在水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用

劉 勝

(重慶市開縣水務(wù)局，重慶開縣405400)

在水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用

劉 勝

(重慶市開縣水務(wù)局，重慶開縣405400)

數(shù)字地面模型是對地面諸多特性空間分布進(jìn)行描述的有序數(shù)值陣列，是對多種或某種地面特性空間分布的數(shù)字化描述。鑒于設(shè)計(jì)階段于水利水電工程建設(shè)的重要性，概述了數(shù)字地面模型的內(nèi)涵，并從等高線繪制、庫容分析、斷面圖繪制、土石方量計(jì)算4個(gè)方面來就水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用作出分析，意在為水利水電工程的實(shí)踐設(shè)計(jì)提供借鑒與支持。

水利水電工程設(shè)計(jì);數(shù)字地面模型;特性空間分布;應(yīng)用;分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字地面模型的日趨成熟，數(shù)字地面模型在災(zāi)情監(jiān)控、資源調(diào)查、測繪遙感、水利工程勘測規(guī)劃、地學(xué)分析、軍事領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般情況下，水利水電工程的設(shè)計(jì)通常有多個(gè)方案，要選擇最佳的方案，才能保證工程建設(shè)合理科學(xué)性。而要從根本上克服繁瑣的選擇，在短時(shí)間內(nèi)完成多種方案的比較分析，就需要運(yùn)用CAD技術(shù)。而數(shù)字地面模型就是水利水電工程設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。因此，對水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用進(jìn)行探討就顯得十分必要，對于水利水電工程設(shè)計(jì)優(yōu)化具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字地面模型的內(nèi)涵概述

地形表面同一般數(shù)學(xué)曲面存在差異，有著較為復(fù)雜的形態(tài)，在表達(dá)和處理數(shù)學(xué)公式的選擇上難以確定，通常應(yīng)用插值法，以原有離散點(diǎn)為依據(jù)，來進(jìn)行未知點(diǎn)高程的插補(bǔ)。數(shù)字地面模型分為TIN(不規(guī)則三角形網(wǎng)模型)和RSG(規(guī)則放個(gè)形網(wǎng)模型)兩類，其中，TIN對于各種數(shù)據(jù)的分布密度均適用，利于各種地形特征信息的更新與直接利用，具有保持原有精度、可直接利用原始數(shù)據(jù)、適應(yīng)不規(guī)則形狀區(qū)域、高線算法簡單、唯一性好等優(yōu)點(diǎn)，因而成為應(yīng)用最廣的數(shù)字地面模型。

水利水電工程施工布置是施工組織設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，由于其影響因素多，內(nèi)容龐雜，因此，施工場地布置是一項(xiàng)復(fù)雜的工作本文就水利水電工程施工布置三維設(shè)計(jì)、重要施工設(shè)施廠址優(yōu)選和布置方案優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行了研究 數(shù)字地面模型是施工三維布置的基礎(chǔ)，在比較矩形網(wǎng)格和三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型各自的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文建立了三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型基于三角網(wǎng)格數(shù)字地面模型可以較精確計(jì)算出在施工場地布置中所發(fā)生的土石方工程量，完成對堆渣場和場地平整設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了土方填挖后的三維模型施工道路作為物料運(yùn)輸主要渠道，提出了用直紋曲面來表示施工道路的三維模型對以混凝土工程為主的水利水電工程施工布置而言，應(yīng)著重布置混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，混凝土各生產(chǎn)系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)度強(qiáng)、物料運(yùn)輸頻繁，此時(shí)廠址選擇是多個(gè)相關(guān)聯(lián)廠址選擇問題，借用企業(yè)物流中心上下游供應(yīng)關(guān)系和物流中心選址數(shù)學(xué)模型，建立了料場、加工廠、拌和系統(tǒng)、澆筑點(diǎn)之間的物料運(yùn)輸模型將線性規(guī)劃軟件LINDO用于模型的求解，得到較為合理的廠址選擇方案和物料運(yùn)輸方案在混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施選址的基礎(chǔ)上，通過分析設(shè)施間的鄰接關(guān)系，構(gòu)造出初步布置方案，由于布置方案影響因素多，因素復(fù)雜，認(rèn)為施工布置中的模糊性應(yīng)當(dāng)受到重視.

2 水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用數(shù)字地面模型來進(jìn)行等高線的繪制

等高線繪制是以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ)的，采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行等高線的自動(dòng)繪制，常用方法包括三角網(wǎng)法和格網(wǎng)法兩種，相比于格網(wǎng)法，三角網(wǎng)法具有眾多優(yōu)勢，故本文圍繞三角網(wǎng)法來展開論述，運(yùn)用三角網(wǎng)法來繪制等高線，制圖的原始資料為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，將離散點(diǎn)中距離最近的三點(diǎn)構(gòu)成三角形，每個(gè)三角形是一個(gè)空間面的表示，從而構(gòu)成三角網(wǎng)，而三角形公共邊就是這些面的交線，因此，原始數(shù)字模型信息可用三角形各頂點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行表示。如圖1所示，為基于數(shù)字地面模型的等高線繪制圖(等高距比例:1∶1 000)，在建立數(shù)字地面模型時(shí)，應(yīng)遵循如下原則:①唯一的數(shù)字地面模型;②數(shù)字地面模型的組成為周圍鄰近觀測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量確保所有三角形均為三邊長度近似相等或銳角三角形，從而避免過小銳角或過大鈍角的出現(xiàn);③確保三角形的構(gòu)成為最鄰近三點(diǎn)，即做到最小的邊長之和;④不存在任意兩三角形相交情況的出現(xiàn)。而在應(yīng)用數(shù)字地面模型來繪制等高線時(shí)，則應(yīng)對以下因素進(jìn)行考慮:首先，曲線必須通過已知節(jié)點(diǎn)(等值點(diǎn));其次，保持節(jié)點(diǎn)處曲線的光滑，即連續(xù)倒數(shù);再次，曲線于相鄰兩節(jié)點(diǎn)不存在多余擺動(dòng);最后，等高線在同一高程不能相交。通常來講，曲線光滑法能夠滿足前兩點(diǎn)要求，但對后兩點(diǎn)則難以完全滿足，特別是在節(jié)點(diǎn)較稀疏或分布不均時(shí)，更為明顯，而在三角網(wǎng)離散點(diǎn)分布較均勻、較密的情況下，運(yùn)用5點(diǎn)光滑法則可滿足后兩點(diǎn)要求。

圖1 基于數(shù)字地面模型的等高線繪制圖

2.2 應(yīng)用數(shù)字地面模型來分析庫容

應(yīng)用三角形法來構(gòu)建數(shù)字地面模型，將庫區(qū)進(jìn)行若干三角形的微分，每個(gè)三角形均包含高程和平面的基本信息，只要賦予其對應(yīng)值，就可在正常高水位平面投影成一個(gè)三角形，一一連接兩個(gè)形的對應(yīng)點(diǎn)，就可形成一個(gè)三菱主體，如圖2所示，便可以此為依據(jù)，來對庫容進(jìn)行計(jì)算。取三點(diǎn)高差的平均值(h1+h2+h3)/3，運(yùn)用三角形體積公式，V=S*h，之后疊加全部三菱柱體積，便可將庫區(qū)的庫容算出。而在計(jì)算和分析庫區(qū)淹沒面積時(shí)，則可賦予林地、土地、房屋等信息，之后對各類面積作出分類的統(tǒng)計(jì)，對于淹沒所穿越三角形部分在淹沒范圍的情況，可用等值線追蹤等值點(diǎn)的方面來進(jìn)行處理，將高程等指點(diǎn)的平面位置計(jì)算出來。

圖2 應(yīng)用數(shù)字地面模型所形成的三菱柱體

2.3 應(yīng)用數(shù)字地面模型來繪制斷面圖

在水利水電工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)部門需要對設(shè)計(jì)線路所在斷面的形狀進(jìn)行了解，而斷面圖則能夠?qū)嗝嫘螤钭鞒鲚^為直觀、真實(shí)地反映。在實(shí)際應(yīng)用中，斷面圖的繪制有兩種形式:①任意方向和長度，來繪制某一樁距斷面圖;②中線走向、曲線元素、折點(diǎn)坐標(biāo)、樁距已知，來繪制斷面圖。而這兩種繪制方式，在數(shù)字?jǐn)嗝婺Ｐ偷膽?yīng)用上，有著一樣的算法原理。首先由相關(guān)人員負(fù)責(zé)對兩端點(diǎn)位置的提供，后遂進(jìn)行直線方程的建立，來計(jì)算數(shù)字地面模型三角網(wǎng)和直線的焦點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)端點(diǎn)坐標(biāo) A(Ax，Ay)，B(Bx，By)，則直線方程式為:Y=Kx+b，式子中，K=(By-Ay)/(Bx-Ax)，b=By+Kay。首先，將直線所穿三角形找出，后對直線所穿邊的內(nèi)插高程值(涵蓋起點(diǎn)與終點(diǎn)高程值)和焦點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，之后，便可就起點(diǎn)至近點(diǎn)距離作出計(jì)算，依次類推至終點(diǎn)，最后以距離和高程信息為依據(jù)，來將斷面圖繪制出來。

2.4 應(yīng)用數(shù)字地面模型來計(jì)算土石方量

土石方量(壩型、壩軸線、土石方填筑量及開挖量)的計(jì)算是水利水電工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)選的一項(xiàng)重要依據(jù)，其常用方法包括斷面法和三角網(wǎng)法(格網(wǎng)法)，前者用于對指定區(qū)域內(nèi)土石方量的計(jì)算，其應(yīng)用的關(guān)鍵是求得各個(gè)橫斷面面積，在各三角網(wǎng)和橫斷面的高程與交點(diǎn)坐標(biāo)已知時(shí)，運(yùn)用辛普生公式或梯形公式便可實(shí)現(xiàn)。而后者則能夠?qū)λ姽こ陶w的填、挖方量作出計(jì)算，適用于總體的工程控制。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)工作貫穿于水利水電工程建設(shè)的整個(gè)過程，借鑒上述內(nèi)容，來保證水利水電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字地面模型的合理科學(xué)應(yīng)用，來不斷完善其設(shè)計(jì)不足，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平，從而為水利水電工程建設(shè)的耐久性、安全性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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1007-7596(2012)09-0097-02

2012-09-18

劉勝(1978-)，男，重慶開縣人，助理工程師，從事水利設(shè)計(jì)工作。