数字测图在公路工程中的应用.docx
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数字测图在公路工程中的应用
摘要
随着现代社会电子技术的高速发展测绘技术也在不断的发展中，传统的测绘技术已经不能满足现在测绘工作的需要。
新一代的测绘技术要求：
精确、可靠、快速、简便、实时、持续、动态、遥测。
数字化图就是在近几年随着计算机、测绘仪器、数字化测图软件而迅速发展起来的全新内容，广泛用于测绘生产、土地管理、城市规划等部门，并成为测绘技术变革的重要标志。
随着我国公路系统的普及发展，原有的手工纸上绘图已经逐步被数字测图所取代成为地形测图的主流。
数字化图可以比较直观的表现出图上的各种数据。
数字化图的发展使测量成果方便传输、处理、共享。
本文以数字地图的应用为基础，介绍了数字地图的特点及数字地图在公路工程中的应用。
概述了数字测图时控制网的布设和建立；在选点，埋石时应注意的事项；传统公路断面的测量方法。
主要介绍了用数字地图在cass7.0中进行纵、横断面的测量，土方量的计算的具体方法及应用和道路选线设计。
目录
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
目录……………………………………………………………………………………Ⅱ
1引言………………………………………………………………………………………1
2数字测图…………………………………………………………………………………2
2.1数字测图的优点…………………………………………………………………………2
2.2测图控制网的建立……………………………………………………………………2
2.3数字地形图的测量……………………………………………………………………4
3数字地形图的应用…………………………………………………………………5
3.1运用数字化地图进行道路选线设计………………………………………………5
3.2纵、横断面的应用…………………………………………………………………7
3.3进行土石方量的计算………………………………………………………………9
4结束语……………………………………………………………………………………11
参考文献………………………………………………………………………………13
浅谈数字测图在公路工程中的应用
1、引言
我国幅员广大，辽阔的土地需要我们去描绘和规划；丰富的地下矿藏，天然的水下资源要靠我们去勘察、开发和利用，在建设祖国的伟大事业中，测绘工作的作用和意义是十分巨大的。
公路是连接城乡和工矿企业、港口等重要地区的通道，在经济发展中有着重要的意义。
随着改革开放步伐的日益加快，各地的经济也在迅猛的增长。
但是有很多地区的发展受到地理环境的制约并不能跟上时代的步伐，随着要致富先修路这个口号的响起一场轰轰烈烈的修路热潮在全国展开。
伴随全站仪的问世和电子计算机技术的迅猛发展，大比例尺数字测图的研究取得了可喜的成果，并且在生产中发挥了愈来愈重要的作用。
大比例尺数字化测图技术逐步替代传统的白纸测图，促进了测绘行业的自动化、现代化、智能化。
测量的成果不仅有绘在纸上的地形图，还有方便传输、处理、共享的数字信息，即数字地形图，它将为信息时代地理信息的发展产生积极的意义。
为了尽可能的把公路建造成本降到最少，选择一条合理的路线就显得尤为重要。
为了确定一条最经济合理的路线，必须预先测绘路线附近的地形图，在地形图上进行路线选线、设计，然后将设计路线的位置标定在地面上以指导施工。
地形图的使用尤为的方便。
随着现代测绘技术的发展传统的地形图已经不能满足现代高精度的要求，数字化地图就应运而生，并且以其精度高、方便传输及处理等特点逐渐占到主导地位。
2数字测图
2.1数字化地形图的优点
（1）点位精度高
数字化测图的精度高，距离在300m以内时测定地物点误差约为±15mm，测定地形点高程误差约为±18mm。
全站仪的测量数据作为电子信息可以自动传输、记录、存储、处理和成图。
在这全过程中原始测量数据的精度毫无损失，从而获得高精度（与仪器测量同精度）的测量成果。
（2）改进了作业方式
数字测图则使野外测量达到自动记录、自动解算处理、自动成图，并且提供了方便使用的数字地图软盘。
数字测图自动化的程度高，出错（读错、记错、展错）的概率小，能自动提取坐标、距离、方位和面积等。
绘制的地形图精确、规范、美观。
（3）增加了地图的表现力
计算机与显示器、打印机联机，可以显示或打印各种资料信息；与绘图机联机时，可以绘制各种比例尺的地形图，也可以分层输出各类专题地图，满足不同的用户的需要。
（4）方便成果的深加工利用
数字化测图的成果是分层存放，从而便于成果的加工利用。
比如EPSW软件定义11层（用户还可以根据需要定义新层），房屋、电力线、铁路、道路、水系、地貌等存于不同的层中，通过打开或关闭不同的层得到所需的各类专题图，如管线图、水系图、道路图和房屋图等。
还能综合相关的内容补充加工成城市规划图、城市建设图、房地产图、以及各类管理用图。
还可以在数字图上进行各类工程设计（CAD计算机辅助设计）。
（5）可作为GIS的重要信息源
地理信息系统（GIS）具有方便的信息查询检索功能、空间分析功能、以及辅助决策功能，在国民经济、办公自动化及人们日常生活中都有广泛的应用。
要建立起地理信息系统，数据采集的工作是重要的一环。
数字化测图作为GIS的信息源，能及时准确地提供各类基础数据更新GIS的数据库，保证地理信息的可靠性和现势性，为GIS的辅助决策和空间分析发挥作用。
2.2测图控制网的建立
控制网的概念：
在测区范围内选择若干有控制意义的点（称为控制点），按一定的规律和要求构成网状几何图形，称为控制网。
控制网分这平面控制网和高程控制网。
在选取控制网点位的时候应尽量靠近路线位置以方便公路施工时候的使用。
路线平面控制网是公路平面控制测量的首级控制网，沿线平面控制网应联系于首级控制网上，首级控制网宜全线贯通，统一平差。
2.2.1控制网的布设层次
一种是在各项工程建设的规划设计阶段，为测绘大比例尺地形图而建立的控制网，叫做测图控制网；另一种是为工程建筑物的施工放样或变形观测等专门用途而建立的控制网，我们称其为专用控制网。
2.2.2建立这两种控制网时亦应遵守布网原则：
“从整体到局部”、“先控制后碎部”、“从高级到低级”。
2.2.2.1分级布网、逐级控制
对于工程控制网，通常先布设控制工程全局的首级控制网，随后根据工程具体项目的需要，再用布设加密控制网。
2.2.2.2要有足够的精度
以工测平面控制网为例，一般要求最低一级控制网的点位中误差能满足大比例尺1:
500的测图要求。
按图上0.lmm的绘制精度计算，这相当于地面上的点位精度为0.1×500=5（cm）。
2.2.2.3要有足够的密度
不论是工测控制网或专用控制网，都要求在测区内有足够多的控制点。
如前所述，控制点的密度通常是用边长来要求的。
《城市测量规范》中对于城市三角网平均边长的规定列于表1-1中。
表1-1三角网的主要技术要求
等级
平均边长（km）
测角中误差（″）
起算边相对中误差
最弱边相对中误差
二等
9
±1.0
1/300000
1/120000
三等
5
±1.8
1/200000（首级）
1/120000（加密）
1/80000
四等
2
±2.5
1/120000（首级）
1/80000（加密）
1/45000
一级小三角
二级小三角
1
0.5
±5
±10
1/40000
1/20000
1/20000
1/10000
2.2.2.4要有统一的规格
为了使不同的工测部门施测的控制网能够互相利用、互相协调，也应制定统一的规范，如现行的《城市测量规范》和《工程测量规范》。
2.2.3选点、埋石
选点：
选点应选在视野开阔，土地坚实，便于安置仪器和施测（测角、测距）；相邻点要通视，边长大致相等；公路测量中所选点应尽量接近路线位置；在桥位和隧道要设置点。
埋石：
由于控制点要长期、经常性地使用，一般要埋设标石和标志。
标石和标志应保证稳定、安全和长期保存，应尽可能避开外界的影响，尽可能埋设在稳定的基岩上。
三、四等三角测量，要求标石分两层埋设。
上面的一块称柱石，下面的一块称磐石。
磐石和柱石一般用混凝土预制，运到实地埋设。
磐石和柱石中央均埋有中心标志。
中心标一般刻有十字线交点（或小孔），代表点的精确位置。
2.2.4图跟点的加密
控制点的密度应按测图比例尺和地区难易程度等级确定。
当视距长度超过规定，或地形复杂、隐蔽及建筑群密集等，不能满足测图要求时，应进行图根加密控制测量。
2.3数字地形图的测量
2.3.1数字化测图简介
数字化测图是近20年发展起来的一种全新的测绘地形图方法。
从广义上说，数字化测图应包括：
利用电子全站仪或其他测量仪器进行野外数字化测图；利用手扶数字化仪或扫描数字化仪对传统方法测绘的原图进行数字化；以及借助解析测图仪或立体坐标量测仪对航空摄影、遥感像片进行数字化测图等技术。
利用上述技术将采集到的地形数据传输到计算机，并由功能齐全的成图软件进行数据处理、成图显示，再经过编辑、修改，生成符合国标的地形图。
最后将地形数据和地形图分类建立数据库，并用数控绘图仪或打印机完成地形图和相关数据的输出。
具体流程见图1-1。
2.3.2数据采集
数字化测图就是用全站仪或GPSRTK实测野外的各种有关地物和地貌的点位信息和特征信息。
点位信息就是碎部点的三维坐标，特征信息就是碎部点的信息编码。
图1-1数字地形图生产流程
2.3.3数据处理
将野外实测数据输入计算机后，成图系统首先将三维坐标和编码进行初处理，形成控制点数据、地物数据、地貌数据，然后分别对这些数据分类处理，形成图形数据文件，包括带有点号和编码的坐标文件和含有点的连接信息文件。
绘图程序根据输入的比例尺、图廓坐标、已生成的坐标文件和连接信息文件，按编码分类，分层进入地物、地貌等各层进行绘图处理，生成绘图文件，并在屏幕上显示所绘图形。
根据实际地形对屏幕图形进行必要的编辑、修改，生成修改后的图形。
2.3.4数据输出
经过修改后所形成的图形数据文件可将数字地形图存储在计算机内或其他介质上，或者由计算机控制绘图仪绘制地形图。
这样就完成了全野外数字地形图的测绘，提供公路设计部门使用。
3数字地形图的应用
3.1运用数字地图进行道路选线设计
数字化地图在道路初始设计时进行道路选线设计。
由于现在的CAD的普遍使用，传统的在图纸上进行道路选线已经逐步被现在的数字化地图所替代。
CAD进行道路选线设计可以进行实时修改，便于保存，直观显示等特点被广泛的接受并使用。
路线基本走向的选择，应根据指定的路线走向（路线起、终点和中间主要控制点）和公路等级，及其在公路网中的作用，结合铁路、航运、空运、管道的布局和城镇、工矿企业、资源状况，以及水文、气象、地质、地形等自然条件，由面到带，从所有可能的路线方案中，通过调查、分析、比选，确定一条最优路线方案。
在路线设计的各个阶段，应运用各种先进手段对路线方案做深入、细致的研究，在多方案论证、比选的基础上，选定最优路线方案。
路线设计应在保证行车安全、舒适，迅速的前提下，使工程数量小,造价低，营运费用省，效益好，并有利于施工和养护。
在工程量增加不大时，应尽量采用较高的技术指标,不应轻易采用最小指标或低限指标，也不应片面追求高指标。
选线应同农田基本建设相配合,做到少占田地，并应尽量不占高产田、经济作物田或经济林园（如橡胶林、茶林、果园）等。
通过名胜、风景、古迹地区的公路，应与周围环境、景观相协调，并适当照顾美观。
注意保护原有自然状态和重要历史文物遗址。
在数字地形图上就能方便、快速地完成线路的优选工作。
以图3-1为例：
由于原有路线（蓝色路线）为村民自己修建的沙石路，修建年代久远，根据实地测设最大纵坡为12%，圆曲线最小半径仅为5m。
远远不能满足委托方所要求的最大纵坡10%最小圆曲线半径15m的要求。
就要求对部分路线进行重新设计。
路线地处山区由图上可以看出两边山体比较陡峭，中间地带相对平缓为了满足委托方的要求并尽可能的使工程数量小，造价低，营运费用省，效益好，并有利于施工和养护的原则。
新设计的路线走向主要在中间相对平缓地带，对原有的路线也进行充分利用（图3-1中红色路线）。
降低纵坡的方法就要增加路线长度，在图3-1的地形环境下由于山路的高差较大，平缓的地方较少，要增加路线的长度只能采用“之”形的路线，在满足圆曲线最小半径15m的前提下这个方案是最切实可行的。
路线顺着比较平缓的地段沿着等高线的走势前进。
该项任务，利用了数字地形图选线，不仅满足了技术要求，而且降低了工程造价。
特别在选线中，减少了劳动强度，节约了时间。
图3-1数字地形图上公路选线
3.2纵、横断面的应用
由于数字化地图可以直接在图上读出点位的坐标和高程，而且现在的CASS7.1中可以直接进行纵、横断面的绘制。
由CASS7.1绘制断面图有两种方法，一种是图面生成，一种是由里程文件生成。
3.2.1由图面生成
有根据坐标文件和根据图上高程点两种方法，现以根据坐标文件为例。
先用复合线生成断面线，点取“工程应用”下的“绘断面图”下的“根据坐标文件”功能。
提示：
选择断面线用鼠标点取上步所绘断面线。
屏幕上弹出“输入高程点数据文件名”的对话框，来选择高程点数据文件。
如果选“根据图上高程点”此步则为在图上选取高程点。
提示：
请输入采样点间距（米）:
〈20〉输入采样点的间距，系统的默认值为20米。
采样点的间距的含义是复合线上两顶点之间若大于此间距，则每隔此间距内插一个点。
提示：
输入起始里程〈0.0〉系统默认起始里程为0。
横向比例为1:
〈500〉输入横向比例，系统的默认值为1:
500。
纵向比例为1:
〈100〉输入纵向比例，系统的默认值为1:
100。
请输入隔多少里程绘一个标尺（米）〈直接回车只在两侧绘标尺〉
在屏幕上则出现所选断面线的断面图。
命令行提示：
是否绘制平面图？
（1）否
（2）是〈1〉上图上绘出平面图的结果。
3.2.2根据里程文件生成
根据里程文件绘制断面图，首先先生成里程文件，里程文件用离散的方法描述了实际地形。
接下来的所有工作都是在分析里程文件里的数据后才能完成的。
生成里程文件有的方法，点取菜单“工程应用”，在弹出的菜单里选“生成里程文件”。
由等高线生成纵断面的里程文件。
它从断面线的起点开始，处理断面线与等高线的所有交点，依次记下每一交点在纵断面线上离起点的距离和所在等高线的高程。
在图上绘出等高线，再用轻量复合线绘制纵断面线（可用PL命令绘制）
用鼠标点取“工程应用”菜单下的“生成里程文件”子菜单中的“由等高线生成”。
屏幕提示：
请选取断面线；用鼠标点取所绘纵断面线
屏幕上弹出“输入断面里程数据文件名”的对话框，来选择断面里程数据文件。
这个文件将保存要生成的里程数据。
屏幕提示：
输入断面起始里程；〈0.0〉
如果断面线起始里程不为0，在这里输入。
回车，里程文件生成完毕。
纵断面里程文件生成后就可以由纵断面直接生成横断面的里程文件
用鼠标点取“工程应用”菜单下的“生成里程文件”子菜单中的“由纵断面生成”。
屏幕上弹出“输入断面里程数据文件名”的对话框，来选择断面里程数据文件。
这个文件将保存要生成的里程数据。
屏幕上弹出“输入坐标数据文件名”的对话框，来选择坐标数据文件。
这个文件是原始坐标数据文件，将用来生成的里程数据。
屏幕提示：
请选取纵断面线；用鼠标点取所绘纵断面线
屏幕提示：
输入横断面间距；（米）〈20.0〉输入每两个横断面的间距。
断面间距默认值为20米。
因此，由纵断面生成的里程文件里面，所有的横断面是等间距的。
屏幕提示：
输入横断面线上点距；（米）〈5.0〉输入横断面上取样点的间距。
默认值为5米。
此值越小，单位长度的横断面线上取样次数越多，如果外业数据合理，这将导致生成的里程文件准确度增加。
但是，如果外业数据不足，单纯减小采样间距是没有实际意义的，只会增加里程文件的大小。
屏幕提示：
输入带状区域的宽度；（米）〈40.0〉输入每个横断面的长度。
注意：
每个横断面都被纵断面平分成两部分，左右相等均为给定值的一半。
系统自动根据上面几步给定的参数在图上绘出所有横断面线，同时生成每个横断面的里程数据，写入里程文件。
一个里程文件可包含多个断面的信息，此时绘断面图就可一次绘出多个断面。
里程文件的一个断面信息内允许有该断面不同时期的断面数据，这样绘制这个断面时就可以同时绘出实际断面线和设计断面线。
3.3进行土石方量的计算
3.3.1方格网法土方计算
由方格网来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成方格网来计算每一个长方体的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
系统首先将方格的四个角上的高程相加（如果角上没有高程点，通过周围高程点内插得出其高程），取平均值与设计高程相减。
然后通过指定的方格边长得到每个方格的面积，再用长方体的体积计算公式得到填挖方量。
因此，用这种方法算出来的土石方量与用其它方法得出的结果会有较大的差异，一般说来，这种方法得出的结果精度不太高，这是由于这种方法“先天不足”——算法的局限性，但是方格网法简便直观，加上土方的计算本身对精度要求不是很高，因此这一方法在实际工作中还是非常实用的。
3.3.2等高线法土方计算
用户将白纸图扫描矢量化后可以得到图形。
但这样的图都没有高程数据文件，所以无法用前面的几种方法计算土方量。
一般来说，这些图上都会有等高线，所以，CASS7.1开发了由等高线计算土方量的功能，专为这类用户设计。
用此功能可计算任两条等高线之间的土方量，但所选等高线必须闭合。
由于两条等高线所围面积可求，两条等高线之间的高差已知，可求出这两条等高线之间的土方量。
点取“工程应用”下的“等高线法土方计算”。
屏幕提示：
选择参与计算的封闭等高线可逐个点取参与计算的等高线，也可按住鼠标左键拖框选取。
但是只有封闭的等高线才有效。
回车后屏幕提示：
输入最高点高程；〈直接回车不考虑最高点〉
回车后屏幕提示：
请指定表格左上角位置；<直接回车不绘制表格>在图上空白区域点击鼠标右键，系统将在该点绘出计算成果表格。
3.3.3DTM法土方计算
由DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，Z）和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。
DTM法土方计算共有两种方法，一种是进行完全计算，一种是依照图上的三角网进行计算。
完全计算法包含重新建立三角网的过程，又分为“根据坐标计算”和“根据图上高程点计算”两种方法；依照图上三角网法直接采用图上已有的三角形，不再重建三角网。
下面分述三种方法的操作过程：
3.3.3.1根据坐标计算
用复合线画出所要计算土方的区域，一定要闭合，但是尽量不要拟合。
因为拟合过的曲线在进行土方计算时会用折线迭代，影响计算结果的精度。
用鼠标点取“工程应用”菜单下的“DTM法土方计算”子菜单中的“根据坐标文件”。
提示：
选择边界线 用鼠标点取所画的闭合复合线。
请输入边界插值间隔（米）：
边界插值间隔设定的默认值为20米。
屏幕上将弹出选择高程坐标文件的对话框，在对话框中选择所需坐标文件。
提示：
平场面积=XXXX平方米 注：
该值为复合线围成的多边形的水平投影面积。
平场标高（米）:
输入设计高程。
回车后屏幕上显示填挖方的提示框，命令行显示：
挖方量=XXXX立方米，填方量=XXXX立方米
同时图上绘出所分析的三角网、填挖方的分界线（白色线条）。
关闭对话框后系统提示：
请指定表格左下角位置；<直接回车不绘表格>用鼠标在图上适当位置点击，CASS7.1会在该处绘出一个表格，包含平场面积、最大高程、最小高程、平场标高、填方量、挖方量和图形。
3.3.3.2根据图上高程点计算
首先要展绘高程点，然后用复合线画出所要计算土方的区域，要求同DTM法。
用鼠标点取“工程应用”菜单下“DTM法土方计算”子菜单中的“根据图上高程点计算”
提示：
选择边界线用鼠标点取所画的闭合复合线。
请输入边界插值间隔（米）；〈20〉边界插值间隔的设定的默认值为20米。
提示：
选择高程点或控制点此时可逐个选取要参与计算的高程点或控制点，也可拖框选择。
如果键入“ALL”回车，将选取图上所有已经绘出的高程点或控制点。
提示：
平场面积=XXXX平方米平场标高（米）；键入设计高程
回车后屏幕上显示填挖方的提示框，命令行显示：
挖方量=XXXX立方米，填方量=XXXX立方米
同时图上绘出所分析的三角网、填挖方的分界线（白色线条）。
关闭对话框后系统提示：
请指定表格左下角位置；<直接回车不绘表格>用鼠标在图上适当位置点击，CASS7.1会在该处绘出一个表格，包含平场面积、最大高程、最小高程、平场标高、填方量、挖方量和图形。
3.3.3.3根据图上的三角形计算
对用上面的完全计算功能生成的三角网进行必要的添加和删除，使结果符合实际地形。
用鼠标点取“工程应用”菜单下“DTM法土方计算”子菜单中的“依图上三角网计算”
提示：
平场标高（米）；输入平整的目标高程
请在图上选取三角网：
用鼠标在图上选取三角形，可以逐个选取也可拉框批量选取。
回车后屏幕上显示填挖方的提示框，同时图上绘出所分析的三角网、填挖方的分界线。
用此方法计算土方量时不要求给定区域边界，因为系统会分析所有被选取的三角形，因此在选择三角形时一定要注意不要漏选或多选，否则计算结果有误，且很难检查出问题所在。
4结束语
本由于数字化图可以更好地描述和显示地形图中各要素间的联系；可以任意变更与选择成图比例尺；可方便地进行存储、检索与更新。
文介绍了数字化图在公路工程中的应用。
对数字化测图开始时控制网的建立时应该注意的问题，到数字化测图的流程做了介绍。
介绍了传统的公路纵、横断面的测量方法，和使用数字化图在cass5.0软件中进行纵、横断面的测量；进行土方量的计算；进行道路选线设计。
但是也有介绍不足的地方，数字化图在公路中还有很多的应用比如，进行面积的计算，进行道路放样元素的计算等等。
因此数字化图在公路工程中具有广泛的应用前景。
参考文献
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武汉大学出版社，1995年10月
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云南大学出版社，2005年1月
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【5】蒋辉．数字化测图技术及应用[M]．国防工业出版社．2006年1月
【6】付开隆．现代公路测量技术[M]．科学出版社，2005年8月
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