DEM的越岭线设计方法

摘要

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。

说明书

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。