道路路线cad上课讲义

道路路线CAD概述一、道路CAD总体概貌ComputerAidedDesign是近30年来发展起来的，现在已经在各行各业中广泛应用，缩短工程周期，减少工作强度，提高工程质量。土木工程领域分为两类CAD系统，一主要以数学和力学计算为主的，另一种主要针对绵延在大地上，涉及许多地形、地物的线状建筑物为服务对象。道路CAD的特点：1、与地形地物等自然资料关系密切，必须适应各种数据采集方法。2、设计过程中图形交互性很强。3、输出产品主要是图表。概述二、道路CAD整体结构概述三、软硬件环境1、航测成图设备、全站仪及GPS等。2、计算机、绘图仪等。3、系统软件4、辅助软件，比如扫描矢量化软件，卫星图象解析软件等。5、专业软件概述四、发展概况1、国外软件系统美国InRoads、德国CARD/1、英国MOSS系统。2、国内软件系统同济大学、东南大学、西安一院、武汉二院、海德公司、华杰公司等。概述五、TJRD介绍TJRD是同济大学在80年代开发的道路路线CAD系统,主要进行道路路线的计算机辅助设计,期间经历了许多曲折,目前是3.0版本,新版本尚未完全开发完成,增加了许多新的功能和新的方法。TJRD是完全按照UML技术进行系统设计和统一建模，并且严格使用COM技术进行软件开发的，各个功能部分可以分别提升，可以根据需要进行开展，同时还准备提供API接口，满足用户扩展功能的需要。TJRD软件工程设计一、什么是软件工程设计就是使用软件工程学原理对软件系统进行规划和分析。软件工程学是指导计算机软件开发和维护的学科，它采用工程的概念、原理，将当前最好的方法和技术结合起来，在软件系统的开发过程当中占有很重要的地位。解决了软件开发和维护中出现的软件危机。二、软件工程设计方法概述1、软件生命周期法(SoftwareLifeCycle)。2、原型法(Prototyping)3、面向对象技术(ObjectOriented)4、独立建模语言UML(UnifiedModelingLanguage)5、面向对象的开发语言(VC++)软件生命周期法(SoftwareLifeCycle)软件生命周期指从软件的立项开发到软件最终消亡的全过程。主要包括可行性研究、需求分析、总体设计、详细设计、编码、测试、运行和维护等几个阶段。传统的瀑布模型是该方法的管理模型。每一个阶段结束都必须交出规定的文档资料，作为下一阶段的依据。遵循的设计准则：认识抽象、模块化、信息屏蔽和局部化、结构化程序设计、软件规范。缺乏灵活性，很难面对和处理软件开发中存在的各种风险，按照现代工业的工程化生产模式，规定了严格的开发过程和阶段，忽略了软件开发本身的特殊性，过于理想化。原型法(Prototyping)首先根据基本的需求，迅速构造一个系统原型，运行原型系统，进行评价提出修改意见，根据新需求，再实现新一轮的系统原型，重复上述步骤，直到实现满意的最终系统。与传统瀑布法不同的地方是在开发过程中引入用户评价。原型是系统的一种简化表示，虽然不是完整的最终系统，但具有系统的重要特征，即系统功能、系统复杂性、用户接口、简化的数据结构、原型性能、坚固性、硬件和工具集。面向对象技术(ObjectOriented)的思维方法面向对象的方法是目前应用比较流行的方法，它的含义是建立在现实世界基础上的，所形成的方法就是面向对象的软件开发方法，它主要特征就是抽象、封装、继承、关联。什么是对象，什么是类，这是一个关键问题，比如高速公路、城市道路、其他道路等都是道路，前者是对象，后者是类，如果定义了道路这个类，就可以继承除所有其他的子类。统一建模语言UML(UnifiedModelingLanguage)UML是一种标准的图形化建模语言它是面向对象分析与设计的一种标准表示它不是一种可视化的程序设计语言而是一种可视化的建模语言。不是工具或知识库的规格说明而是一种建模语言规格说明是一种表示的标准不是过程也不是方法但允许任何一种过程和方法使用它。类图(ClassDiagram)描述类和类之间的静态关系。与数据模型不同,它不仅显示了信息的结构,同时还描述了系统的行为。类图是定义其它图的基础。在类图的基础上,状态图、合作图等进一步描述了系统其他方面的特性。类和对象对象(Object)与我们对客观世界的理解相关。我们通常用对象描述客观世界中某个具体的实体。所谓类(Class)是对一类具有相同特征的对象的描述。而对象是类的实例(Instance)。建立类模型时,我们应尽量与应用领域的概念保持一致,以使模型更符合客观事实,易修改、易理解和易交流。面向对象的建模语言(VC++)工作步骤：OOP的思想建立模型-------

UML将它们表现出来--------

VC++开发语言实现功能-----------数据模型及数据结构数据模型和数据结构是道路CAD的重要基础，只有设计合理的模型和结构才能使CAD系统灵活、高效，发挥出应有的效果，特别是在三维设计和虚拟现实可视化应用中是非常重要的，根据多年的实践和应用，目前我们已经定义了一套高效的道路计算机辅助应用数据模型和数据结构，这方面的研究还在不断发展和完善之中，主要包括A地形表面数据、B道路三维设计数据、C附属结构物设计数据和D其他相关数据等内容，下面就其中的几个模型和结构做简单的介绍。A地形表面数据-DTM数字高程模型（DigitalElevationModel缩写为DEM）自1956-1958年由美国麻省理工学院的ChairsL。Milter教授提出后，已在理论研究和应用实践方面有了很大的进展。用DEM数据可以直接生成等高线图、确定地面点的通视情况及绘制通视图、坡度图、地形透视图、地形断面图以及进行土方量计算等等；配合其它数据在农业、林业、交通上可进行土地评价、道路选线、导航控制、生产影像地图、遥感制图等。A地形表面数据-DTMA地形表面数据-DTMA地形表面数据-DTMclassDLLaTinPoint//DTM的数据点{public: doubleX,Y,Z;

BOOLIsCanBeSeen; aTinPoint(); virtual~aTinPoint();};classDLLaTinFace//DTM的面{public: longP1,P2,P3;BOOLIsCanBeSeen; aTinFace(); virtual~aTinFace();};ID点X坐标点Y坐标点Z坐标11127.9714.880925920.55……………………ID1点号2点号3点号1523……………………Dtm.MDB数据库B道路三维设计数据B道路三维设计数据B道路三维设计数据道路三维数据包含平、纵、横三个方面，还包括其他信息，这里主要介绍前三种信息。

classDLLRoadProject{public:CStringMdbBaseName;CArray<aRoute*,aRoute*>aRoutes;BOOLOpenRoadPproject(CStringDataBaseName);RoadProject();virtual~RoadProject();};1、道路项目管理一个道路项目包含有一个以上的道路，比如立交等，要能够管理好这些道路，必须提供一种项目的概念，在项目的概念下再管理一条条道路。1、道路项目classDLLRoadProject{public:CStringMdbBaseName;CArray<aRoute*,aRoute*>aRoutes;BOOLOpenRoadPproject(CStringDataBaseName);RoadProject();virtual~RoadProject();};2、单条道路classDLLaRoute{public:doubleCap_1(doubleSta,inti);doubleGetDesignHgFromStation(doubleSta);intGetStationIndexFromSK(doubleSta);a3DPointGetXYFromStation(doubleSta);//获得X,Y,F//intGetStationIndexFromSK(doubleSta);aSkPointGetXYZFromStation(doubleSta);//获得X,Y,ZvoidReadSK(CStringMDBName,intFileN);voidReadLIP(CStringMDBName,intFileN);//voidGetPointsArrayFromaSkPoints(doubleDis,CArray<a3DPoint,a3DPoint&>PointXYS);CStringRouteName;CArray<aSkPoint,aSkPoint&>aSkPoints;

CArray<hSegment*,hSegment*>aJdPoints;//平面资料CArray<aLipPoint,aLipPoint&>aLipPoints;//纵断面资料//CArray<aStationPoint,aStationPoint&>aVSZPoint;aRoute();virtual~aRoute();aRoute&operator=(aRoute&src);};2、中心线定义道路线形的三种基本线元：直线、圆曲线和回旋线组合成各种复杂的道路线形，它们可以用一种统一的表达：

K(S)=a×S+b其中：K(S)为距起点曲线长度为S处的曲率，其有正负之分，规定沿道路前进方向，曲线左转曲率为正(K>0)，右转为负(K<0)，a，b为两个常数，有：当a=0，b=0时,K(S)=0表示该线元是一段直线；当a=0，b‡0时,K(S)=b(常数)，表示该线元是一段圆曲线；当a‡0，b‡0时,K(S)=a×S+b，表示该线元是一段缓和曲线；其中，S为P点距起点的曲线长度，以上就是道路中心线的几何样条表达，以此可以建立道路中心的计算模型。2.1、SK模型classDLLaSkPoint{public:voidset2(doublez,doubleicpz,doubleicpy,doublewdz,doublewdr);intIsSelected;voidset(doubles1,doubles2,doublef1,doublef2,doublek1,doublek2,doublex,doubley); doubleicpL,icpR,wdL,wdR;//左右超高 doubleZ; doubleY; doubleX; doubleK2; doubleK1; doubleF2; doubleF1; doubleMarkStation; doubleRealStation; aSkPoint(); virtual~aSkPoint();};2.2、hSegment模型classDLLhSegment{public:aSkPointaJdStart,aJdEndst;hSegment();virtual~hSegment();CArray<aSkString,aSkString&>aSkStrings;CArray<aSkPoint,aSkPoint&>aSkPoints;CArray<a3DPoint,a3DPoint&>PlinePoints;voidset(doubleaLs1,doubleaR,doubleaLs2,intflg);doubleR,Ls1,Ls2,T,E;//暂时intClockFlg;CArray<aSkPoint,aSkPoint&>aJdXYPoints;};Lxsj.MDB数据库数据获取及数模技术一、数据采集采集地面上的地形、地物、地质等数据资料，建立数字地形模型是道路CAD的基础。采集数据的方法有：传统的测量方法；利用光电测距仪、全站仪等现代化测量仪器进行地面速测；利用已有地形图数字化；航空摄影与遥感方法；GPS技术；GIS技术；卫星照片等。数据获取及数模技术1、测地形图数据获取及数模技术2、测导线偏角和交点间距3、测纵断面横断面地面线数据获取及数模技术数据获取及数模技术二、数模技术1、数模的概念数字高程模型（DigitalElevationModel缩写为DEM）自1956-1958年由美国麻省理工学院的ChairsL。Milter教授提出后，已在理论研究和应用实践方面有了很大的进展。用DEM数据可以直接生成等高线图、确定地面点的通视情况及绘制通视图、坡度图、地形透视图、地形断面图以及进行土方量计算等等；配合其它数据在农业、林业、交通上可进行土地评价、道路选线、导航控制、生产影像地图、遥感制图等。数据获取及数模技术数据获取及数模技术2、地形的特征人们把地形分为四类，典型单点、边界线、构造线和断裂线，进一步分类，可以分为散点和断裂线。3、数模的精度点的分布、点的密度、采点精度4、内插方法整体内插、局部内插、逐点内插。5、数模的表现形态散点数模、三角网数模、格网数模6、数模的建立7、数模的索引8、数模的应用数模的简单构造技术目标：使用VB/VC在AutoCAD下面使用散点建立基本的DTM[不规则三角网TIN(TriangularIrregularNet)简称TIN]在所有的构网原则中Delaunay三角网(D-三角网)是最优的。基本原理：1、空外接圆原理：每个D-三角形外接圆均不包括点集的其他任意点；2、最大顶角原理：点集所形成的三角网中，D-三角形中最小角度是最大的。数据来源：航测、地形图、野外测量等。建网方案：准备数据四个辅助点向中心扩展删除辅助边建立索引各种应用建网方案：第1步：建网方案：第2步：建网方案：第3步：建网方案：第4步：编写程序：1、VB方式：TINPOINT.CLSPublicXAsDouble,YAsDouble,ZAsDoublePublicIsDelectedAsBoolean,PointTypeAsIntegerTINEDAGE.CLSPublicFirstPointAsInteger,EndstPointAsInteger'端点序号PublicIsDelectedAsBoolean,SideFlgAsInteger'标识在哪一边找点PublicIsOffsetAsBoolean'是不是向外扩展PublicIsSelfEdageAsBoolean'该边是不是虚拟边PublicIsBarryEdageAsBoolean‘该边是不是边界TINNET.CLSPublicFirEdageAsNewTINEdage,SecEdageAsNewTINEdage,ThrEdageAsNewTINEdage编写程序：2、VC方式：道路中心线设计技术一、中心线线元的数学表达道路线形的三种基本线元：直线、圆曲线和回旋线组合成各种复杂的道路线形，它们可以用一种统一的表达：

K(S)=a×S+b其中：K(S)为距起点曲线长度为S处的曲率，其有正负之分，规定沿道路前进方向，曲线左转曲率为正(K>0)，右转为负(K<0)，a，b为两个常数，有：当a=0，b=0时,K(S)=0表示该线元是一段直线；当a=0，b‡0时,K(S)=b(常数)，表示该线元是一段圆曲线；当a‡0，b‡0时,K(S)=a×S+b，表示该线元是一段缓和曲线；道路中心线设计技术二、线元上点的参数表示其中，S为P点距起点的曲线长度，以上就是道路中心线的几何样条表达，以此可以建立道路中心的计算模型。道路中心线设计技术针对三种不同的线元，可以到出上面的具体计算方法，在实际使用中可以选择使用。道路中心线设计技术三、道路中心线的边界约束道路中心线设计技术四、道路中心线曲线要素计算道路中心线设计技术道路中心线设计技术道路中心线设计技术道路中心线设计技术道路中心线设计技术五、单交点曲线设计方法1、交点方法JD0JD1JD2JD3RLs1Ls2T1=T2=道路中心线设计技术2、边界约束S1,X1,Y1,K1,F1S2,X2,Y2,K2,F2S3,X3,Y3,K3,F3S4,X4,Y4,K4,F4SK点表示各点道路纵断面设计技术纵断面设计主要提供初始方案的形成以及灵活的人机交互设计功能。应用数字地形模型获得纵断面地面线->初拟设计方案->人机交互修改->纵断面设计成果->各种应用道路纵断面设计技术道路横断面设计技术横断面设计主要通过自动“戴帽”，完成边坡设计，然后进行人工修改，其中对标准横断面的表达是比较困难的。道路横断面设计技术道路三维及虚拟现实技术1、目的和意义6、三维道路设计技术2、主要应用介绍7、AutoCAD高级开发技术3、道路三维建模技术8、OpenGL/VC++技术4、效果图与动画技术MultigenCreator与Vega5、道路虚拟实时驱动技术1、目的和意义

虚拟现实技术是道路工程高新技术之中的重要内容。虚拟现实(VirtualReality－VR)，有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界(VirtualWorld)的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真，因而一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环境，与现有的仿真区别在于被试不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数,而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用，所以虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术，在军事、土木、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。道路虚拟现实技术

道路规划设计项目的技术论证、道路设计、道路安全、环境影响评价。除此之外，在道路施工、交通诱导、交通管理、驾驶员培训、事故再现等方面虚拟现实技术都可以有广泛的应用，其技术和经济效益都有重要的意义。

以道路设计为例：道路设计的目标是满足道路经济性、安全性和舒适性的要求，目前的道路CAD系统仅从具体工作层面（计算、绘图）上进行设计，并不能对设计过程进行分析和评价，缺乏对设计过程的支持。

应该通过道路虚拟模型，结合汽车动力学模型、驾驶员模型、道路环境模型对道路设计方案进行反复虚拟研究。1、目的和意义道路虚拟现实技术（1）数据获取技术指利用研究区域的基础资料,采用野外测量、地形图数字化、全数字摄影测量等方法，获取研究区域的地理数据，包括数字高程模型、建筑外表结构与纹理数据等。三维源数据的数据模型及数据存储格式与获取方法、应用软件系统有关。（2）三维实体快速建模技术指根据采集到的数据,利用建模软件建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面、树木、草地等在虚拟现实系统中的模型。（3）仿真技术建立虚拟仿真环境,实现研究区域的真实环境再现以及规划环境的预见。（4）接口技术包括DEM数据、矢量数据的转换；虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及国家空间数据标准格式转入为虚拟现实系统的格式。（5）集成技术将遥感、GIS、科学计算可视化系统、VR系统进行集成。1、目的和意义道路虚拟现实技术虚拟驱动----小试验车的简单描述道路虚拟现实技术2、主要应用介绍虚拟驱动----驾驶行为的初步模拟道路虚拟现实技术2、主要应用介绍虚拟驱动----汽车碰撞的模拟道路虚拟现实技术2、主要应用介绍虚拟驱动----交通标志和树木的表现道路虚拟现实技术2、主要应用介绍虚拟驱动----对贴图的处理道路虚拟现实技术2、主要应用介绍道路虚拟现实技术2、主要应用介绍三维设计技术道路虚拟现实技术2、主要应用介绍三维设计技术道路虚拟现实技术动画系统实时驱动系统三维建模为核心AutoCADCREATOR3DMAX驱动引擎OPENGLVEGA3、道路三维建模技术道路虚拟现实技术真正道路三维设计道路景观设计主要交通状态模拟交通安全模拟道路方案评价和选择车辆运行状态模拟道路几何交通环境景观采集和建模3、道路三维建模技术道路三维模型技术道路几何设计交互三维模型建立LXSJ.MDB地形模型建立DTM.MDB各种应用3、道路三维建模技术道路三维模型技术1平面设计2纵断面设计3建立三维线位4设计路面5放边坡，做桥台8护拦，防撞墙9交通标志标线6与地面模型融合7地形模型修饰10成品输出3、道路三维建模技术1平面设计------计算任意点XYFS1,X1,Y1,K1,F1S2,X2,Y2,K2,F2S3,X3,Y3,K3,F3S4,X4,Y4,K4,F4SK点表示各点-SK模型（前面已介绍）2纵断面设计--------计算任意点的高程3建立三维线位-----生成三维边线和中心线三维道路设计技术研究道路实时技术道路效果图技术与表现3DSMAX、AutoCAD和多媒体技术的综合应用

1三维形体的创建三维形体的创建是根据设计人员提供的设计图和有关资料，将2D的图形转化为3D模型。建模的过程对形体比例、尺寸要求非常严格，仅使用3DSMAX制作起来较困难，而AutoCAD在这方面具备优势，为此，将3DSMAX和AutoCAD结合起来，直接将AutoCAD生成的电子文件导入3DSMAX是建模的最简便途径。在3DSMAX中，首先进行所需系统单位的设定。在Top试图中将AutoCAD文件导入3DSMAX，然后，根据导入的AutoCAD文件描画出形体的路径。使用EditSpline编辑修改器修改样条曲线，对路径的结点进行精细调整，直到与导入的图形重合。随后，用同样的方法创建物体的横截面（剖面），定义对象的参数，再对它进行编辑修改、变换、扭曲等等。对形体进行放样，使之成为立体模型。3DSMAX、AutoCAD和多媒体技术的综合应用

上述方法非常适用于公路、桥梁、轻轨、铁路等三维图像的制作。如果根据平、立、剖面图制作室内外建筑模型，就要使用3DSMAX中Creat面板中的Grometry和Shapes工具生成形体。这样建成的模型尺寸、比例严格，误差率低。需要注意的是要尽可能减少物体的步数，以减轻系统负担。对于模型曲线的光滑程度来讲，高的步数设置可以产生较光滑的曲线；对于由曲线生成的面来讲，高的步数设置产生较多的面。较多的面需要大量的存储空间，更重要的是渲染时间长，这会降低工作效率。因而在满足图形质量要求的前提下，应尽量减少面数。有效地降低物体和样条曲线步数的方法有多种，主要有调整Interpolation的参数和使用EditableMesh编辑器。所有形体都包含名为Interpolation的参数卷展栏，这个卷展栏中的三个参数控制着每一个样条曲线的步数。使用EditableMesh塌陷功能堆栈也是降低步数的有效方法，在塌陷之前一定要确认样条曲线和形体精确无误，因为塌陷之后就不能返回修改。2通过材质和灯光创建真实的三维空间创建令人信服的材质要求表面纹理、凹凸性、亮度以及能给予材质深度感和触觉的光线等方面都要有随机性。例如，天空应能表现出真实的色彩，而水要有一种湿的感觉，这通常与光亮度有关。材质定义从材质类型开始，例如从Standlarel,Multisub-Sbject或Raytracing开始，接下来的层级结构与材质的类型有关。标准材质中的双面材质、基本参数、扩充参数、贴图、动态属性等均可由多种材质组成。在定义材质时，可通过Material/MapNavigator（材质/贴图导航器）以图形的方式显示材质的层级结构。在对材质动画进行编辑时，可以在轨迹视图中显示材质的层级结构。为了增强场景的真实感，使用Noise、Smoke、Cellular和Dents的过程贴图来增加一些细微和明显的表面破损，能产生一种真实的外观。过程贴图是根据参数的数学运算结果产生的图片，其中一些用于独立地定义木材、烟、拉毛、水泥、大理石、水等材质。另一些用于细化或增强材质的效果，象镜面、薄墙折射、RGB色调、合成和光线追踪等，可以使用Adobephotoshop和Premiere外挂模块做为过程贴图。优秀的三维渲染图如同一幅美术作品，环境与气氛的营造非常重要。灯光的位置往往是颇费周折的地方，灯光的运用既要体现出形体的质感又要烘托出环境的气氛，光源的数量，环境光与主光的强弱需要反复调整到最佳状态。3DSMAX中的许多内置灯光类型几乎可以模拟自然界中的每一种光，也可以创建仅存在于计算机图形学中的虚拟现实的光。其中有灯光对象类型有目标聚光灯、自由聚光灯、自由平行光灯及泛光灯。这些是在三维场景中可以放置和移动的三种有形的光源。它们包含一般光源的控制参数，修改参数可以达到不同的效果。模仿剧场照明效果，在场景中远距离使用不同颜色的低亮度泛光灯作为辅助光，可以将阴影效果投射并混合在模型上。你可能选择使用一个泛光灯来代替几个聚光灯和平行光灯。平行光灯就象一个太阳，当光线投射阴影时，阴影的角度就是照射到对象的光线与地面所成的角度，当你把一个表面平行的对象紧挨着放在一起时，这种效果最为明显。平行光在一定程度上是传统的平行光灯和聚光灯的混合。平行光灯和聚光灯一样也有聚光区和散光区，这些可用来控制在场景中计算阴影的范围以及散光区的范围。3调整摄像机和背景贴图得到理想的渲染图建筑物是渲染图的主体，但背景的制作同样重要。如果任意安上一个背景，效果看起来很漂亮，但会产生喧宾夺主之感。在哈尔滨立交桥渲染图的制作过程中，设计人员和客户一同深入现场，拍摄了大量的照片，调整模型中的摄像机角度、焦距和光圈大