道路路線基礎第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論一、歷史1.國外60年代平、縱線形要素計算，橫斷面、土石方計算，平、縱線形優(yōu)化；70年代數(shù)字地面模型、圖形顯示及計算機繪圖；80年代系統(tǒng)化（航測設備+計算機硬件+計算機軟件的組合系統(tǒng)）、集成化（數(shù)據(jù)采集+設計、分析+三維顯示與成圖+優(yōu)化技術）90年代國際化、多元化、系統(tǒng)的深化及柔軟性的提高；智能化CAD（AI+CAD）；數(shù)據(jù)采集運用GPS+航測或全站儀建立數(shù)模。第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2.國內70年代中期，有人收集國外情報；79年公路、鐵路縱斷面優(yōu)化。同濟大學開辦培訓班、研討班，形成國內路線CAD的“火種”；85年武漢二院BASIC編寫的公路路線CAD軟件已出版、推廣，李方、張雨化亦有類似軟件；80-90年交通部“七五”攻關項目“高等級公路路線綜合優(yōu)化及CAD系統(tǒng)”，基于Apollo工作站、DDM圖形系統(tǒng)，獲部一等獎；90年代單兵作戰(zhàn)，在DOS,AutoCAD,Windows3.x,Windows95/98及網(wǎng)絡環(huán)境下，利用BASIC,FORTRAN,C/C++,VB,VC,AutoLISP等語言開發(fā)，但無一能與國外同類軟件相比。第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二、現(xiàn)狀1.國外1.1MOSS1.2CARD/11.3InRoadsofIntergraph1.4GeoPakROAD2.國內2.1“七五”攻關成果2.2RICAD,HEAD,RoadforWindows95/98,AHCAD,...問題：(1)越是工程早期，CAD/CAE的支持越無力；(2)很難做到勘測、設計一體化，效率不高。第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五三、發(fā)展趨勢1.勘測、設計一體化；2.3D技術、VirtualReality（虛擬現(xiàn)實）技術；3.多媒體技術；4.數(shù)據(jù)庫技術、人工智能；5.集成化技術；3S、5S、xS思考題：*了解路線CAD的基本內容；*了解國內、外路線CAD的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀；*了解路線CAD的發(fā)展趨勢。第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第一節(jié)野外數(shù)據(jù)采集一、傳統(tǒng)測量與全站儀(TotalStation)測量儀器設備的電子化；記錄存儲在磁介質或內存里；數(shù)據(jù)的編碼交換，為后續(xù)工作直接提供服務。二、GPS與RSGPS(GlobalPositioningSystem)對測量產生了革命性的影響；第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五GPS系統(tǒng)：1.NAVSTAR/GPS

NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem美國，經方案論證（1974-1978）、系統(tǒng)論證（1979-1987）、生產試驗（1988-1993），衛(wèi)星顆數(shù)為21+3，衛(wèi)星軌道面數(shù)為6，高度為20220公里。耗資200億美圓。2.GLONASS

前蘇聯(lián)，衛(wèi)星顆數(shù)為24+1，1996年1月18日正常運行。3.NAVSAT

西歐歐洲空間局（ESA）正在籌建。第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五GPS系統(tǒng)組成：1.GPS工作衛(wèi)星及其星座2.地面監(jiān)控系統(tǒng)

3.GPS信號接受機

第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五GPS的特點：1.定位精度高

50公里內10-6100-500公里10-71000公里以上10-92.觀測時間短相對靜態(tài)定位，20公里內：15-20分鐘快速靜態(tài)定位，15公里內：1-2分鐘動態(tài)相對定位：幾秒3.測站間無需通視4.可提供三維坐標

GPS水準可滿足四等水準精度5.操作簡便6.全天候作業(yè)7.功能多，應用廣

測量、導航、測速、測時第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五RS(RemoteSensing)對路線綜合優(yōu)化設計提供基礎數(shù)據(jù)的支撐?！斑b感”一詞產生于60年代初期，意思是遙遠的感知。目標輻射信息遙感器（收集、傳遞信息）目標信息的處理、判釋、應用介質傳輸人工輻射源第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五三、航測(一)象片的獲取(二)對航攝的基本要求1、飛行質量(1)象片重疊度(2)象片傾斜角、航向重疊度(3)航偏角(4)航線彎曲度—航線彎曲處最大偏離值與航線全長之比應小于3%(5)攝影航高第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2、對攝影質量的要求(1)灰霧密度小于0.2，應小于0.3、(2)影象的最小密度至少應比灰霧密度大0.2(3)最大密度應在1.5—1.8以內，應大于1.0(4)最大反差一般地區(qū)應在1.1—1.4之間，應大于0.6(5)光學框標的影象應清晰、齊全(6)底片上不應有云、云影、劃痕、劃傷及藥膜損傷(7)定影和水洗要充分(8)底片的壓平誤差應在限差以內，壓平線的彎曲不應超過0.1mm第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五(三)航攝成果的驗收與移交(四)航片的特點1.航片是地面的中心投影；2.在同一張航片上，構象比例尺是不均勻的；3.航片上的影象存在象點的位移和方向的偏差；4.在一定條件下，航片上的象點坐標可以轉換為地面測量坐標系坐標；5.利用航片可以實現(xiàn)攝影過程的幾何反轉；(五)航測的測圖方法及為道路勘測設計提供的圖種1、航測可行性過程(1)外業(yè)野外控制測量和象片判讀調繪(2)內業(yè)室內控制點加密和測圖第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五2、四種測圖方法(1)綜合法航測+普通測量(2)分工法(3)全能法(4)解析法3、為道路設計提供的圖種第二節(jié)室內數(shù)據(jù)采集一、人工制作二、地形圖像數(shù)字化（利用數(shù)字化儀、利用掃描圖象）三、柵格圖像矢量化（GeoScan，GeoStar吉奧之星)EPSW,CASS,READ四、數(shù)字攝影測量(DPS)第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五思考題：*正確理解路線CAD中勘測階段與設計階段的關系，樹立“勘測設計一體化”的思想；*了解野外數(shù)據(jù)采集的手段（傳統(tǒng)測量、全站儀測量、航空攝影測量、GPS、RS等）及特點；*全站儀測量的主要內容與過程；*航空攝影測量的主要內容與過程；*了解室內數(shù)據(jù)采集的手段（人工制作、地形圖數(shù)字化、柵格圖象矢量化、數(shù)字攝影測量等）及特點；*了解地形圖數(shù)字化的方法；*了解柵格圖象矢量化的方法；*了解數(shù)字攝影測量的方法。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第三章數(shù)字地面模型第一節(jié)概述數(shù)字地面模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是美國麻省理工學院Miller教授為了高速公路的自動設計與1956年提出的。此后，它被廣泛用于各種線路（鐵路、公路、輸電線）的設計及各種工程的面積、體積、坡度的計算，任意兩點間的可視性判斷及繪制任意斷面圖。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第三章數(shù)字地面模型1、定義：數(shù)模是以數(shù)字形式按一定的結構組織在一起，表示實際地形特征的空間分布模型，也是地形形狀大小和起伏的數(shù)字描述。2、組成：數(shù)據(jù)的獲取、轉換、預處理、構網(wǎng)建模、存貯和管理；數(shù)模的應用。3、性能：精度、計算速度、處理的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)采集工作量、用戶界面等第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)DTM類型按數(shù)據(jù)結構形式分面狀（格網(wǎng)、三角網(wǎng)、空間多邊形）線狀（等高線、斷裂線）點狀（散點）按幾何形狀分規(guī)則數(shù)模（方格、矩形、正三角形網(wǎng)）半規(guī)則數(shù)模（等高線、地形斷面）不規(guī)則數(shù)模（散點、三角網(wǎng)TIN）第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)DTM類型一、方格網(wǎng)路中線兩側一定范圍內劃分成大小相等的方格或長方格、按次讀取格網(wǎng)交(節(jié))點的高程。二、帶狀格網(wǎng)三角網(wǎng)：魚骨式：沿路中線及法線方向選取地形點，樁號支距+高程。隨意魚骨式：幾乎路中線法線方向選取地形點，相鄰魚骨線聯(lián)成三角網(wǎng)。三、區(qū)域三角網(wǎng)TIN（TriangulationIrregularNetworks）可包含路線走廊的較大區(qū)域的三角網(wǎng)第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五方格網(wǎng)數(shù)模第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五魚骨式三角網(wǎng)數(shù)模第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五隨意魚骨式三角網(wǎng)數(shù)模第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)DTM的構造與高程的插值算法一、方格網(wǎng)1、構造2、插值算法雙曲拋物面Z=A0+A1x+A2y+A3xyA0=Z1,A1=(Z2-Z1)/dx,A2=(Z3-Z1)dy,A3=(Z1-Z2-Z3+Z4)/(dx·dy)3、特點(1)優(yōu)點：計算簡單，數(shù)據(jù)組織與管理簡單；(2)缺點：不能真實地反映地形；第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二、帶狀格網(wǎng)、三角網(wǎng)(一)魚骨式1、構成2、插值3、特點(1)優(yōu)點：構網(wǎng)簡單，插值算法簡單，數(shù)據(jù)量少；(2)缺點：不能很好地反映地形。(二)隨意魚骨式1、構成2、插值3、特點(1)優(yōu)點：構網(wǎng)簡單，插值算法簡單，數(shù)據(jù)量少，比魚骨式能更好地反映地形；(2)缺點：仍不能很好地反映地形。第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五三、區(qū)域三角網(wǎng)1、構成自動聯(lián)網(wǎng)Delaunay(Thiessen)、最小邊長和2、插值3、特點(1)優(yōu)點：能較好地反映地形，插值算法簡單，支持路線多方案比選；(2)缺點：構網(wǎng)較復雜，數(shù)據(jù)處理量大，耗時較長。第四節(jié)DTM的應用一、輸出縱橫地面線、平面圖二、3Dface、3D輔助生成三、渲染、動畫(真三維模型AutoCAD、3DMax)第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五思考題：數(shù)字地面模型是連接勘測階段與設計階段的橋梁，是提高設計質量與效率的核心。*樹立數(shù)模在路線CAD中的核心地位的思想；*了解數(shù)模的種類及適用條件；*了解魚骨式及隨意魚骨式數(shù)模的構網(wǎng)方法；*掌握方格網(wǎng)數(shù)模的構網(wǎng)方法與高程插值算法；*掌握三角網(wǎng)數(shù)模的構網(wǎng)方法與高程插值算法；*了解數(shù)模在路線CAD中的應用。第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第四章平面設計與繪圖第一節(jié)平面線形設計的理論方法一、導線法(直線型設計方法)三單元線法(不完整、不對稱的回旋曲線)二、模式法（曲線型設計方法）第二節(jié)平面線形組合設計一、形式12種二、適用性具體分析第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)動態(tài)、交互平面設計一、非交互設計“電算”“非交互”“交互”三個實現(xiàn)的發(fā)展階段；二、交互設計特點：圖形、數(shù)據(jù)的雙向連接，一一對應動態(tài)：實現(xiàn)技術上錦上添花：拖曳、實時變化、所見即所謂，往往是通過分流資源，已提供的函數(shù)工具等加以完成。第四節(jié)平面圖繪制包括：平面線位圖平面設計后即可獲得平面占地圖縱、橫斷面設計后平面布置圖排水、防護工程等完成第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)平面線形優(yōu)化理論一、原理變量、約束條件、目標函數(shù)的概念二、方法1、動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法：把整個路線劃分成許多分段，在設法計算出每個分段目標函數(shù)值后，利用一種遞推關系式一個分段一個分段地推出最優(yōu)決策，以達到使整個路線最優(yōu)的結果。fn(s)=minxn(s)｛d［s,xn(s)］＋fn-1［xn(s)］)｝第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五式中：n階段變量，優(yōu)化過程中的分段數(shù)；s狀態(tài)變量，表示路線將在該點(亦即該變量)以前進行優(yōu)化；xn(s)決策變量，表示在狀態(tài)變量S被選定的情況下將對該變量xn(s)進行最優(yōu)決策；d［s,xn(s)］目標函數(shù)增量，表示由狀態(tài)變量得到決策變量xn(s)間這一分段的目標函數(shù)值；fn-1［xn(s)］表示從路線起點到決策變量xn(s)之間，共n-1個分段構成的目標函數(shù)累計的最小值；fn(s)目標函數(shù)，表示以路線起點到狀態(tài)變量s為止的共n個路線分段構成的目標函數(shù)累計的最小值。目標函數(shù)1、道路的建造費用：土方工程費、人工構造物2、征地費用；3、汽車營運費：包括汽車的油耗、磨損和折舊、道路養(yǎng)護費、汽車行駛速度和耗費時間的等效費用。第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五思考題：*了解平面線形設計的傳統(tǒng)方法（導線法）以及新的曲線型方法的概念；*掌握改進的導線法設計過程；*掌握曲線型方法設計基本型、C型、S型等平面線形的原理；*了解平面線形設計的基本組合；*了解公路線形最優(yōu)化設計的基本概念；*掌握一種方法的平面線形優(yōu)化設計，并了解優(yōu)化設計的難點是什么；*了解路線平面圖繪制的類型和基本思路。第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第五章縱斷面設計與繪圖第一節(jié)動態(tài)、交互縱斷面設計一、動態(tài)、交互式設計二、盡可能多地提供信息(平、縱配合，高程約束填挖、土方等積曲線、土方差和累積曲線)第二節(jié)縱斷面繪面一、用戶化可定義圖框、縱橫比例尺、欄目、格網(wǎng)、線型、顏色、字高、精度、線寬……第三節(jié)縱斷面優(yōu)化一、降維法二、隨機法三、動態(tài)規(guī)劃法第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五思考題：*了解動態(tài)、交互式縱斷面設計的方法與特點；*了解幾種常見的縱斷面線形優(yōu)化設計方法；*了解路線縱斷面圖繪制的特點。第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第六章橫斷面設計與繪圖第一節(jié)標準橫斷面定義路基范圍以內：簡單路基范圍以外：多變第二節(jié)路槽挖除定義對稱、不對稱第三節(jié)邊溝、排水溝、擋墻定義及設置條件一、經濟二、占地、地面橫坡第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)橫斷面設計與平面圖布置、透視圖的關系第五節(jié)橫斷面繪圖用戶化：格網(wǎng)、注記內容、形式……思考題：*了解標準橫斷面定義的作用；*了解擋土墻等構造物定義的作用；*了解超高、加寬方式的定義；*了解路基橫斷面圖繪制的特點。第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第七章路線透視圖的繪制第一節(jié)2DPersperctive一、原理用二維表達三維視覺效果屏幕坐標系、視點坐標系、大地坐標系之間的變換關系二、方法第二節(jié)3DPerspective一、原理3DModel和DTM關系密切二、方法對3DModel進行操作、渲染、動畫(Render、Animation、VirtualReality)第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五思考題：*了解2D、3D透視圖的基本概念；*了解2D路線透視圖與全景透視圖的區(qū)別；*了解3D路線模型的生成及其渲染、動化制作的聯(lián)系及過程。第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第八章表格制作表格制作是在幾何設計完成的基礎上，按要求生成一定帶格式的文件，如WPS，CCED，Word，Excel……開發(fā)相對簡單早期開發(fā)常見（需針對）直接驅動打印機，繪圖儀，現(xiàn)在較流行生成各種檢式的文件，打印管理交給系統(tǒng)。*直線、曲線轉角表*平曲線特征點表*逐樁坐標表*路基設計表*土石方工程數(shù)量表*公里土石方表*道路占地表第四十七頁，