《第一章引言》word版

1、第一章引言食占-r-r-己l一全.多刁刁，二F.m R1.1論文研究背景 隨著我國公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，一級、高速公路的數(shù)量不斷增多，公路勘測設(shè)計的任務(wù)也日益繁重。目前，公路計算機輔助設(shè)計技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公路設(shè)計中，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 公路測設(shè)分為勘測(外業(yè))和設(shè)計(內(nèi)業(yè))兩大環(huán)節(jié)，勘測的首要任務(wù)是地形數(shù)據(jù)的獲得。傳統(tǒng)的公路測設(shè)方法是將勘測工作分解成平、縱、橫三個部分分別測量，這等于是將一項工程人為地分為三個部分，三部分數(shù)據(jù)之間缺乏內(nèi)在聯(lián)系，特別是橫斷面數(shù)據(jù)本身也無內(nèi)在聯(lián)系。設(shè)計過程中亦是根據(jù)這三部分數(shù)據(jù)分別進行設(shè)計，再考慮平、縱、橫的協(xié)調(diào)問題。工程的設(shè)計方案及整體效果僅憑設(shè)計者

2、的經(jīng)驗決定，在設(shè)計中存在較大的隨意性，難以達到設(shè)計成果的最優(yōu)化。另外有些單位的公路測設(shè)主要采用人工模擬圖解的方法測繪大比例尺地形圖，然后從圖上讀取或用數(shù)字化儀采集地形數(shù)據(jù)進行初步設(shè)計;在施工圖階段，則通過野外實測的方式采集數(shù)據(jù)。從而使得設(shè)計費工費時、效率低下。 隨著計算機技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地面模型的理論和方法日益成熟，數(shù)據(jù)采集技術(shù)和手段也獲得了極大的發(fā)展，為數(shù)字高程模型(DEM)在公路工程中的應(yīng)用提供了理論和實踐基礎(chǔ)。通常所講的數(shù)字地面模型仁DTM)是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)，它除了包括地形信息，還有一些非地形信息，如資源、人口、地質(zhì)等信息。而在公路勘測設(shè)計中主要是關(guān)心某點的高程，因此作為數(shù)字

3、地面模型子集的數(shù)字高程模型仁DEM)由于信息量少、簡單易建，可以廣泛用于道路輔助設(shè)計系統(tǒng)中。 一些發(fā)達國家在公路三維設(shè)計方面起步較早，經(jīng)過長時間的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套基于三維數(shù)字地面模型的三維測設(shè)方法。我國由于近幾年才開始大規(guī)模公路建設(shè)，在公路三維測設(shè)技術(shù)方面還相當(dāng)落后，目前國內(nèi)的公路設(shè)計軟件普遍缺乏數(shù)字高程模型的支持，特別是在數(shù)模精度控制方法上研究的較少，一些高校和科研機構(gòu)曾經(jīng)進行過這方面的研究和探討，但都未能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。 吉林大學(xué)工程碩士論文1.2論文研究的目的和意義 公路三維設(shè)計是在數(shù)字高程模型上，設(shè)計者按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，去完成指定的工程模型的設(shè)計工作的設(shè)計方法。由這個工程模型及

4、數(shù)字高程模型可真實地模擬出工程的真實透視效果，以便進行造型及工程美學(xué)評價。在此基礎(chǔ)上可隨意、方便地進行各種剖切，得到各種具有細部幾何尺寸的剖面圖，指導(dǎo)工程的施工。數(shù)字地面模型的建立，使線狀和面狀工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計方案優(yōu)化成為可能，使工程設(shè)計方案達到技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)最優(yōu)成為可能，從而為業(yè)主節(jié)省可觀的建設(shè)費用。另外，不會因為設(shè)計方案的變更而要求重新進行大量艱苦的外業(yè)勘測工作，可大大的減少設(shè)計投入，縮短設(shè)計周期，提高了工程設(shè)計咨詢企業(yè)的市場競爭力。 正是由于三維公路設(shè)計存在著得天獨厚的優(yōu)越性，早在七十年代就被發(fā)達國家普遍采用，而且以極其旺盛的生命力在不斷普及、發(fā)展與提高。特別是進入九十年代，隨著計算機軟硬件

5、技術(shù)日新月異的發(fā)展，更為公路三維設(shè)計技術(shù)提供了騰飛的翅膀，公路三維設(shè)計取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計將是歷史的必然。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)字化是在20世紀(jì)50年代電子計算機出現(xiàn)后才提出的新概念，而數(shù)字高程模型仁DEM)的概念在1958年被提出。到了今天，數(shù)字高程模型作為地球表面地形的數(shù)字描述和模擬已成為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和“數(shù)字地球”的重要組成部分。幾十年來對數(shù)字高程模型的研究方興未艾、十分活躍。從1972年起，國際攝影測量與遙感學(xué)會仁ISPRS )一直將DEM作為主體，組織工作組進行國際性合作研究。隨著科學(xué)技術(shù)特別是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，在DEM的數(shù)據(jù)獲取方法、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理速度等方面已經(jīng)取得突破性

6、進展。目前在美、英、德等發(fā)達國家，DEM作為數(shù)字地形模擬的重要成果已經(jīng)成為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)的基本內(nèi)容之一，并被納入數(shù)字化空間數(shù)據(jù)框架仁DGDF )進行規(guī)范化生產(chǎn)三。 在我國，公路三維設(shè)計方法的運用起步較晚，雖然近年來一些院校及設(shè)計單位對數(shù)字高程模型的理論研究取得了可喜的成果，在運用數(shù)字高程模型進行 第一章引言工程設(shè)計的實現(xiàn)方法上做了大量的工作，但由于規(guī)范的滯后，特別是數(shù)字高程模型精度的控制、數(shù)據(jù)采集的技術(shù)要求、模型精度的評價方法等還存在一些問題，使之成為公路三維設(shè)計方法普及與應(yīng)用的一大障礙，隨著計算機、RTK等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，采集方法的的變革，這種矛盾更加突出。1.4本文的主

7、要工作 因此，針對以上問題，本人作為主要參加人員深入到吉林省公路勘測設(shè)計院的課題項目中進行研究，在論文進行過程中主要做了以下幾方面工作: 1)研究在不同地形條件下仁平原區(qū)、丘陵區(qū)、山嶺區(qū)、混合地形區(qū))，使用不同的數(shù)據(jù)采集方式仁水準(zhǔn)儀、全站儀、RTK.GPS)獲取地形數(shù)據(jù)，對其進行精度分析，解決針對不同的工程需求宜采用的經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)采集方式; 2)通過獲取的必要原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)學(xué)分析，用以研究在不同的地形條件下原始數(shù)據(jù)的精度、密度和分布對DEM精度的影響; 3)利用檢查點法對不同測設(shè)等級下所形成的DEM進行精度評定; 4)檢驗RTK. GPS在不同地形、不同衛(wèi)星狀況、不同距離的條件下所能達到的

8、可靠性、平面與高程的精度要求，研究滿足不同測量精度要求的實施方案，實現(xiàn)效率與效益最優(yōu)化。 通過對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析，進行精度評價，希望提出一套完整的應(yīng)用于公路勘測設(shè)計中的數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)采集方法仁特別是運用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，作為公路地理信息系統(tǒng)(GIS)中獲取空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的先進手段)、技術(shù)要求及指標(biāo)控制，這樣對于實現(xiàn)公路勘測設(shè)計的自動化和數(shù)字化、推進公路三維設(shè)計方法的普及與應(yīng)用無疑具有重大而深遠的意義。吉林大學(xué)工程碩士論文第二章數(shù)字高程模型(DEM)基本理論與方法2.1數(shù)字高程模型(DEM)的概念 數(shù)字地面模型DTM (Digital Terrain Model)是利用一個任意坐標(biāo)場

9、中大量選擇的已知X, Y, Z的坐標(biāo)點對連續(xù)地面的一個簡單統(tǒng)計表示，簡而言之，DTM就是地形表面簡單的數(shù)學(xué)表示'7。數(shù)字地面模型更通用的定義是描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列，從數(shù)學(xué)的角度，可以用下述二維函數(shù)系列取值的有序集合來概括地表示數(shù)字地面模型的豐富內(nèi)容和多樣形式: Kp=fk (up,vP) (k=1,2,3, . . . ,m; p=1,2,3, . . . n) (2-1)式中:K。為第p號地面點仁可以是單一的點，但一般是某點及其微小鄰域所劃定的一個地表面元)上的第k類地面特性信息的取值;(uP,vP)為第p號地面點的二維坐標(biāo)，可以是采用任一地圖投影的平面坐標(biāo)

10、，或者是經(jīng)緯度和矩陣的行列號等;m (m大于等于1)為地面特性信息類型的數(shù)目;n為地面點的個數(shù)。當(dāng)上述函數(shù)的定義域為二維地理空間上的面域、線段或網(wǎng)絡(luò)時，n趨于正無窮大;當(dāng)定義域為離散點集時，n一般為有限正整數(shù)。例如，假定將土壤類型編作第i類地面特性信息，則數(shù)字地面模型的第i個組成部分為: lp=f (up,vP) (p=1,2,.,n) (2-2) 在式(2-1)中，當(dāng)m二1且fl為對地面高程的映射，(UP, VP)為矩陣行列號時，式(2-2)表達的數(shù)字地面模型即所謂的數(shù)字高程模型(DigitalElevation Model，簡稱DEM)。顯然，DEM是DTM的一個子集。實際上，DEM是DT

11、M中最基本的部分，它是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達。DEM是表示區(qū)域D上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式描述為: L幾=(X,，藝，Z,)(2-3)式中:X, ,藝是平面坐標(biāo)，Z，為、X, ,藝)對應(yīng)的高程，i=1, 2, "", n。在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，DTM與DEM在特定情況下不作區(qū)分。 DEM即數(shù)字高程模型，它是地理空間定位的數(shù)據(jù)集合，最初是由美國麻省 第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法理工學(xué)院Miller教授為了進行高速公路的自動設(shè)計于1956年提出來的。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，DEM也經(jīng)歷了一個循序漸進的過程。對它的研究和應(yīng)用主要經(jīng)歷了四個時期:20

12、世紀(jì)50年代中到60年代初是DEM概念形成時期，當(dāng)時DEM一般應(yīng)用于土木水利工程和地圖測繪;從60年代中期開始對DEM內(nèi)插問題進行了大量的研究，如Schut提出的移動曲面擬合法，Arthur, Hardy提出的多面函數(shù)內(nèi)插法，Kraus和Mikhail提出的最小二乘內(nèi)插法及Ebner等提出的有限元內(nèi)插法，這個時期隨著數(shù)據(jù)庫和遙感技術(shù)的發(fā)展，一些發(fā)達國家在機助制圖的基礎(chǔ)上，逐步建立起國家范圍和區(qū)域范圍內(nèi)的地理信息系統(tǒng)，DEM作為標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品也開始大規(guī)模的生產(chǎn);70年代中、后期對采樣方法進行了研究，其代表為Makarovic提出的漸進采樣及混合采樣;80年代以后，對DEM的研究已涉及到D

13、EM系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，其中包括用DEM表示地形的精度、地形分類、數(shù)據(jù)采集、DEM的粗差探測、質(zhì)量控制、DEM的數(shù)據(jù)壓縮、DEM應(yīng)用以及不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的建立與應(yīng)用等。近年來隨著空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和“數(shù)字地球”戰(zhàn)略的實施，更加快了DEM與地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)等的一體化進程，為DEM的應(yīng)用開辟了更廣闊的天地。2.2數(shù)字高程模型(DEM)的特點 與傳統(tǒng)地形圖比較，DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達形式有如下特點: 1)容易以多種形式顯示地形信息 地形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機軟件處理后，產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖;而常規(guī)形圖一經(jīng)制作完成后，比例尺不容易改變，如要改變比例尺或者要繪制其他形式的

14、地形圖，則需要人工處理; 2)精度不會損失 常規(guī)地圖隨著時間的推移，圖紙將會變形，失掉原有的精度，而DEM采用數(shù)字媒介因而能保持精度不變。另外，人工方法由常規(guī)的地圖制作其他種類的地圖，精度會受到損失。而由DEM直接輸出，精度可得到控制且不會損失; 3)容易實現(xiàn)自動化、實時化 常規(guī)地圖要增加和修改都必須重復(fù)相同的工序，勞動強度大而且周期長，不利于地圖的實時更新;而DEM由于是數(shù)字形式的，所以增加或改變地形信息 吉林大學(xué)工程碩士論文只需將修改信息直接輸入到計算機，經(jīng)軟件處理后立即可實時化地產(chǎn)生各種地形圖。 概括起來，數(shù)字高程模型具有以下顯著的特點:便于存儲、更新、傳播和計算機自動處理;具有多比例尺

15、特性，如1米分辨率的DEM自動含蓋了更小分辨率如10米和100米的DEM內(nèi)容;特別適合于各種定量分析與三維建模。2.3數(shù)字高程模型(DEM)的應(yīng)用 DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達形式所具有的特點決定了DEM在勘測、攝影測量與遙感、地球科學(xué)、制圖、土木工程、地質(zhì)、礦業(yè)工程、地理形態(tài)、軍事工程、城市規(guī)劃、通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，而且不斷開拓新的領(lǐng)域。 數(shù)字高程模型在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用潛力巨大。傳統(tǒng)的公路設(shè)計不僅需要大量費時費力的野外勘測工作，而且所設(shè)計出的公路還不可避免地具有以下幾個方面地缺陷:設(shè)計的方案不一定是經(jīng)濟、技術(shù)上的最優(yōu)的;方案受人的主觀影響較大;工作強度大，設(shè)計工作繁瑣。 在數(shù)字

16、高程模型建立以后，不僅可以用于路線的優(yōu)化，還可以用于路線設(shè)計、三維可視化、公路仿真等領(lǐng)域。具體應(yīng)用描述如下: 1)利用數(shù)字高程模型進行路線優(yōu)化設(shè)計 路線的優(yōu)化設(shè)計有兩種情況:迭代尋優(yōu)和方案比選。考慮到目前的情況，后者在實際應(yīng)用中比較多見。對迭代尋優(yōu)，隨著優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，也得到了一定的應(yīng)用。但不管哪種優(yōu)化方式，數(shù)字高程模型都是為每個可行的方案提供內(nèi)插縱、橫斷面地面線數(shù)據(jù)。在數(shù)模的支持下，設(shè)計人員可以在不需要作進一步測量的情況下，就可以自動得到地形數(shù)據(jù)，從而進行路線平、縱優(yōu)化，找出最佳路線方案3 2)數(shù)字高程模型在路線CAD系統(tǒng)中的應(yīng)用 將數(shù)字高程模型用于路線CAD系統(tǒng)是數(shù)模的主要目的之一，主要體

17、現(xiàn)在以下幾個方面: 一方面公路設(shè)計者可利用數(shù)字高程模型產(chǎn)生的地形圖，在其上進行選線、定線工作，在這個過程中，計算機可以根據(jù)試定的平面線形，自動產(chǎn)生縱斷面地面線，作為定線的依據(jù)。 第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法 另一方面，在平面線形確定的基礎(chǔ)上，計算機可自動從數(shù)模中內(nèi)插出縱斷面地面線和橫斷面地面線，供縱斷面、橫斷面設(shè)計使用。 3)三維可視化設(shè)計 利用數(shù)字高程模型生成地表面三維模型，再利用輔助設(shè)計的結(jié)果生成路線的三維空間模型，前后兩個模型疊加后，利用相關(guān)軟件消隱、著色、渲染及動畫處理等技術(shù)，就可生成整個路線的三維實體仿真模型，設(shè)計者的意圖將被表達的更直觀和完整，設(shè)計方案的優(yōu)劣也將展示的

18、更清晰。由DEM制作的立體透視圖、立體等高線圖等，從而使得所設(shè)計公路不僅滿足技術(shù)上的要求，而且線形優(yōu)美符合人類工程學(xué)的要求。此外，還可用于評估道路對環(huán)境的影響。 4)面積和體積的計算 利用數(shù)字高程模型(DEM)可以很方便地制作任一方向上的地形剖面，可用梯形法、辛普森法等來計算剖面面積。另外由DEM可以求出地表面積，地表面積的計算可看作是其所包含各個網(wǎng)格的表面積之和，若網(wǎng)格只有特征高程點或地性線，則可以將小網(wǎng)格分解為若干小三角形，求出它們斜面面積之和，就得出該網(wǎng)格的地形表面面積。土方量是工程費用估算及方案選優(yōu)的重要因素，所以公路工程必須涉及土方量計算問題，將自然地形的數(shù)字高程模型(DEM)與規(guī)劃

19、地形數(shù)字高程模型(DEM)疊加起來仁二者的網(wǎng)格體系應(yīng)該完全一致)，在每個格點處用規(guī)則高程減去自然高程，得出格點上的施工高度，施工高度為正時，為填方;施工高度為負時，為挖方，通過這種方法，就很容易地計算出土方量。2.4數(shù)字高程模型(DEM)的數(shù)據(jù)來源及獲取方法 數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)包括平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)源主要通過在野外地形測量、攝影測量、已有地形圖上進行數(shù)字化等方法獲取。具體采用何種數(shù)據(jù)采集方式，需要根據(jù)生產(chǎn)單位的實際情況，一方面取決于數(shù)據(jù)的可獲取性，另一方面取決于數(shù)字高程模型(DEM)的精度要求、數(shù)據(jù)量大小和技術(shù)條件等因素。2.4.1野外地形測量野外地

20、形測量數(shù)據(jù)是建立數(shù)字高程模型的重要數(shù)據(jù)源，它包括平面位置數(shù) 吉林大學(xué)工程碩士論文據(jù)和高程數(shù)據(jù)，其采集方法隨著野外作業(yè)的方法和使用的儀器設(shè)備不同有不同的形式。隨著科技的發(fā)展，全站儀和GPS接收機已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且成為生產(chǎn)實踐的主要使用儀器，為此本課題著重對下面兩種野外地形數(shù)據(jù)采集方法進行研究: 1)全站儀測量 目前，生產(chǎn)單位常用的常規(guī)測量儀器是全站儀與水準(zhǔn)儀。若采取適當(dāng)措施，光電測距三角高程測量完全可以取代四等及以下等級的水準(zhǔn)測量進行圖根高程控制測量，這一點已被理論和實踐所證實，并寫入了相應(yīng)的測量規(guī)范中。 2) GPS測量 全球定位系統(tǒng)仁GPS)是導(dǎo)航衛(wèi)星定時al J距全球定位系統(tǒng)(Nav

21、igationSatellite Timing and Ranging Global Positioning System)的簡稱，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它能向用戶提供全球性、全天候、連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息，較之常規(guī)測量手段具有無可比擬的優(yōu)越性，已在許多民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用GPS靜態(tài)測量進行路線平面控制測量，雙頻精度可達5mm+lppm" D，單頻機的精度在一定距離內(nèi)精度可達l0mm+2ppm " D，因此無論單頻機或雙頻機均可滿足公路控制測量的要求。 但利用GPS靜態(tài)定位也有其不足，外業(yè)觀測時間長，成果不能及時獲取，而RTK技術(shù)的出現(xiàn)

22、克服了上述缺點，使控制測量更高效，更靈活，而且隨著RTK技術(shù)的日益成熟及其軟硬件價格，使得RTK使用迅速普及。 RTK實時動態(tài)(Real Time Kinematic)測量技術(shù)的縮寫，它是載波相位觀測為根據(jù)的實時差分測量技術(shù)，是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。其基本原理是，在基準(zhǔn)站上安置1臺GPS，對所所有可見衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過發(fā)射臺臺實時地發(fā)送給流動觀測站。在流動觀測站上，GPS接收機在接收衛(wèi)星信號的同時通過接收電臺接收基準(zhǔn)站傳送的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理利用電子手簿實時地求解出厘米級的流動站的動態(tài)位置 仁 X, Y, Z )，其原理表達式為: (刃一戈)2+(J一J

23、二)2+口一Z:守一r 0+敘叮。一No' )+敘叮一)一&幾(2-4)P式中:Np,凡·Z;為待定點坐標(biāo);川為基準(zhǔn)站至觀測衛(wèi)星幾何距離;N二戶 第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法川分別為待定點·基準(zhǔn)點接收衛(wèi)星載波信號的初始整周未知數(shù);4d、為同一觀測歷元的各項殘差。 目前通常工程應(yīng)用中采用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)建立工程首級控制網(wǎng)，可以達到毫米級精度。用RTK進行碎部測量和放樣，一旦整周模糊度求定，平面定位精度可達1-2cm士2ppm，高程精度略差。這樣，利用二者的互補性，就可以大大提高工作效率。2.4.2攝影測量 這是在立體模型上獲取DEM點數(shù)據(jù)的常

24、用方法。所采用的設(shè)備主要有:立體測圖儀、解析測圖儀、數(shù)字攝影測量系統(tǒng)等。大多數(shù)立體測圖儀都可以安置編碼器，以自動記錄觀測。解析測圖儀更適用于DEM的查詢，它能自動地沿規(guī)定的地面網(wǎng)格采集樣點?？梢岳酶接凶詣佑涗浹b置仁接口)的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行全自動的量測獲取數(shù)據(jù)。為了使數(shù)據(jù)采集的密度與地貌起伏或切割的復(fù)雜程度適應(yīng)起來，在采樣過程中適時地改變樣點間隔C47 涉及DEM數(shù)據(jù)采集的攝影測量采樣方法包括等高線法、規(guī)則格網(wǎng)法、選擇采樣法、漸進采樣法、剖面法、混合采樣法等，這些方法可以是人機交互式的或自動化的5?？紤]到本次課題研究的目的和所采用設(shè)備具體情況，這里不作進一步討論。2.4.3現(xiàn)有地形圖數(shù)字

25、化 不論從哪種比例尺的地形圖上采集DEM數(shù)據(jù)，最基本的問題都是對地形圖要素如地性線、等高線進行數(shù)字化處理，然后再用某種數(shù)據(jù)建模方法內(nèi)插DEMo目前比較常用的地圖數(shù)字化方法主要有手扶跟蹤數(shù)字化法和掃描矢量化法6 1)手扶跟蹤數(shù)字化法涼 手扶跟蹤數(shù)字化是已有地形、地籍圖件利用數(shù)字化儀，用手扶跟蹤的方法對地圖要素的特征點或符號逐個進行采集，直接生成數(shù)字線劃圖的方法。手扶跟蹤數(shù)字化法是應(yīng)用較早也是較廣的地圖數(shù)字化方法。這種方法的優(yōu)點是所獲取的向量形式的數(shù)據(jù)在計算機中比較容易處理;缺點是速度慢、人工勞動強度 吉林大學(xué)工程碩士論文大。 2)掃描矢量化法 掃描矢量化法是利用掃描儀對地圖進行掃描形成柵格形式的

26、地圖數(shù)據(jù)，然后使用適當(dāng)?shù)膾呙枋噶炕浖谟嬎銠C屏幕上進行全自動、半自動跟蹤矢量化，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)。 如生產(chǎn)中采用掃描矢量化后的等高線數(shù)據(jù)通過一定的處理如粗差的探測、高程點的內(nèi)插、高程特征的提取的生成等便可最終內(nèi)插生成DEM。這種方法有使用的設(shè)備簡單、精度好、速度快、成本低的特點。2.5 DEM的建模方法DEM表面可用以下的數(shù)學(xué)表達式進行描述: Z一f(x，約實現(xiàn)這個表達式最常用的多項式函數(shù)如表2.1所示:(2-6)表2獨立項 項次 表面性質(zhì) 項數(shù)Z=a,-, 0次項 平面 1 +a1X+ a,Y 1次項 線性 2 +a;XY+ a., Xi+ a5 Yi 2次項 二次拋物面3 +ae

27、 X'+ a7 Y'+ a, XYi+ a,X2 Y 3次項 三次曲面 4 +alr+all Y4+ a12 X3 Y+ a13 X" Y"+ a1.1 XY' 4次項 四次曲面 +al; X 5次項 五次曲面 6 某一特定建模程序在建立實際表面時，一般只使用函數(shù)中的其中幾項。地形表面的建模有四種主要的方法:基于點的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格網(wǎng)的建模方法和將其中任意兩種結(jié)合起來的混合建模方法下。 1)基于點的建模 如果只使用多項式的零次項來建立DEM表面，則對每一數(shù)據(jù)點都可建立一水平平面。假如使用單個數(shù)據(jù)點建立的平面表示此點周圍的一小塊區(qū)

28、域仁在地理分析領(lǐng)域也稱為這一點的影響區(qū)域)，則這個整個DEM表面可由一系列相鄰第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法的不連續(xù)表面構(gòu)成。 這種方法非常簡單，唯一困難之處在于確定相鄰點間的邊界。由于這個方法所建立表面的不連續(xù)性，因此它不是一種真正實用的方法。 2)基于三角形的建模 如果使用多項式的前三項，則整個DEM表面可由一系列相互連接的相鄰三角形組成?；谌切蔚谋砻娼？蛇m用于所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不管這些數(shù)據(jù)是由選擇采樣、混合采樣、規(guī)則采樣還是由等高線法生成。由于三角形在形狀和大小方面有很大的靈活性，所以這種建模型方法也能容易地融合斷裂線、生成線或其他數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在基于三角形的表面建模是DEM

29、建模主要方法之一。 3)基于格網(wǎng)的建模 如果使用多項式的前三項與a3XY項一起使用則需要4個點構(gòu)成雙線性表面。在基于格網(wǎng)表面建模的情況下，最終表面將包含一系列鄰接的雙線性表面?；诟窬W(wǎng)的建模常用于處理覆蓋平緩地區(qū)的全局數(shù)據(jù)，但對于有著陡峭斜坡和大量斷裂線等地形形態(tài)比較破碎的地區(qū)，如果不進行特殊處理仁增加特征點、線或加大密度)，這種方法并不適宜。 4)混合表面建模 DEM表面通常是由兩種主要類型網(wǎng)絡(luò)中一種或另一種一格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或三角形網(wǎng)絡(luò)，在實際建立DEM表面時，也經(jīng)常用到混合建模方法。例如對格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來說，可將其分解為三角形網(wǎng)絡(luò)，以形成一線性的連續(xù)表面;反之，對不規(guī)則三角形網(wǎng)經(jīng)內(nèi)插處理，也可形成格網(wǎng)

30、網(wǎng)絡(luò)。在某些軟件包中對混合表面建模方法的應(yīng)用是首先根據(jù)系統(tǒng)格網(wǎng)采樣建立基礎(chǔ)的正方形或三角形格網(wǎng)，如果數(shù)據(jù)中包含結(jié)構(gòu)線，則規(guī)則格網(wǎng)分解成局部不規(guī)則三角網(wǎng)。 混合表面建模的另一種形式是將基于點的建模與基于格網(wǎng)或基于三角形網(wǎng)絡(luò)的建模結(jié)合。此時如果數(shù)據(jù)是規(guī)則分布，則獨立影響區(qū)域的邊界可由格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或三角形網(wǎng)絡(luò)決定，如果數(shù)據(jù)點不規(guī)則分布，則影響區(qū)域由三角形網(wǎng)絡(luò)決定。 上面提到的四種主要的建模方法，分別對應(yīng)于某一特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，由于基于點的建模并不實用而混合表面建模往往也轉(zhuǎn)換為三角形網(wǎng)絡(luò)，因此基于三角形和格網(wǎng)的建模方法使用較多s吉林大學(xué)工程碩士論文2.6數(shù)字高程模型(DEM)的誤差來源與精度分

31、析2.6.1數(shù)字高程模型(DEM)的誤差來源 數(shù)字高程模型(DEM)的實際精度主要有原始數(shù)據(jù)的采集誤差和數(shù)字高程模型建模時的內(nèi)插誤差兩方面決定。本課題結(jié)合高速公路實際地形情況，就影響數(shù)字高程模型(DEM)精度的幾個因素及數(shù)字高程模型(DEM)的應(yīng)用進行研究J 1)數(shù)據(jù)采集誤差 數(shù)字高程模型(DEM)的數(shù)據(jù)采集誤差主要有:原始資料的誤差、儀器誤差、人為誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等。 本次僅僅就野外地形測量的有關(guān)誤差和地形圖數(shù)字化方面的誤差進行分析。 全站儀進行數(shù)據(jù)采集誤差分析 a , uJ距誤差的影響 h, uJ角誤差的影響 c、大氣折光的影響 d、量高誤差 GPS衛(wèi)星定位誤差 GPS定位中出現(xiàn)的誤差，

32、按誤差性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩大類。其中系統(tǒng)誤差無論從誤差的大小還是對定位結(jié)果的危害性講都比偶然誤差要大得多，而且它又是規(guī)律可循的，可以采取一定的措施來加以消除。 GPS定位中出現(xiàn)的各種誤差從來源講大體可分為以下三類: a、與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 .衛(wèi)星星歷誤差由廣播星歷或其他軌道信息所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星 實際位置之差稱為星歷誤差。 .衛(wèi)星鐘的誤差主要取決于鐘的質(zhì)量。 .相對論效應(yīng)相對論效應(yīng)是由于衛(wèi)星鐘與接收機鐘所處的狀態(tài)仁運動 速度和重力位)不同而引起衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間產(chǎn)生相對鐘誤差的 現(xiàn)象。 h、與信號傳播有關(guān)的誤差 第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法 .電離層折射電磁波通過電

33、離層時傳播速度會發(fā)生變化，致使量測結(jié) 果產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏離，稱之為電離層折射。 .對流層折射衛(wèi)星信號通過對流層時傳播速度要發(fā)生變化，從而使量 測結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。 .多路徑效應(yīng)某些物體表面反射后達到接收機的信號和直接來自衛(wèi)星 的信號疊加進入接收機，使量測值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，稱之為多路徑誤差。 C、與接收機有關(guān)的誤差 .接收機鐘的誤差該項誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，和使用的環(huán)境也有 一定的關(guān)系。 .接收機的位置誤差在進行授時和定軌時，接收機的位置仁指接收機 天線的相位中心)是已知值，它們的誤差將使授時和定軌的結(jié)果產(chǎn)生 系統(tǒng)誤差。 d、消除、削弱上述誤差影響的措施和方法 .建立誤差改正模型可以是理論公式，也

34、可以是經(jīng)驗公式，或是同時 采用兩種方法而建立的綜合模型。 .求差法仔細分析誤差對觀測值或平差結(jié)果的影響，安排適當(dāng)?shù)挠^測 綱要和數(shù)據(jù)處理方法，利用誤差在觀測值之間的相關(guān)性或定位結(jié)果之 間的相關(guān)性，通過求差來消除或大幅度地減弱其影響的方法稱為求差 法。 .選擇較好的硬件和較好的觀測條件有的誤差，如多路徑誤差，既不 能采用求差的方法來解決也無法建立改正模型，削弱它的唯一辦法是 選用較好的天線，仔細選擇測站，遠離反射物和干擾源。 上述方法也可以結(jié)合使用，視具體情況而定。 RTK定位的誤差及消除、削弱誤差影響的措施和方法 RTK測量時使用了非常有限的數(shù)據(jù)量，而且實時處理難以消除由于衛(wèi)星信號暫時遮蔽、無線

35、電傳輸錯誤所造成的誤差。RTK定位的誤差一般分為兩類: a、同al J站有關(guān)的誤差: .天線相位中心變化天線的機械中心和電子相位中心一般不重合。 .多路徑誤差多路徑誤差是RTK定位測量中最嚴重的誤差。其取決于 天線周圍的環(huán)境。多路徑誤差創(chuàng)建為常數(shù)誤差和周期誤差兩部分。吉林大學(xué)工程碩士論文 多路徑誤差可通過下列措施予以削弱:選擇地形開闊，沒有反射 面的點位、采用具有削弱多路徑誤差的各種技術(shù)的天線、采用扼流圈 天線、在基準(zhǔn)站附近鋪設(shè)吸收電波的材料、采用處理數(shù)據(jù)的新技術(shù)。 .信號干擾對于基準(zhǔn)站而言，測試天線周圍的電磁波干擾，并不困難。 信號干擾可能有多種原因。干擾的強度主要取決于頻率，反射臺的功 率

36、和至干擾源的距離。改正這些影響沒有什么實際意義，唯一可行的 方法是選點時仔細注意。在基準(zhǔn)站削弱無線電噪聲最有效的方法是連 續(xù)監(jiān)測所有可見衛(wèi)星的周跳和信噪比。為了削弱電磁波的輻射干擾， 最好在基站周圍100-500m范圍內(nèi)避開UFH, VHF, TV和BP機發(fā)射臺、 無線電愛好者的定向發(fā)射臺、用于航空導(dǎo)航的雷達裝置。 .氣象因素據(jù)研究，快速運動中的氣象峰面，也能導(dǎo)致觀測坐標(biāo)的變 化達到1 -2dm。因此，在天氣急劇變化的情況下不宜進行RTK測量。 b、同距離有關(guān)的誤差: .軌道誤差目前軌道誤差只有幾米，其殘差的相對誤差影響約為 lppm，就短基線(<10km)而言，對結(jié)果的影響可忽略不計。

37、但是，對 20km-30km的基線則可達到幾厘米 .電離層誤差與對流層誤差這兩項誤差見對GPS定位誤差討論 正如前面討論的，無論是靜態(tài)GPS測量，還是RTK測量，目前二者應(yīng)用范圍還有局限性。比如:具有隱蔽性和遮擋性地區(qū)卻無法和不便使用靜態(tài)GPS測量或RTK測量技術(shù)。對于三維測點其高程值由GPS或RTK測得的是其大地高，要確定測點的正常高，必須知道測點的高程異常。對于一個區(qū)域而言，GPS高程的常用方案是，用水準(zhǔn)測量的方法聯(lián)測部分GPS點，建立高程異常模型。當(dāng)知道任意一點的大地高時，由高程異常模型即可推算出該點的正常高101 手扶跟蹤數(shù)字化法的誤差來源和精度分析“ 此處內(nèi)容前人已經(jīng)做了大量的相關(guān)工

38、作，所以本次研究我們不再去做 這方面的實驗，而直接引用前人的實驗結(jié)果。 除了地圖固定的誤差，還有其他各種因素對數(shù)字化產(chǎn)生的誤差 a、儀器誤差，即數(shù)字化儀分辨率的影響 數(shù)字化儀的精度規(guī)范要求不低于0. 127mm，而一般數(shù)字化儀的分辨率能達第二章數(shù)字高程模型CDEM)基本理論與方法到0. 123mm，取m=0. 123mmo b圖板定向的影響引起的誤 m2=0. 1 X;2=0. 141mm涼 。、采點誤差 點位判斷誤差0. 1mm 地圖的線劃精細0. 1mm 。、二士丫0.1z' +0.1二士0,141mm d、圖紙變形誤差 規(guī)范要求工作底圖一般應(yīng)為聚脂薄膜圖，其變形應(yīng)小于0. 2 0

39、l00，且需對采集的數(shù)據(jù)進行仿射變換 X= ao+arx+a2Y Y=b。+ix+?zY 圖紙伸縮變形的中誤差可控制在圖上m4=0. 1mm以內(nèi)。故此，手扶跟蹤數(shù)字化法的誤差為:涼 附=+lmz+m2+?！?m=+(1 1 '2。141 、fl 141+0 .12=+。25mm -V” 1 ” 3 .口 4一丫“.“必一“口， 地圖矢量化的誤差 此處內(nèi)容前人己經(jīng)做了大量的相關(guān)工作，所以本次研究我們不再去做這方面的實驗，而直接引用前人的實驗結(jié)果。 對于需數(shù)字化的圖件來說，本身在成圖中就存在誤差，如控制點、碎部點(界址點)測量誤差、展繪誤差、繪圖誤差，繪圖介質(zhì)的變形誤差。如果是薄膜二底圖，

40、還存在蒙繪誤差。這些誤差可通過相應(yīng)的測量規(guī)范夕控制在一定范圍之內(nèi)，使之不致影響最終成果的使用。掃描矢量化引起的誤差與要素對象、掃描憶軟件處理技術(shù)有關(guān)2。涼 c1、要素本身的寬度、復(fù)雜程度、粘度以及圖面的整潔和清晰程度者區(qū)對掃描矢量化誤差有一定影響，如圖面不整潔產(chǎn)生了噪聲，易引起軟件誤判。 b，掃描誤差 包括掃描儀本身產(chǎn)生的一些誤差:掃描儀的分辨率;光學(xué)誤差、電信號輻射誤差、機械誤差等;在掃描過程中，分辨率、門檻值(灰度值或?qū)Ρ榷戎?和濾波值的確定將對掃描圖的質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響。涼 吉林大學(xué)工程碩士論文 c、軟件處理技術(shù) 對于掃描后的柵格文件，進行圖像處理、幾何校正和矢量化等后處理技術(shù)， 掃描矢

41、量化精度分析 圖件在掃描后得到柵格圖像，形成圖像數(shù)據(jù)，而我們所需要的數(shù)據(jù)是大地坐標(biāo)。從圖像坐標(biāo)(x, y)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)(Xp, Yp)一般可采用仿射變換，即: XD-A1+A2x+A3y Yo-B1+B2x+B3y ( 其中，Al-B3為仿射變換參數(shù)，只需三個控制點就可唯一確定轉(zhuǎn)換關(guān)系。當(dāng)控制點數(shù)目大于3時，可用最小二乘法確定。轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取精度將直接影響所有采樣點的精度。 對(2-7)式進行微分、轉(zhuǎn)換，可得: 定向點對、大地坐標(biāo)點位精度影響涼 dXp=0. 0254 X M/DP工(1-x/Lx) dyl+ (x/Lx-y/Ly) dy2+ (y/Ly) dy3 dyp=-0.0254 x

42、M/DP工(I -x/Lx) dxl+ (x/Lx-y/Ly) dx2+ (y/Ly) dx3(2-8) 及采樣點誤差對數(shù)字化結(jié)果的影響:涼 m,p=士0. 0254 X M/DP工X m, m,p=士0.0254 xM/DP工xm, (2-9) (2-8), (2-9)式中M為地圖比例尺，DP工為掃描分辨率(每英寸多少點，其中1 inch=0. 0254m) 從(2-8), (2-9)式中可看出:涼 (a)定向點和采樣點X方向誤差僅影響大地坐標(biāo)Y方向精度，定向點和采樣點Y方向誤差僅影響大地坐標(biāo)X向精度。 (b)掃描分辨率越高，則精度越好，但數(shù)據(jù)存儲量成冪次增加。涼 (c)當(dāng)M=1000, D

43、P工=250, m,=m=士1個像素時，定向誤差影響為:最不利條件下，m,p=m,p =士0. 2m，即圖上0. 2mm，在最有利條件下，m,p=m,p =士0. lm,即圖上0. lmm;采樣點誤差影響為:m,p = m,p二士0. lm，即圖上0. lmmo 若采用合適的自動對中算法對定向點、采樣點進行自動對中，則將有效地提高掃描數(shù)字化的精度和速度。其功能的強弱、模型的優(yōu)劣將直接影響掃描數(shù)字化的精度。第二章數(shù)字高程模型仁DEM)基本理論與方法 2)內(nèi)插誤差 數(shù)字高程模型(DEM)的另外一種誤差來源于高程內(nèi)插，高程內(nèi)插誤差與選擇的數(shù)學(xué)模型有關(guān)，同時也與采點的方式、密度、分布等因素有關(guān)。不同的

44、采點方式對高程內(nèi)插有不同的作用，采點的種類有:密集采集等高線上的高程點、稀疏采集等高線上的特征點、沿斷面采集坡度變化大的點、沿格網(wǎng)采集高程點、采集地性線仁包括山脊線、山谷線、坡折線、鞍部特征線、陡坎特征線及特征點)、采集水庫、河流、湖泊的水涯線等。一般內(nèi)插計算方法有多層疊加法、最小二乘配置法、有限元法、三角剖分法等132.6.2數(shù)字高程模型(DEM)的精度分析 數(shù)字高程模型(DEM)的精度評價主要通過理論分析和實驗研究的方式進行。目前，我們對數(shù)字地面模型的精度評定有兩種方法，一是平面精度和高程精度分開評定，另一種是平面精度與高程精度同時評定。在實際應(yīng)用中，一般只討論DEM高程精度的評定。DEM

45、精度評定的途徑有三條。其一理論分析。其二是試驗的途徑。即從數(shù)據(jù)源隨機抽取樣區(qū)或憑專家經(jīng)驗選取典型地貌樣區(qū)，或用各種采點方法，包括對儀器、采點密度、采樣點分布位置和作業(yè)員水平等多種因素的考慮，并直接依據(jù)選用的高程內(nèi)插數(shù)學(xué)模型，來估算所建數(shù)字地面模型的精度。對于各試驗對象有各自的特征，試驗的方法也不同，所得的結(jié)論很少有普遍適用的意義，有時還出現(xiàn)相互矛盾情形，特別是各試驗樣區(qū)千變?nèi)f化的地貌形態(tài)，對精度的影響尤其顯著，對它們又不能一一進行試驗。其三是試驗與推導(dǎo)相結(jié)合的途徑。這條途徑的特點是尋求對地表起伏復(fù)雜變化的統(tǒng)一量度和對各種內(nèi)插數(shù)學(xué)模型的通用表達方式，使評定方法以及評定所得到的精度和某些規(guī)律性的結(jié)

46、論，有普遍的理論意義。這類方法很多，這里僅討論幾種常用的方法。 1)地形功率譜與內(nèi)插方法的傳遞函數(shù)估計DEM精度 設(shè)DEM任一長度為1的斷面對應(yīng)的真實高程Z (x)，內(nèi)插獲得的高程為入)C)，它們的傅立葉展開分別為: 吉林大學(xué)工程碩士論文Z(X)二藝Ck COs(2威x 大一(Dk)(2一10)Z (x)=藝Ck COs(2威x 大(Dk)式中:C、，中、為Z (x)對應(yīng)于周期為絲信號分量的振幅與相位，Ck,、為Z (x)對應(yīng)于周期 T信號分量的振幅與相位，Z(x)為相當(dāng)于Z (x)的均方誤差仁其中假設(shè)常數(shù)分量為零):6、一貴f Lz (,Y)一Z (X) 2 dx _r_二、:(2-11) 1 rL Ix I。，2TCkx二、萬，2)zkx二、一L。)L (- k cock-k-() )一kvk一L k GUSk-L一甲左)If ux對于二維情況，可以x剖面中誤差6二與Y剖面中誤差6二，得:6玉+6三 一一，1尤O- 在實際應(yīng)用中由于剖面高程z中包含量測誤差6二，它一方面對功率譜C廠得計算產(chǎn)生影響，另一方面，作為DTM內(nèi)插的原始數(shù)據(jù)本身是帶有中誤差6,的。根據(jù)Tempfli的研究