《道路路线CAD基础》

1、一九九八年十一月东南大学交通学院程建川Email: 第一章第一章 绪论绪论一、历史一、历史1. 国外国外 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、现状二、现状1. 国外国外1.1 MOSS1.2 CARD/11.3 InRoads of Intergraph1.4 GeoPak ROAD

3、2. 国内国内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第一节 野外数据采集野外数据采

4、集一、传统测量与全站仪一、传统测量与全站仪(Total Station)测量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、二、GPS与与RS GPS(Global Positioning System) 对测量产生了革命性 的影响；GPS系统：1. NAVSTAR/GPS Navigation 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

5、20220公里。耗资200亿美圆。2. GLONASS 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 10-92. 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

6、用广 测量、导航、测速、测时 RS(Remote 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、航测三、航测(一一)象片的获取象片的获取(二二)对航摄的基本要求对航摄的基本要求1、飞行质量、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、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)

7、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1.11.4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(三三)航摄成果的验收与移交航摄成果的验收与移交(四四)航片的特点航片的特点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；(五五)航测的测图方法及为道路勘测设计提供的

8、图种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、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 室内控制点加密和测图2、四种测图方法、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、为道路设计提供的图种第二节第二节 室内数据采集室内数据采集一、人工制作一、人工制作二、地形图像数字化（利用数字化仪、利用扫描图象）二、地形图像数字化（利用数字化仪、利用扫描图象）三、栅格图像矢量化三、栅格图像矢量化 （ GeoScan，GeoStar吉奥之星吉奥之星 ) EPSW, CASS, READ四、数字摄影测量四、数字摄

9、影测量(DPS)思考题：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第一节 概述概述数字地面模型（DTM, Digital Terrain Model）最初是美国麻省理工学院Miller教授为了高速

10、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，也是地形形状大小和起伏的数字描述。 2、组成组成：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：性能：精度、计算速度、处理的数据量，数据采集工作量、用户界面等第二节第二节 DTM类型类型 按数据结构形式分按数据结构形式分 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

11、状分按几何形状分 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）第二节第二节 DTM类型类型一、方格网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、带状格网三角网带状格网三角网：鱼骨式鱼骨式：沿路中线及法线方向选取地形点，桩号支距+高程。随意鱼骨式随意鱼骨式：几乎路中线法线方向选取地形点，相邻鱼骨线联成三角网。三、区域三角网区域三角网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方格网数模鱼骨式三角网数模鱼骨式三角网数模随意

12、鱼骨式三角网数模随意鱼骨式三角网数模第三节第三节 DTM的构造与高程的插值算法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+A3xy A0=Z1, A1=(Z2-Z1)/dx, A2=(Z3-Z1)dy, A3=(Z1-Z2- Z3+Z4)/(dxdy)3、特点(1)优点：优点：计算简单，数据组织与管理简单计算简单，数据组织与管理简单；(2)缺点：不能真实地反映地形；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)优点：构网简单，插值算法简单，数据量少；优点：构网简单，插值算法简单，数据量少；(2)缺点：不能很

13、好地反映地形。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；好地反映地形；(2)缺点：仍不能很好地反映地形。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 比选比选；(2)缺点：构网较复杂，数据处理量大，耗时较长。缺点：构网较复杂，数据处理量大，耗时较长。第四节第四

14、节 DTM的应用的应用一、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)思考题：思考题：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。第四章第四章 平面设计与绘图平面设计与绘图第一节第一节 平面线形设计的理论方法平面线形设计的理论方法一、导线法一、导线法(直线型设计方法直

15、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）二、模式法（曲线型设计方法）第二节第二节 平面线形组合设计平面线形组合设计一、形式12种二、适用性具体分析第三节第三节 动态、交互平面设计动态、交互平面设计一、非交互设计一、非交互设计“电算”“非交互”“交互”三个实现的发展阶段；二、交互设计二、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。第四节第四节 平面图绘制平面图绘制包括：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

16、第五节第五节 平面线形优化理论平面线形优化理论一、原理一、原理变量、约束条件、目标函数的概念二、方法二、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-1xn(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

17、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

18、；* 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第一节 动态、交互纵断面设计动态、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)第二节第二节 纵断面绘面纵断面绘面一、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、线宽第三节第三节 纵断面优化纵断面优化一、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。第六章 横断

19、面设计与绘图第一节第一节 标准横断面定义标准横断面定义路基范围以内路基范围以内：简单路基范围以外路基范围以外：多变第二节第二节 路槽挖除定义路槽挖除定义对称、不对称第三节第三节 边沟、排水沟、挡墙定义及设置条件边沟、排水沟、挡墙定义及设置条件一、经济二、占地、地面横坡第四节第四节 横断面设计与平面图布置、透视图的横断面设计与平面图布置、透视图的关系关系第五节第五节 横断面绘图横断面绘图用户化：格网、注记内容、形式思考题：* 了解标准横断面定义的作用；* 了解挡土墙等构造物定义的作用；* 了解超高、加宽方式的定义；* 了解路基横断面图绘制的特点。第七章 路线透视图的绘制第一节第一节 2D Per

20、sperctive一、原理一、原理用二维表达三维视觉效果屏幕坐标系、视点坐标系、大地坐标系之间的变换关系二、方法二、方法第二节第二节 3D Perspective一、原理一、原理3D Model和DTM关系密切二、方法二、方法对3D Model进行操作、渲染、动画( Render、 Animation、Virtual Reality )思考题：* 了解2D、3D透视图的基本概念；* 了解2D路线透视图与全景透视图的区别；* 了解3D路线模型的生成及其渲染、动化制作的联系及过程。第八章 表格制作表格制作是在几何设计完成的基础上，按要求生成一定带格式的文件，如WPS，CCED，Word，Excel开发相对简单早期开发常见（需针对）直接驱动打印机，绘图仪，现在较流行生成各种检式的文件，打