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1、道路路线CAD基础,*年十一月,*大学*学院,*,建筑之家 荣誉整理,第一章 绪论,一、历史 1. 国外 60年代 平、纵线形要素计算，横断面、土石方计算，平、纵线形优化； 70年代 数字地面模型、图形显示及计算机绘图； 80年代 系统化（航测设备+计算机硬件+计算机软件的组合系统）、集成化（数据采集+设计、分析+三维显示与成图+优化技术） 90年代 国际化、多元化、系统的深化及柔软性的提高； 智能化CAD（AI+CAD）；数据采集运用GPS+航测或全站仪建立数模。,2. 国内70年代中期，有人收集国外情报； 79年 公路、铁路纵断面优化。同济大学开办培训班、研讨班，形成国内路线CAD的“火种
2、”； 85年 武汉二院BASIC编写的公路路线CAD软件已出版、推广，李方、张雨化亦有类似软件； 80-90年 交通部“七五”攻关项目“高等级公路路线综合优化及CAD系统”，基于Apollo工作站、DDM图形系统，获部一等奖； 90年代 单兵作战，在DOS, AutoCAD, Windows3.x, Windows95/98及网络环境下，利用BASIC, FORTRAN, C/C+, VB, VC, AutoLISP等语言开发，但无一能与国外同类软件相比。,二、现状1. 国外1.1 MOSS 1.2 CARD/1 1.3 InRoads of Intergraph 1.4 GeoPak ROA
3、D2. 国内2.1 “七五”攻关成果 2.2 RICAD, HEAD, Road for Windows95/98, AHCAD,.问题：(1) 越是工程早期，CAD/CAE的支持越无力； (2) 很难做到勘测、设计一体化，效率不高。,三、发展趋势1. 勘测、设计一体化； 2. 3D技术、Virtual Reality（虚拟现实）技术； 3. 多媒体技术； 4. 数据库技术、人工智能； 5. 集成化技术； 3S、5S、 xS思考题：* 了解路线CAD的基本内容； * 了解国内、外路线CAD的发展历史及现状； * 了解路线CAD的发展趋势。,第二章 数据采集系统第一节 野外数据采集一、传统测量与
4、全站仪(Total Station)测量仪器设备的电子化； 记录存储在磁介质或内存里； 数据的编码交换，为后续工作直接提供服务。 二、GPS与RSGPS(Global Positioning System) 对测量产生了革命性 的影响；,GPS系统：1. NAVSTAR/GPSNavigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System 美国，经方案论证（1974-1978）、系统论证（1979-1987）、生产试验（1988-1993），卫星颗数为21+3，卫星轨道面数为6，高度为20220公里。耗资200亿美圆。2. G
5、LONASS前苏联，卫星颗数为24+1，1996年1月18日正常运行。3. NAVSAT西欧欧洲空间局（ESA）正在筹建。,GPS系统 组成：1. GPS工作卫星及其星座2. 地面监控系统3. GPS信号接受机,GPS的特点：1. 定位精度高50公里内 10-6 100-500公里 10-7 1000公里以上 10-9 2. 观测时间短相对静态定位，20公里内：15-20分钟快速静态定位，15公里内：1-2分钟动态相对定位：几秒 3. 测站间无需通视 4. 可提供三维坐标GPS水准可满足四等水准精度 5. 操作简便 6. 全天候作业 7. 功能多，应用广测量、导航、测速、测时,RS(Remot
6、e Sensing) 对路线综合优化设计提供基础数据的支撑。 “遥感”一词产生于60年代初期，意思是遥远的感知。,目标辐 射信息,遥感器 （收集、传递信息）,目标信息的 处理、判释、 应用,介质 传输,人工辐射源,三、航测(一)象片的获取(二)对航摄的基本要求1、飞行质量 (1)象片重叠度 (2)象片倾斜角、航向重叠度 (3)航偏角 (4)航线弯曲度航线弯曲处最大偏离值与航线全长之比应小于3% (5)摄影航高,2、对摄影质量的要求(1)灰雾密度小于0.2，应小于0.3、 (2)影象的最小密度至少应比灰雾密度大0.2 (3)最大密度应在1.51.8以内，应大于1.0 (4)最大反差一般地区应在1
7、.11.4之间，应大于0.6 (5)光学框标的影象应清晰、齐全 (6)底片上不应有云、云影、划痕、划伤及药膜损伤 (7)定影和水洗要充分 (8)底片的压平误差应在限差以内，压平线的弯曲不应超过0.1mm,(三)航摄成果的验收与移交(四)航片的特点1.航片是地面的中心投影； 2.在同一张航片上，构象比例尺是不均匀的； 3.航片上的影象存在象点的位移和方向的偏差； 4.在一定条件下，航片上的象点坐标可以转换为地面测量坐标系坐标； 5.利用航片可以实现摄影过程的几何反转；(五)航测的测图方法及为道路勘测设计提供的图种1、航测可行性过程 (1)外业 野外控制测量和象片判读调绘 (2)内业 室内控制点加
8、密和测图,2、四种测图方法 (1)综合法 航测+普通测量 (2)分工法 (3)全能法 (4)解析法3、为道路设计提供的图种第二节 室内数据采集一、人工制作 二、地形图像数字化（利用数字化仪、利用扫描图象） 三、栅格图像矢量化 （ GeoScan，GeoStar吉奥之星 )EPSW, CASS, READ 四、数字摄影测量(DPS),思考题：* 正确理解路线CAD中勘测阶段与设计阶段的关系，树立“勘测设计一体化”的思想； * 了解野外数据采集的手段（传统测量、全站仪测量、航空摄影测量、GPS、RS等）及特点； * 全站仪测量的主要内容与过程； * 航空摄影测量的主要内容与过程； * 了解室内数据
9、采集的手段（人工制作、地形图数字化、栅格图象矢量化、数字摄影测量等）及特点； * 了解地形图数字化的方法； * 了解栅格图象矢量化的方法； * 了解数字摄影测量的方法。,第三章 数字地面模型第一节 概述数字地面模型（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与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。,第三章 数字地面模型,1、定义：数模是以数字形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征的空间分布模型，也是地形形状大
10、小和起伏的数字描述。 2、组成：数据的获取、转换、预处理、构网建模、存贮和管理；数模的应用。 3、性能：精度、计算速度、处理的数据量，数据采集工作量、用户界面等,第二节 DTM类型,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）,第二节 DTM类型一、方格网 路中线两侧一定范围内划分成大小相等的方格或长方格、按次读取格网交(节)点的高程。二、带状格网三角网： 鱼骨式：沿路中线及法线方向选取地形点，桩号支距+高程。 随意鱼骨式：几乎路中线法线方向选取地
11、形点，相邻鱼骨线联成三角网。三、区域三角网 TIN（ Triangulation Irregular Networks ） 可包含路线走廊的较大区域的三角网,方格网数模,鱼骨式三角网数模,随意鱼骨式三角网数模,第三节 DTM的构造与高程的插值算法一、方格网 1、构造 2、插值算法双曲抛物面Z=A0+A1x+A2y+A3xyA0=Z1, A1=(Z2-Z1)/dx, A2=(Z3-Z1)dy, A3=(Z1-Z2- Z3+Z4)/(dxdy)3、特点 (1)优点：计算简单，数据组织与管理简单； (2)缺点：不能真实地反映地形；,二、带状格网、三角网(一)鱼骨式 1、构成 2、插值 3、特点 (1
12、)优点：构网简单，插值算法简单，数据量少； (2)缺点：不能很好地反映地形。(二)随意鱼骨式 1、构成 2、插值 3、特点 (1)优点：构网简单，插值算法简单，数据量少，比鱼骨式能更好地反映地形； (2)缺点：仍不能很好地反映地形。,三、区域三角网 1、构成 自动联网 Delaunay(Thiessen)、最小边长和 2、插值 3、特点 (1)优点：能较好地反映地形，插值算法简单，支持路线多方案比选； (2)缺点：构网较复杂，数据处理量大，耗时较长。第四节 DTM的应用 一、输出纵横地面线、平面图 二、3Dface、 3D辅助生成 三、渲染、动画(真三维模型 AutoCAD、3DMax),思考
13、题：数字地面模型是连接勘测阶段与设计阶段的桥梁，是提高设计质量与效率的核心。 * 树立数模在路线CAD中的核心地位的思想； * 了解数模的种类及适用条件； * 了解鱼骨式及随意鱼骨式数模的构网方法； * 掌握方格网数模的构网方法与高程插值算法； * 掌握三角网数模的构网方法与高程插值算法； * 了解数模在路线CAD中的应用。,第四章 平面设计与绘图第一节 平面线形设计的理论方法一、导线法(直线型设计方法) 三单元线法(不完整、不对称的回旋曲线)二、模式法（曲线型设计方法）第二节 平面线形组合设计 一、形式 12种 二、适用性 具体分析,第三节 动态、交互平面设计一、非交互设计 “电算”“非交互
14、”“交互”三个实现的发展阶段；二、交互设计 特点：图形、数据的双向连接，一一对应 动态：实现技术上锦上添花：拖曳、实时变化、所见即所谓，往往是通过分流资源，已提供的函数工具等加以完成。第四节 平面图绘制 包括： 平面线位图 平面设计后即可获得 平面占地图 纵、横断面设计后 平面布置图排水、防护工程等完成,第五节 平面线形优化理论一、原理 变量、约束条件、目标函数的概念二、方法1、动态规划法动态规划法： 把整个路线划分成许多分段，在设法计算出每个分段目标函数值后，利用一种递推关系式一个分段一个分段地推出最优决策，以达到使整个路线最优的结果。 fn(s)=min xn(s)ds,xn(s)fn-1
15、xn(s),式中： n 阶段变量，优化过程中的分段数； s 状态变量，表示路线将在该点(亦即该变量)以前进行优化； xn(s) 决策变量，表示在状态变量S被选定的情况下将对该变量xn(s)进行最优决策； ds,xn(s)目标函数增量，表示由状态变量得到决策变量xn(s)间这一分段的目标函数值； fn-1xn(s)表示从路线起点到决策变量xn(s)之间，共n-1个分段构成的目标函数累计的最小值； fn(s) 目标函数，表示以路线起点到状态变量s为止的共n个路线分段构成的目标函数累计的最小值。目标函数 1、道路的建造费用：土方工程费、人工构造物 2、征地费用； 3、汽车营运费：包括汽车的油耗、磨损
16、和折旧、道路养护费、汽车行驶速度和耗费时间的等效费用。,思考题： * 了解平面线形设计的传统方法（导线法）以及新的曲线型方法的概念； * 掌握改进的导线法设计过程； * 掌握曲线型方法设计基本型、C型、S型等平面线形的原理； * 了解平面线形设计的基本组合； * 了解公路线形最优化设计的基本概念； * 掌握一种方法的平面线形优化设计，并了解优化设计的难点是什么； * 了解路线平面图绘制的类型和基本思路。,第五章 纵断面设计与绘图第一节 动态、交互纵断面设计 一、动态、交互式设计 二、尽可能多地提供信息(平、纵配合，高程约束填挖、土方等积曲线、土方差和累积曲线)第二节 纵断面绘面 一、用户化 可定义图框、纵横比例尺、栏目、格网、线型、颜色、字高、精度、线宽第三节 纵断面优化 一、降维法 二、随机法 三、动态规划法,思考题：* 了解动态、交互式纵断面设计的方法与特点； * 了解几种常见的纵断面线形优化设计方法； * 了解路线纵断面图绘制的特点。,
