Вопрос 24.(26) Цифровые модели местности. Использование цмм при автоматизированном проектировании.
3.5. Цифровое моделирование рельефа, ситуации и геологического строения местности
Цифровой моделью местности (ЦММ) называют совокупность точек местности с известными трехмерными координатами и различными кодовыми обозначениями, предназначенную для аппроксимации местности с ее природными характеристиками, условиями и объектами.
Кодовые обозначения характеризуют связи между соответствующими точками ЦММ.
Общая ЦММ - это многослойная модель, которая в зависимости от назначения может быть представлена сочетанием частных цифровых моделей (слоев): рельефа, ситуационных особенностей, почвенно-грунтовых, гидрогеологических, инженерно-геологических, гидрометеорологических условий, технико-экономических показателей и других характеристик местности.
3.6. Виды цифровых моделей местности
Конечной целью изысканий автомобильных дорог при проектировании на уровне САПР-АД является, прежде всего, получение крупномасштабного топографического плана местности в пределах широкой полосы варьирования конкурентных вариантов трассы и цифровой модели рельефа, геологического и гидрогеологического строения того же участка местности (ЦММ) в единой системе координат. По ЦММ и получаемым на их основе математическим моделям местности (МММ) в конечном итоге осуществляют системное, автоматизированное проектирование конкурентных вариантов трассы автомобильных дорог. Трудовые затраты на получение с помощью ЦММ необходимой для проектирования информации (профили земли по оси трассы, поперечные профили земли, инженерно-геологические разрезы и т.д.) оказываются в несколько десятков раз меньшими, по сравнению с получением той же информации при использовании топографических планов и стереоскопических моделей по традиционной технологии.
При цифровом моделировании рельефа, геологического и гидрогеологического строения местности в зависимости от сложности рельефа, ситуационных особенностей местности; способа производства изысканий, задач проектирования, наличия парка современных геодезических приборов, приборов спутниковой навигации, средств геофизической подповерхностной разведки, средств автоматизации и вычислительной техники могут быть сформированы ЦММ с использованием самых разнообразных принципов.
Вопросами разработки различных видов ЦММ было посвящено большое количество исследований. При этом, все известные виды ЦММ можно разбить на три большие группы: регулярные, нерегулярные и статистические.
Регулярные ЦММ создают путем размещения точек в узлах геометрически правильных сеток различной формы (треугольных, прямоугольных, шестиугольных), накладываемых на аппроксимируемую поверхность с заданным шагом. Наиболее часто применяют ЦММ с размещением исходных точек в узлах сеток квадратов (рис. 3.4, а) или равносторонних треугольников (рис. 3.4, б). Регулярные ЦММ в узлах правильных шестиугольных сеток (рис. 3.4, в) нашли применение при проектировании нефтепромысловых дорог в условиях равнинного рельефа Западной Сибири.
Рис. 3.4. Виды цифровых моделей местности: а - в узлах правильных прямоугольных сеток; б - в узлах треугольных сеток; в - в узлах шестиугольных сеток; г -на поперечниках к магистральному ходу; д - на горизонталях; е - на структурных линиях; ж - статистическая; з - на линиях, параллельных оси фотограмметрических координат
Массив исходных данных для регулярных ЦММ (рис. 3,4 а-в) может быть представлен в следующем виде:
F, m, п, х0, у0, Н11 ,..., Н1m,..., Нnm (3.1)
F - шаг сетки;
m - число точек по горизонтали;
п - число строк по вертикали;
Н11 ,..., Н1m,..., Нnm - высоты точек в узлах сетки.
Регулярные модели (3.1) весьма эффективно использовать при проектировании вертикальной планировки городских улиц, площадей, аэродромов и других инженерных объектов на участках местности с равнинным рельефом. Опыт использования ЦММ с регулярным массивом исходных данных показал, что требуемая точность аппроксимации рельефа достигается лишь при очень высокой плотности исходных точек местности, которая в зависимости от категории рельефа должна быть в 5-20 раз выше по сравнению с нерегулярными ЦММ. Появление высокопроизводительных дигитайзеров и коордиметров с автоматической регистрацией информации по заданным интервалам длины или времени, тем не менее, делает использование регулярных моделей (3.1) весьма перспективным.
Нерегулярные ЦММ, представленные большим числом типов нашли широкое применение в практике автоматизированного проектирования объектов строительства.
Весьма часто используют ЦММ, построенные по поперечникам к магистральному ходу (рис. 3.4, г).
ЦММ, построенные по поперечникам к оси магистрального хода или к оси трассы, находили широкое применение в начальный период перехода на системное автоматизированное проектирование линейных инженерных объектов, когда исходная изыскательская информация собирается в соответствии со старой традиционной технологией изысканий, а также при разработке проектов реконструкции автомобильных дорог.
При наличии крупномасштабных топографических планов и карт часто оказывается весьма эффективным создание ЦММ с массивом исходных точек, размещаемых на горизонталях с регистрацией их плановых координат дигитайзером через определенные интервалы длины (рис. 3.4, д).
При автоматизированном проектировании инженерных сооружений широко используют также цифровые модели на структурных линиях (структурные ЦММ), размещаемых по характерным изломам местности и с учетом ее ситуационных особенностей. Эти ЦММ обладают наименьшей исходной информационной плотностью точек местности (рис. 3.4, е).
Структурные ЦММ (3.4, 3.5) используют главным образом при невысокой степени автоматизации процесса сбора и регистрации исходной информации (например, при использовании материалов обычной тахеометрической съемки, при ручной, либо полуавтоматической фотограмметрической обработке снимков, при дигитализации топографических планов и карт и т.д.).
В зависимости от вида исходного материала, используемого для формирования ЦММ, в практике автоматизированного проектирования применяют и другие виды нерегулярных цифровых моделей, например, ЦММ, построенные на линиях, параллельных координатным осям стереофотограмметрического прибора (рис. 3.4, ж), при использовании для формирования массивов точек материалов аэрофотосъемок.
Статистические ЦММ (3.6) предполагают в своей основе нелинейную интерполяцию второго и третьего и т.д. порядков. При создании массива исходных данных статистической ЦММ точки для ее формирования выбирают в зависимости от случайного распределения, близкого к равномерному (рис. 3.4, д).
Статистические модели являются во многом универсальными. Сфера их применения весьма широка и не ограничивается какими-либо категориями рельефа местности, наличием того или иного исходного материала для создания ЦММ и наличием тех или иных приборов.