Построение цифровой модели местности как основа для разработки информационных моделей транспортных сооружений

Building a digital terrain model as basis for development of information models of transport facilities

Титовская М.А.

27.06.2021 1990

6(87)

Цитировать:

Титовская М.А. Построение цифровой модели местности как основа для разработки информационных моделей транспортных сооружений // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 6(87). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11910 (дата обращения: 18.12.2024).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В данной статье раскрыто понятие цифровой модели местности, описаны типы их построения способы ее построения, оценка точности таких моделей, приведены различные методы ее применения и оценены перспективы и направления дальнейшего развития технологии.

ABSTRACT

This article discloses the concept of a digital terrain model, describes the methods of its construction, evaluates the accuracy of such models, presents various methods of its application and evaluates the prospects and directions for the further development of the technology.

Ключевые слова: цифровая модель, информационное моделирование, рельеф, координаты.

Keywords: digital model, information modeling, relief, coordinates.

Цифровая модель местности ЦММ (digital surface model) - это трехмерное графическое представление данных о возвышении «подъеме» точек земной поверхности на территории производства работ и ситуации на ней. Цифровая модель местности состоит из цифровой модели рельефа и цифровой модели ситуации.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) (digital elevation model) представляет собой численное отображение поверхности Земли, которое содержит точки с координатами XYZ фактической поверхности Земли без учета растительного покрова. Помимо геометрических характеристик точки ЦМР содержат так же данные о их принадлежности к различным типам топографических объектов (пашня, лес, болото и т.д.).

ЦММ являются важными исходными данными при выборе положения трассы линейных сооружений, которые в свою очередь. При разработке вариантов прохождения трассы проектируемой дороги учитываются данные о рельефе местности проектирования, информация о гидрологической ситуации, данных о грунтах и породах, слагающих данный рельеф участка проектирования. При разработке вариантов проложения трассы линейных объектов и выборе наиболее оптимального из них, решающим фактором являются такие технико-экономические показатели, как объем земляных работ, работ, степень трудоемкости, наличие стесненных условий, водных или грунтовых преград, возможности для обеспечения мер безопасности движения транспортных средств.

Для выполнения всех предъявляемых требований к проектируемым транспортным сооружениям при разработке цифровых информационных моделей необходимо учитывать всю имеющуюся информацию о местности на проектируемом участке. Цифровые модели предоставляют возможность оперативно корректировать детали проекта и просчитывать все возможное разнообразие вариантов [1].

Для построения ЦММ чаще всего используют данные со спутниковых снимков, данные полученные при проведении полевых изысканий или при производстве сканирования контурных карт [2]. Наибольшее практическое использование получили три типа построения цифровых моделей местности: регулярные, структурные и нерегулярные. При построении модели рельефа регулярного типа участвуют точки с известными пространственными координатами, на основании которых разбивается сетка рельефа с заранее выбранной и постоянной плотностью элементов. В местах сопряжения конечных элементов разбиения располагаются узлы (ранее описанные точки с трехмерными координатами), а сами элементы сетки часто имеют треугольный или квадратный вид, как показано на рисунке 1.

А) сетка из четырехугольных элементов Б) сетка из треугольных элементов

Рисунок 1. Виды построения сеток конечных элементов поверхности для построения регулярных моделей рельефа

Высотное положение опорных точек местности в регулярных цифровых моделях рельефа определяется линейной интерполяцией высот внутри заданного сегмента. При этом разработке цифровых моделей данного типа предполагает разбиение узлов сетки элементов одинакового (регулярного) масштаба. Данный процесс работы над моделью требует значительных трудовых и аппаратных ресурсов, что не всегда экономически обоснованно. При проектировании больших участков линейных сооружений, где не на всех участках требуются такие мелкомасштабные сетки элементов применение регулярных цифровых моделей рельефа не всегда рационально [3].

Разработка структурных цифровых моделей выполняется на основании данных об опорных точках рельефа местности с известными пространственными координатами, которые отражаются на структурных линиях рельефа- линиях перелома естественного местности, местах изменения углов откосов насыпи, уклонов котлованов , на характерных линиях дороги, как показано на рисунке 2. Изменение отметок вдоль структурной линии описывается полиномиальной зависимостью, которая позволяет оценить степень между всеми переменными координатами узлов сетки данного типа [4].

Рисунок 2. Структурная цифровая модель рельефа участка дороги

В отличие от регулярных цифровых моделей местности, для построения структурных моделей рельефа требуется меньший массив узловых точек. При выполнении линейной интерполяции структурный тип построения модели является более рациональным для отражения объективных данных о ситуации на участке проектирования дорожных сооружений

Нерегулярные цифровые модели местности строятся без использования четкой системы расположения опорных точек. При построении нерегулярной цифровой модели для точек указывается плотность их сгущения и далее координаты указываются в соответствии с расположением структурных линий рельефа местности.

Такой тип построения цифровых моделей позволяет наиболее рационально распределять масштаб и количество создаваемых конечных элементов, что позволяет сокращать количество времени затрачиваемого на этап разработку цифровых моделей рельефа. На сегодняшний день это самый распространенный способ для цифрового моделирования рельефа

В программных комплексах для удобства и оценки создаваемой модели рельефа поверхность проектного участка разбивается на треугольные составляющие т.е. проводится триангуляция. В геометрическом смысле процесс выполнения триангуляции был разработан и описан российским ученым Б.Н. Делоне [5]. Принцип производства триангуляции заключается в одновременном соблюдении двух условий, показанных на рисунке 3:

внутри описываемой вокруг треугольника окружности, описанной не должно находиться других сторонних вершин триангуляции;
ребра треугольников не должны пересекать структурных линий других элементов.

Рисунок 3. Условие триангуляции Делоне

Построение цифровых моделей местности позволяет оптимизировать процесс разработки проекта строительства транспортных сооружений и иметь оперативный доступ ко всем имеющимся данным о ситуации на местности. Помимо этого цифровая модель местности является основой для построения информационной модели объекта, что позволяет смоделировать текущих условий, протестировать поведение объекта в специфических условиях и получить данные о критических точках и своевременно принять меры по устранению фатальных воздействий на них во избежание отказов объекта в будущем[7], [8].

На сегодняшний день, развитие технологии построения информационных моделей моделирования в нашей стране находится на переходном этапе. Многие предприятия уже активно используют собственные наработки.

Информационное моделирование в ближайшем будущем станет такой же неотъемлемой частью процессов разработки проектов и сопровождения строительства, как сейчас применяются системы автоматизированного проектирования.

Список литературы:

D.Solar, P.Andres, S.Vivas Uso BIM en proyectos de Construccion en Espana // Spanish journal of BIM. 2019. №16/01.
Т.А. Хлебникова, С.Р. Горобцов Моделирование и пространственный анализ в ГИС. Новосибирск: СГУГиТ, 2018
Б.А. Новаковский, Р.В. Пермяков Комплексное геоинформационно-фотограмметрическое моделирование рельефа: учебное пособие. . - М: МИИГАиК, 2019.
В.В. Хромых, О.В. Хромых Цифровые модели рельефа: Учебное пособие.. - Томск: «: ТМЛ-Пресс», 2012
А.В. Скворцов Триангуляция Делоне и её применение. Томск: ТГУ, 2002.
Научно-производственная фирма "Топоматик" // topomatic.ru URL: http://www.topomatic.ru/ (дата обращения: 25.05.2021).
Высокая точность и прогнозируемость процесса строительства // autodesk.ru/ URL: https://www.autodesk.ru/collections/architecture-engineering-construction/ (дата обращения: 25.05.2021).
Growing evidence of the benefits of an integrated BIM+geospatial full lifecycle approach to construction // buildingsmart.org URL: https://blog.buildingsmart.org/blog/growing-evidence-of-the-benefits-of-an-integrated-bimgeospatial-full-lifecycle-approach-to-construction (дата обращения: 25.05.2021).

Информация об авторах