Глава 4. Инженерные изыскания и формирование ЦММ

4.1. Инженерно-геодезические изыскания

Инженерно-геодезические изыскания для строительства (реконструкции) автомобильных дорог должны обеспечивать получение топографо-геодезических материалов и данных о ситуации и рельефе местности, существующих зданиях и сооружениях, элементах планировки, необходимых для комплексной оценки природных и техногенных условий территории строительства.

В состав инженерно-геодезических изысканий для строительства дорог входят:

• сбор и обработка материалов инженерных изысканий прошлых лет, топографо-геодезических, картографических, аэрофотосъемочных и других материалов и данных;
• рекогносцировочное обследование территории;
• создание (развитие) опорных геодезических сетей, включая геодезические сети специального назначения для строительства;
• создание планово-высотных съемочных геодезических сетей;
• топографическая (наземная, аэрофототопографическая, стереофотограмметрическая) съемка;
• обновление инженерно-топографических и кадастровых планов в графической, цифровой, фотографической и иных формах;
• инженерно-гидрографические работы;
• камеральное трассирование и предварительный выбор конкурентоспособных вариантов трассы для выполнения полевых работ и обследований;
• полевое трассирование;
• съемки существующих железных и автомобильных дорог, составление продольных и поперечных профилей, пересечений линий электропередачи (ЛЭП), линий связи (ЛСВ), объектов радиосвязи, радиорелейных линий и магистральных трубопроводов.

Независимо от того, каким методом выполняются геодезические изыскания автомобильных дорог, важно, чтобы плотность съемочных точек была высокой и равномерной в продольном и поперечном направлениях. Таким образом, можно получить наиболее адекватное отображение существующей поверхности.

Основные факторы, которые должны учитываться при выборе технологии изысканий, это скорость выполнения работ и достоверность получаемых результатов.

Нивелирование по поперечникам. Технология геодезических изысканий, основанная на нивелировании поперечников по проектной трассе, является наиболее традиционной и привнесена из технологии изысканий новых дорог периода 50-60-х годов 20-го столетия. Суть ее заключается в том, что по оси дороге выполняется трассирование, закрепляется трасса, разбивается пикетаж и, с заданным шагом, выполняется нивелирование поперечников, нормальных (перпендикулярных) оси запроектированной дороги. Эта технология является чрезвычайно простой, требующей применения наиболее простых геодезических инструментов (теодолиты, нивелиры, рейки, рулетки), что обеспечивает ее живучесть даже в настоящее время.

Однако эта технология имеет ряд изъянов, которые не позволяют рассматривать ее в качестве базовой при геодезических изысканиях для проектирования реконструкций и ремонтов автомобильных дорог.

Во-первых, трассирование по существующей дороге (в случае реконструкции и ремонта) в полевых условиях, да еще на основе традиционных элементов трассирования, не позволяет выполнить эту процедуру достаточно качественно, то есть, с максимальным приближением проектируемой трассы по отношению к существующей.

Во-вторых, в то же время, делается допущение, что проектируемая трасса повторяет очертания существующей. И на этом основании выполняют дальнейшие изыскательские процедуры.

В-третьих, изменения проектных решений по трассе на этапе камеральных работ уже невозможно. Это обстоятельство характерно в целом для геодезических изысканий дорог "пикетным" методом.

Тахеометрическая съемка. Наиболее массовым в настоящее время видом геодезических измерений при изысканиях для проектирования дорог является тахеометрическая съемка (рис.4.1). Она обеспечивает необходимую точность измерений, но, в тоже время, достаточно трудоемка, особенно в условиях высокой транспортной загрузки проектируемой дороги.

Нивелирование на основе лазерных построителей плоскостей. Среди существующего в настоящее время многообразия лазерной геодезической техники наиболее эффективно применения для изысканий дорог лазерных построителей плоскостей (см. рис. 4.2.).

Опыт этого вида изысканий накоплен в научно-исследовательском институте проблем дорожного транспортного комплекса РГСУ. Компьютерная лазерная система позволяет с геодезической точностью определять отметки точек поперечных сечений с шагом 10 см. Прибор оснащен специальной тележкой со встроенным счетчиком пути и имеет электронные сегменты с матричной схемой расположения фотодиодов. Отдельно располагаемый излучатель генерирует луч в видимом спектре, который, попадая на определенный сегмент и фотодиод прибора, вызывает срабатывание соответствующей цепи электронной схемы и записывается в оперативную память. Частота регистрируемых точек регулируется и составляет 100-300 точек на поперечник, обуславливая отображение фактической поверхности в виде плотной последовательности точек.

После конвертации полученной информации в цифровую модель системы автоматизированного проектирования можно приступать к процессу проектирования на основе полной информации об очертаниях существующей поверхности ремонтируемой (модернизируемой) автомобильной дороги.

Съемка ультразвуковыми и лазерными профилографами. Съемка лазерными профилографами является наиболее производительной. В течение 1 смены можно выполнить съемку 100-150 км. Однако, в виду того, что лазерные профилографы, как правило, являются навесным оборудованием автомобиля, то точность таких измерений не высокая. Это обусловлено тем, что погрешность измерений вносится действием подрессоренной подвески автомобиля.

Лазерное сканирование. Работа лазерного сканера основана на измерении наклонной дальности D от источника измерения (лазера) до наземного объекта (дороги), являющегося препятствием на пути распространения лазерного луча. Такое препятствие вызовет появление отраженного импульса, который будет зарегистрирован приемником, а по времени задержки от момента излучения зондирующего импульса до регистрации отраженного импульса можно определить дальность D.

Одновременно определяются координаты пространственного положения носителя X,Y,Z за счет использования системы спутниковой навигации, а также углы ориентации зондирующего луча.

Знание этих 6-ти параметров внешнего ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей отражение. Основным результатом работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного изображения или "облака" лазерных точек (рис. 4.3). Отметим важную деталь – лазерно-локационное изображение всегда дискретно.

GPS-съемка (системы спутниковой навигации). Этот вид съемки, в последнее время, достаточно массово применяется при изысканиях автомобильных дорог. Однако, в виду того, что прибор (режим "кинематика") устанавливается на автомобиль (подрессоренная часть), точность таких измерений остается низкой. В режимах "статика" и "stop and go" GPS является достойной альтернативой тахеометрической съемке.

Существенным недостатком этого метода является и то, что в закрытой местности (залесенность, застройка) показания GPS могут давать сбои и отказы. Избежать этого можно совместным применением спутниковых и гироскопических систем.

4.2. Инженерно-геологические изыскания

Инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий района проектируемой автомобильной дороги, включая рельеф, геологическое строение, геоморфологические и гидрогеологические условия, состав, состояние и свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы, изменение условий освоенных (застроенных) территорий, составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой.

В состав инженерно-геологических изысканий дороги входят:

• сбор и обработка материалов изысканий прошлых лет;
• дешифрирование космо-, аэрофотоматериалов и аэровизуальные наблюдения;
• маршрутные наблюдения (рекогносцировочное обследование);
• проходка горных выработок;
• геофизические исследования;
• полевые исследования грунтов;
• гидрогеологические исследования;
• сейсмологические исследования;
• лабораторные исследования грунтов и подземных вод;
• камеральная обработка материалов;
• составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;
• оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических процессов.

Инженерно-геологические изыскания должны выполняться с применением прогрессивных методов работ, современных приборов и оборудования, обеспечивающих повышение производительности труда, улучшение качества и сокращение продолжительности изысканий.

Основной объем изыскательских работ для построения геолого-литологических разрезов, отбора образцов грунта, изучения их свойств, изучения гидрогеологических условий выполняется бурением скважин.

Кроме буровых и шурфовочных работ, для изучения инженерно-геологических условий проложения проектируемой дороги, применяют геофизические методы и георадарные технологии [12].

Георадар – цифровой, портативный, геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.

Его действие основано на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости.

В настоящее время георадар широко применяется в дорожной отрасли для следующих целей: определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов; изыскания карьеров дорожно-строительных материалов и оценки оснований под транспортные сооружения; распределения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях; эрозии грунтов на участках мостовых переходов.

4.3. Инженерно-экологические изыскания

Инженерно-экологические изыскания автомобильных дорог выполняются для экологического обоснования строительства и иной хозяйственной деятельности с целью предотвращения, снижения или ликвидации неблагоприятных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий и сохранения оптимальных условий жизни населения.

Инженерно-экологические изыскания дорог должны обеспечивать:

 

• комплексное изучение природных и техногенных условий территории, ее хозяйственного использования и социальной сферы;
• оценку современного экологического состояния отдельных компонентов природной среды и экосистем в целом, их устойчивости к техногенным воздействиям и способности к восстановлению;
• разработку прогноза возможных изменений природных (природно-технических) систем при строительстве, эксплуатации и ликвидации объекта;
• оценку экологической опасности и риска;
• разработку рекомендаций по предотвращению вредных и нежелательных экологических последствий инженерно-хозяйственной деятельности и обоснование природоохранных и компенсационных мероприятий по сохранению, восстановлению и оздоровлению экологической обстановки;
• разработку мероприятий по сохранению социально-экономических, исторических, культурных, этнических и других интересов местного населения;
• разработку рекомендаций и (или) программы организации и проведения локального экологического мониторинга, отвечающего этапам (стадиям) предпроектных и проектных работ.

В состав инженерно-экологических изысканий входят:

• сбор, обработка и анализ опубликованных и фондовых материалов и данных о состоянии природной среды, поиск объектов-аналогов для разработки прогнозов;
• экологическое дешифрирование аэрокосмических материалов с использованием различных видов съемок;
• маршрутные наблюдения с покомпонентным описанием природной среды и ландшафтов в целом, состояния наземных и водных экосистем, источников и визуальных признаков загрязнения;
• проходка горных выработок для установления условий распространения загрязнений и геоэкологического опробования;
• опробование почво-грунтов, поверхностных и подземных вод и определение в них комплексов загрязнителей;
• исследование и оценка радиационной обстановки;
• газогеохимические исследования;
• исследование и оценка физических воздействий;
• эколого-гидрогеологические исследования (оценка влияния техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий);
• почвенные исследования;
• изучение растительности и животного мира;
• социально-экономические исследования.

Инженерно-экологические изыскания выполняются на всех стадиях проектирования: прединвестиционной (концепции, программы) и инвестиционной (обоснование инвестиций, проект, рабочая документация).

Основной объем инженерно-экологических изысканий выполняют на стадии программ и обоснования инвестиций с целью обеспечения своевременного принятия объемно-планировочных, пространственных и конструктивных решений, гарантирующих минимизацию экологического риска и предотвращение неблагоприятных или необратимых экологических последствий.

Материалы инженерно-экологических изысканий должны обеспечивать разработку разделов "Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС)" в обоснованиях инвестиций и "Охрана окружающей среды" в проекте строительства (реконструкции) автомобильных дорог.

Поскольку инженерно-экологические изыскания выполняют, в основном, на предпроектной стадии (программы, обоснование инвестиций), то базовой автоматизированной технологией для их обработки, расчетов и последующей визуализации используют не САПР, а, как правило, ГИС.

4.4. Цифровое и математическое моделирование местности

4.4.1. Формирование рельефа и ситуации

При системном автоматизированном проектировании результатом топографо-геодезических работ является цифровая модель (массив точек) зоны проектирования. При геодезической съемке или последующей камеральной ее обработке точкам придают определенные атрибуты, необходимые для адекватного моделирования поверхностей, ситуации и корректной реализации всех последующих проектных процедур.

Таким образом, для построения рельефа и ситуации зоны проектирования формируются следующие исходные данные:

• точки, имеющие имя (Name), координаты (x, y, z), коды условных знаков, коды принадлежностей их к линиям и контурам;
• структурные линии, вдоль которых имеет место нарушение гладкости поверхности (линии обрывов, водоразделы, тальвеги, границы рек, озер, искусственных сооружений и пр.);
• ситуационные линии и контуры – данные о местности, такие как расположение лесов, рек, озер, дорог, домов и пр.

Точки обычно отображают графически в виде массива точек с подписью их высотного положения (см. рис. 4.6, а). Точка может нести информацию о точечных объектах (столб, дерево, геодезический знак и пр.). Обозначения этих объектов выбирают из соответствующих библиотек условных знаков и помещают, как правило, в отдельный слой отображения.

Поскольку в реальных проектах сложных сооружений инженер имеет дело с массивами размерностью в десятки и сотни тысяч точек, то, естественно, что современные САПР должны обладать развитыми средствами их визуального редактирования. В режиме редактирования точек, как правило, предусматривают контекстное меню. Состав команд контекстного меню зависит от количества и типа выделенных точек.

Приведем лишь несколько команд по редактированию точек.

Выделить все. Выделяет все точки активной поверхности для последующего их редактирования.

Выделить по признаку. Открывает подменю, из которого можно выбрать один из предложенных признаков выделения точек или задать свой признак.

Выделить все линии, относящиеся к точке. Выделяет все линии, проходящие через выделенную точку. Команда недоступна, если выделено несколько точек.

Копировать в слой. Копирует или перемещает выделенные точки в указанный слой.

Ситуационная/Структурная. Определяет статус точки.

Знаки… Назначение знаков выделенным точкам.

Структурные линии строят строго по рельефным точкам и по своей сути они являются трехмерными ломаными линиями (рис. 4.6, б). Следует отметить, что структурные линии не могут пересекаться, но могут примыкать друг к другу. Структурные линии могут оказывать существенное влияние на очертания поверхностей. Это их свойство будет более подробно рассмотрено в разд. 4.4.3.

Ситуационные линии и контуры могут проходить как по рельефным точкам, так и по ситуационным (не имеющим координату z). Условие прохождения этих линий и контуров через точки не является строгим. Для них нет также запрета на пересечения и наложения (рис. 4.6, в).

Как ситуационные, так и структурные линии имеют атрибуты цвета, толщины и стиля. Контуры имеют атрибуты заливки цветом или текстурой (условными знаками).

 

Рис. 4.6. Исходные данные для построения рельефа и ситуации:
а) массив точек; б) структурные линии; в) ситуационные линии и контуры

В случае заливки контуров один слой, (например, ситуация) может закрывать другой (например, триангуляция). Последовательность наложения слоев друг на друга определяется проектировщиком и может в процессе проектирования, при необходимости, изменяться.

4.4.2. Триангуляция Делоне и способы ее редактирования

Для моделирования поверхностей существуют различные виды структур: по горизонталям, по структурным линиям, по поперечникам к трассе или магистральному ходу, статистические [26]. На практике чаще всего используют два основных вида структур: регулярная (равномерная прямоугольная, рис. 4.7, а) и нерегулярная (триангуляционная, рис. 4.7, б).

Массив точек для регулярных моделей может быть представлен в следующем виде:

F, m, n, X₀, Y₀, Z₁₁,…, Z_1m,…, Z_nm,

где F – шаг сетки; m – число точек по горизонтали; n – число точек по вертикали; X₀, Y₀ – координаты начальной точки сетки, Z₁₁,…, Z_1m,,…, Z_nm – отметки точек в узлах сетки.

Таким образом, для однозначного представления регулярной сетки размерностью m´n требуется хранить всего m´n+5 чисел. Однако для адекватного представления поверхности с заданной точностью требуется высокая плотность точек, что сопряжено со значительной многодельностью работ по подготовке исходной информации. К тому же, в виду ограниченности быстродействия компьютеров и массивов обрабатываемых данных приходится выбирать между точностью представления (размером ячейки) и размером обрабатываемой поверхности.

Для нерегулярных моделей массив точек описывается последовательностью:

SX_i, Y_i, Z_i, T_i, R_i, L_i,

где X_i, Y_i, Z_i – координаты i-той точки (массив i = 1,…,k); T_i, R_i, L_i – соответственно принадлежность i-той точки T_i треугольнику, связь i-той точки с R_i и L_i точками в треугольнике.

Размерность нерегулярной сетки составляет 6k, что почти в 6 раз выше размерности регулярной сетки, но, в тоже время, для адекватного отображения поверхности требуется существенно меньшее количество точек.

Задача построения поверхности способом триангуляции является одной из базовых в вычислительной геометрии. К ней сводятся многие другие, связанные с моделированием поверхностей и решением пространственных задач в машинной графике, системах автоматизированного проектирования и геоинформационных системах.

Задачей построения триангуляции по заданному набору точек называется задача соединения точек непересекающимися отрезками так, чтобы образовалась триангуляция. Эта задача не является однозначной, поэтому возникает вопрос, какая из двух различных триангуляций лучше (оптимальна)?

Рассмотрим некоторые алгоритмы построения триангуляции.

Например, триангуляция Делоне, названная в честь советского математика Б. Н. Делоне (1934 г., [10])основана на ряде практических свойств:

• триангуляция, удовлетворяет условию Делоне, если внутрь окружности, описанной вокруг любого построенного треугольника, не попадает ни одна из заданных точек триангуляции;
• пара соседних треугольников триангуляции удовлетворяет условию Делоне, если этому условию удовлетворяет триангуляция, составленная только из этих двух треугольников;
• триангуляции удовлетворяет условию Делоне, если этому условию удовлетворяет триангуляция, составленная только из этого треугольника и трех его соседей (если они существуют).
• триангуляция Делоне обладает максимальной суммой минимальных углов всех своих треугольников среди всех возможных триангуляций;
• триангуляция Делоне обладает минимальной суммой радиусов окружностей, описанных около треугольников, среди всех возможных триангуляций.

Триангуляцию Делоне можно получить из любой другой триангуляции по тому же массиву точек, последовательно перестраивая пары соседних треугольников DABC и DBCD, не удовлетворяющих свойствам Делоне, в пары треугольников DABD и DACD (рис. 4.8). Такую операцию называют флип.

Важно, что операцию флип можно применять не только в составе алгоритма построения оптимальной триангуляции поверхности, но и в составе инструментов диалогового ее редактирования, что позволяет получать желаемые для проектировщика свойства этой поверхности.

Другим алгоритмом, который достаточно просто и наглядно демонстрирует последовательность построения оптимальной триангуляции, является жадный алгоритм. В качестве условия оптимизации здесь принята минимальная сумма длин всех ребер среди всех возможных триангуляций, построенных на тех же исходных точках. Этот алгоритм выполняется всего в 2 шага.

· Генерируется список всех возможных отрезков (рис. 4.9, а), соединяющих пары исходных точек, и он сортируется по длинам отрезков.

· Начиная с самого короткого, последовательно выполняется вставка отрезков в триангуляцию. Если отрезок не пересекается с другими ранее вставленными отрезками, то он вставляется, иначе – отбрасывается (рис. 4.9, б).

Заметим, что если все возможные отрезки имеют разную длину, то результат работы этого алгоритма однозначен. Иначе он зависит от порядка вставки отрезков одинаковой длины.

Трудоемкость работы жадного алгоритма составляет N²logN , где N – число точек в массиве. В связи со столь большой трудоемкостью на практике этот алгоритм применяется редко.

От выбора того или иного алгоритма триангуляции существенно зависит эффективность работы всей системы проектирования, а также достоверность получаемых результатов. Существенным является и вопрос выбора структуры данных для представления триангуляции.

В триангуляции можно выделить 3 основных вида объектов: узлы (точки, вершины), ребра (отрезки) и треугольники. В процессе выполнения конкретных проектных задач возникает необходимость выполнения вычислительных операций с этими объектами.

Приведем лишь некоторые из возможных операций.

• Треугольник ® узлы: требуется для получения высотной отметки проектной точки, расположенной внутри конкретного треугольника. Для этого устанавливаются координаты узлов этого треугольника, а далее в уравнение плоскости, проходящей через эти три узла, подставляются координаты x,y проектной точки.
• Узел ® ребра: требуется для анализа водоотвода на рассматриваемой поверхности. По узлу устанавливается список всех смежных ребер, каждое из которых анализируется на возможность "перелива" воды.
• Треугольник ® треугольник: требуется для построения изолиний рассматриваемой поверхности. По треугольнику устанавливается список соседних с ним треугольников и на них вычисляется геометрическое место точек с заданной высотной отметкой.

4.4.3. Анализ рельефа (поверхностей)

Одной из базовых задач анализа триангуляционных поверхностей является построение разрезов: вертикальных (профилей) и горизонтальных (изолиний).

В задаче построения профилей на поверхности задается некоторая прямая, ломаная или трасса, вдоль которой требуется построить разрез (рис. 4.10, а). Для этого необходимо пройти вдоль этой линии (ломаной, трассы), вычисляя последовательно точки ее пересечения с ребрами триангуляции. Результатом этой работы будет вертикальный разрез (рис. 4.10, б). При проектировании дорог эта задача является исключительно актуальной, так как проектируемым трассам сопутствуют множество продольных и поперечных профилей.

 

Изолиниями называют линии пересечения горизонтальных плоскостей уровня h с триангуляционной поверхностью.

В практике ручного проектирования изолинии являлись практически основными символами для отображения и чтения рельефа топографических планов. По ним определяли линии водораздела и тальвеги, площади водосборных бассейнов и экспозиции склонов и т.п. На основе изолиний, применяя методы интерполяции и экстраполяции, строили продольные и поперечные профили.

При автоматизированном проектировании изолинии являются лишь одним из способов визуальной интерпретации поверхности. Они не являются расчетными элементами моделей, а служат скорее вспомогательным средством для "инженерного прочтения" поверхностей в традиционно сложившихся понятиях. Но даже в этом качестве изолинии по-прежнему остаются востребованными в проектной и картографической деятельности.

Алгоритм построения изолиний состоит из двух шагов:

• Помечаем каждый треугольник триангуляции, по которому проходит изолинии, то есть выполняется условие min(z₁, z₂, z₃) < h < max(z₁, z₂, z₃), где z_i– высоты трех его вершин.
• Для каждого такого треугольника выполняем отслеживание такой изолинии в обе стороны от данного треугольника, пока один конец не выйдет на другой или на границу триангуляции.

Главными недостатками алгоритмов построения изолиний являются резкие изломы и их сильная осцилляция. Это связано с неравномерностью получаемых узловых точек изолиний и используемым линейным методом интерполяции.

Наиболее простой и понятный способ сгладить изолинии, это применить полиномы высоких степеней или сплайны. Однако, в этом случае, возможно пересечение изолиний разных уровней, что является признаком неадекватного представления поверхностей.

Другой способ сглаживания заключается в том, что для всех изолиний строятся неперекрывающиеся коридоры. А затем в их пределах уже строятся изолинии в виде ломаных минимальной длины или гладких кривых Безье.

 

Более наглядным отображением поверхности, по сравнению с изолиниями, является ее отображение изоконтурами, которые по природе построения близки к изолиниям. Особенно наглядным будет представление поверхности изоконтурами в цветовом спектре, которое позволяет быстро выявлять на поверхности пониженные (повышенные) места, тальвеги, водоразделы, седловины и пр.

Изоконтурами между уровнями h₁ и h₂ называется геометрическое место точек на поверхности, имеющих высоту hє(h₁, h₂).

 

При автоматизированном проектировании визуальный анализ триангуляционной поверхности осуществляют чаще всего на триангуляции, дополненной эффектом псевдотвердотельности этой поверхности. Этот эффект достигается за счет освещения поверхности точечным источником света, имитирующим освещенность Земли Солнцем.

Естественно, что, в зависимости от положения источника света и экспозиции элементарного участка поверхности (треугольника) одни участки поверхности будут темнее (или светлее), чем другие.

На рис. 4.13, а приведен участок поверхности, освещаемый источником света, расположенным на северо-западе; а на рис. 4.13, б приведен участок поверхности, освещаемый с юго-востока.

 

Как видно из рис. 4.13, данная поверхность представляет собой фрагмент дороги с примыканием. Однако контуры откосов построены с некоторыми нарушениями. Их можно скорректировать, если провести структурные линии по кромкам, бровкам дороги и подошвам откосов насыпи (рис. 4.14, а)

 

Повысить наглядность также можно за счет того, что разные элементы дороги (откосы, обочины, проезжая часть) будут закрашены разными цветами (рис. 4.14, б)

Практический интерес представляет построение на триангуляционной поверхности градиентов по каждому треугольнику. Градиент, как правило, обозначают стрелкой по центру треугольника. Острие стрелки указывает направление наибольшего уклона в данном треугольнике. Величина стрелки нормирована по величине этого уклона. Таким образом, можно отслеживать направления наибольшего стока воды, а также визуально фиксировать вырожденные треугольники триангуляции.

 

Для дорожного проектирования, также как и для генеральных планов территорий, одной из целей проектирования является обеспечение отвода воды с проектируемого объекта. Поэтому задача визуализации зон застоя воды также является одной из практически востребованных задач. Алгоритм построения таких зон заключается в следующем:

• Среди всех вершин триангуляции находятся те, которые ниже, чем все смежные вершины (две вершины являются смежными, если они соединены ребром). Таким образом, все найденные вершины являются "чашами" – местами, где будут собираться лужи на местности.
• Наполняем каждую чашу водой и находим лужи. Для этого передвигаемся от вершины в центре каждой чаши в разные стороны по рёбрам к другим вершинам до тех пор, пока какое-то ребро не перегнётся, т.е. пока мы не найдем вершину – точку перегиба поверхности. Эти точки перегиба обладают свойством, что если лужа переполнится, то через эту точку вода будет выливаться из лужи. Среди всех точек перегиба мы выбираем ту, которая имеет меньшую высоту, и на основании этого мы сможем определять емкость лужи.
• Если образовались мелкие лужи, то производиться их проверка на слияние.

С позиции оценки безопасности движения по дороге задача построения зон и линий видимости является также актуальной. Суть задачи заключается в том, что по заданному положению наблюдателя (водителя движущегося автомобиля) определяют, какие участки поверхности ему видны, а какие – нет. Чаще всего эту задачу решают по упрощенному алгоритму:

• Строят лучи, исходящие из точки наблюдателя в разные стороны.
• Строят профили поверхностей вдоль этих лучей.
• Методом плавающего горизонта формируются видимые и невидимые части этих профилей.

Расчет объемов земляных работ при традиционном (ручном) проектировании автомобильных дорог выполняют, как правило, на основе поперечных профилей. Однако этот подход не является ни универсальным, ни наиболее точным.

На участках примыканий, пересечений дорог, транспортных развязок расчет объемов земляных работ можно выполнить по схеме вычитания объемов поверхностей (проектной и исходной). Эта задача не является тривиальной, поскольку исходная и проектная поверхности могут сколько угодно раз взаимно пересекаться, порождая зоны срезки (выемки) и засыпки (насыпи) грунта.

Алгоритм расчет объемов земляных работ как разности двух поверхностей состоит из следующих шагов:

Определяется минимальный многоугольник, охватывающий триангуляции исходную (Т1) и проектную (Т2) как пересечение охватываемых триангуляцией территорий.

Создается новая триангуляция Т и в нее вносятся в качестве структурных ребер все ребра триангуляции Т1 и Т2. Для каждого узла триангуляции Т нужно вычислить его высоты в триангуляциях Т1 и Т2 соответственно.

Для каждого треугольника новой триангуляции определяют, не пересекаются ли триангуляции Т1 и Т2 в пределах этого треугольника:

• если высоты треугольника в триангуляции Т2 выше, чем в триангуляции Т1 , то это – зона насыпи;
• если высоты треугольника в триангуляции Т2 ниже, чем в триангуляции Т1 , то это – зона выемки;
• если высоты треугольника в триангуляции Т2 те же, что и в триангуляции Т1 , то это – зона нулевых работ;
• если одна (или две) высота треугольника в триангуляции Т2 выше, чем в триангуляции Т1, а две (или одна) другие ниже, то поверхности пересекаются в пределах данного треугольника. Необходимо найти пересечение двух пространственных треугольников в виде некоторого отрезка, разделяющего треугольник на 2 части, которые в дальнейшем войдут в разные результирующие зоны: насыпи и выемки.
• Суммируются объемы насыпей и выемок.

Выше нами были рассмотрены лишь некоторые из задач анализа поверхностей и приведены общие описания алгоритмов решения этих задач. В практике проектирования перечень таких задач чрезвычайно широк и каждая из них может быть решена с применением того или иного алгоритма: все зависит от характера задачи, требуемой точности вычислений, формы представления и области приложения получаемых результатов.

4.5. Построение ЦММ и ситуации в IndorCAD/Road

Чтобы построить ЦММ в IndorCAD/Road, необходимо по команде меню Файл|Создать проект создать "пустой" проект и импортировать в него (команда Файл|Команда) файл точек в формате *.txt. Точки могут быть получены, в свою очередь, в результате обработки материалов геодезических материалов, оцифровки растровой подложки или из других САПР. IndorCAD/Road поддерживает открытый обменный формат Credo (*.top) и текстовые файлы GIP (*.odb).

В процессе анализа массива точек проекта часто возникает необходимость добавления и удаления точек. Добавление точек можно осуществлять в режиме диалога. Для создания новых точек в системе IndorCAD/Road реализовано три процедуры: Создание точек, Создание точек относительно активной трассы и Создание точек в вершинах параллелограмма.

Чтобы включить процедуру создания точек, щелкните кнопку Создание точек на панели инструментов "Точки". В этом режиме курсор мыши принимает вид стрелки с точкой . Для создания точки достаточно щелчком мыши указать положение точки на плане и подтвердить ее координаты в появившемся диалоговом окне (рис. 4.16).

В результате на активной поверхности появится новая точка, которая будет подсвечена желтым цветом.

Часто досъемку точек, особенно ситуационных, выполняют не в общей системе координат, а относительно проектируемой (существующей трассы). В этом случае дополнительный ввод точек осуществляют по команде Создание точек относительно трассы на панели инструментов "Точки". Режим становится доступным при наличии хотя бы одной трассы. В этом режиме курсор принимает вид прицела с перпендикуляром, проведенным к активной трассе (рис. 4.17). В строке состояния отображаются значения пикета и смещения курсора мыши относительно активной трассы. Для создания новой точки достаточно щелчком мыши указать положение точки на плане и подтвердить ее координаты в появившемся диалоговом окне.

При геодезической съемке зданий и сооружений прямоугольной, а в общем случае параллелограммной формы, одна или две угловые точки сооружения не видны со станции съемки. Для ускорения полевых работ эти точки, как правило, восстанавливают аналитически или графически в камеральных условиях. В системе IndorCAD/Road для этих целей реализована процедура Создание точек в вершинах параллелограмма. Процедура становится доступной при наличии хотя бы двух точек на активной поверхности. В этом режиме курсор мыши вблизи точек активной поверхности принимает вид стрелки с цифрами: один, два и три.

Следуя указаниям в строке подсказки, последовательными щелчками мыши выберите три или две точки активной поверхности (выбранные точки окрашиваются в синий цвет). По этим точкам строится параллелограмм и проектируются недостающие вершины, которые отображаются красным цветом. На месте вершин красного цвета будут созданы новые точки (рис. 4.18).

Для завершения построения необходимо указать третью точку активной поверхности или любую другую точку. Если выбрано три точки активной поверхности (рис. 4.18 а), то появляется окно Добавление точки (рис. 4.19 а), в котором отображаются координаты новой точки. Высотная отметка точки доступна для изменения. Если параллелограмм строится по двум точкам активной поверхности (рис. 4.18 б), то появляется диалоговое окно Добавление точек (рис. 4.19, б), в котором можно определить положение создаваемых точек относительно выбранных (расстояние и угол).

Любые действия над точками выполняются в режиме редактирования точек, который включается кнопкой Редактирование точек на панели инструментов "Точки" или нажатием клавиши P. Режим становится доступным при наличии точек на активной поверхности. Для редактирования доступны только выделенные точки, эти точки подсвечиваются желтым цветом. Список команд, которые могут быть выполнены в этом режиме, отображается в контекстном меню.

В режиме редактирования точек предусмотрено контекстное меню, которое открывается щелчком правой кнопки мыши. Состав команд контекстного меню зависит от количества и типа выделенных точек. Команды контекстного меню позволяют выделять точки активной поверхности, редактировать и удалять выделенные точки (рис. 4.20).

Моделирование и редактирование триангуляционной поверхности

Поверхности в системе IndorCAD/Road моделируются с помощью триангуляции, построенной по рельефным точкам и структурным линиям. Следует заметить, что моделирование триангуляционной поверхности в IndorCAD/Road происходит автоматически, по появлению в проекте рельефных точек. Добавление рельефных точек также приводит к локальному автоматическому перестроению триангуляционной поверхности. Очертания такой поверхности не всегда адекватны ожиданиям проектировщика и в этом случае выполняется редактирование поверхности.

Для редактирования поверхностей предусмотрено три режима: Редактирование триангуляции, Задание невидимых треугольников и Закраска поверхности. Ниже приведено описание этих режимов работы.

Редактирование триангуляции. Чтобы включить режим, щелкните кнопку Редактирование триангуляции, расположенную на панели инструментов "Поверхности". В этом режиме курсор мыши на ребрах триангуляции, доступных для редактирования, принимает вид . Чтобы перестроить ребро триангуляции в паре смежных треугольников, щелкните по нему левой кнопкой мыши. Команда не может быть выполнена, если

· четырехугольник, образованный двумя смежными треугольниками, не является выпуклым,

· ребро образовано структурной линией.

Задание невидимых треугольников. Чтобы включить режим, щелкните кнопку Задание невидимых треугольников, расположенную на панели инструментов "Поверхности". Для задания невидимых треугольников необходимо провести специальные линии, пересекающие их ребра. Секущая линия определяется двумя щелчками мыши, первый из которых задает начальную точку линии, второй – конечную. Чтобы отменить построение секущей, выполните команду Отменить построение из контекстного меню или нажмите клавишу BkSp.

Треугольники, ребра которых пересекают секущие линии, становятся невидимыми. При выходе из режима секущие линии на плане не отображаются (см. рис. 4.22).

Чтобы удалить секущую линию, щелкните ее мышью и нажмите клавишу Delete или выполните команду меню Правка|Удалить. С клавишей Shift можно выделить и удалить несколько линий. Чтобы удалить все линии, выполните в меню Правка команду Выделить все, а затем команду Удалить.

Закраска поверхности. При построении триангуляционной поверхности все треугольники триангуляции окрашиваются установленным по умолчанию цветом. Режим закраски поверхности позволяет раскрасить их разными цветами. Чтобы включить этот режим, щелкните кнопку Закраска поверхности, расположенную на панели инструментов "Поверхности". Для закраски треугольников триангуляции необходимо провести красящие линии так, чтобы они пересекали ребра этих треугольников. Для построения красящей линии последовательными щелчками мыши укажите положение ее узлов. Чтобы отменить предыдущий узел, нажмите на клавишу BkSp или выполните команду Удалить последнюю точку из контекстного меню. Чтобы завершить построение линии, установите курсор на ее последний узел (рядом с курсором появится "флажок") и щелкните левой кнопкой мыши, или выполните команду Завершить построение из контекстного меню. Для отмены построения нажмите клавишу Esc или выполните команду Отменить построение из контекстного меню.

После создания линии выполните в меню Правка команду Свойства… и в появившемся диалоговом окне выберите подходящий цвет.

После построения и редактирования поверхности следующий этап работы в ЦММ – построение ситуационных и структурных линий и полигонов. Принципы их построения одинаковы, но по завершению каждого построения необходимо указать, является эта линия (полигон) структурной или ситуационной. По умолчанию построенная линия (полигон) – ситуационная.

Для построения линий и полигонов в системе IndorCAD/Road реализовано четыре режима: Построение линии по существующим точкам, Построение линии по существующим и новым точкам, Построение сопряжения и Построение эквидистантной линии. Ниже приведено описание некоторых из этих режимов.

Построение линии по существующим точкам. Чтобы включить режим построения линий по точкам активной поверхности, щелкните кнопку Построение линии по существующим точкам, расположенную на панели инструментов "Линии и полигоны". Режим становится доступным при наличии хотя бы двух точек на активной поверхности. Последовательными щелчками мыши выбираются точки, по которым строится линия. Выбранные точки и построенные по ним сегменты линии подсвечиваются желтым цветом. Чтобы отменить выбор последней точки, включенной в линию, нажмите на клавишу BkSp или выполните команду Отменить последнюю точку из контекстного меню. Выбор точки, уже принадлежащей данной линии (кроме первой и последней), исключает из линии все точки, приводящие к образованию замкнутого контура. При этом курсор принимает вид прицела со знаком минус. Чтобы отменить построение линии, нажмите на клавишу Esc или выполните команду Отменить построение из контекстного меню.

Чтобы завершить построение линии, установите курсор на последнюю точку, включенную в линию, (курсор примет вид ) и щелкните левой кнопкой мыши, или выполните команду Завершить построение из контекстного меню. Для построения полигона щелкните на начальной точке линии.

Откроется диалоговое окно Параметры, которое содержит следующие опции:

· Установить точкам равную отметку. При выборе этой опции становится доступным поле ввода, в котором можно задать Z-отметку линии;

· Сделать линию структурной. Выберите эту опцию, чтобы определить линию как структурную и поместить ее в группу структурных линий. При этом ситуационные точки линии приобретают статус рельефных и включаются в триангуляцию. Иначе линия будет определена как ситуационная и помещена в группу ситуационных линий.

· Вызвать диалог настройки линии. Если выбрана эта опция, то после нажатия на кнопку OK открывается диалоговое окно Свойства линии, в котором можно выбрать стиль отображения линии, имя, группу, определить ее цвет и толщину (см. пункт Выделить линию/полигон, установить свойства).

При нажатии на кнопку ОК на активной поверхности появится новая линия. Кнопка Отмена позволяет отказаться от создания линии.

Построение эквидистантной линии. Эквидистантной называется линия, равноудаленная от какого-либо объекта (линии или полигона). Чтобы включить режим, щелкните кнопку Построение эквидистантной линии, расположенную на панели инструментов "Линии и полигоны".

 

В данном режиме линии активной поверхности, на которые указывает стрелка мыши, отображаются фиолетовым цветом. Щелчком мыши выделите объект, относительно которого требуется построить эквидистантую линию. Перемещая курсор, задайте расстояние эквидистантной линии до выделенного объекта (его значение будет отображаться в строке статуса). Чтобы отменить выбор объекта, щелкните правой кнопкой мыши и выберите другой объект для построения эквидистантной линии.

Чтобы завершить построение эквидистантной линии, щелкните левой кнопкой мыши. Откроется диалоговое окно Создание эквидистантной линии для настройки ее параметров (рис. 4.28). Для того чтобы подтвердить или отменить создание эквидистантной линии воспользуйтесь кнопками ОК или Отменить. Заметим, что эквидистантная линия наследует свойства объекта, относительно которого она была построена.

 

Любые действия над линиями выполняются в режиме редактирования линий, который включается кнопкой  Редактирование линий на панели инструментов "Линии и полигоны" или нажатием клавиши E. Режим становится доступным при наличии линий на активной поверхности. Для редактирования доступны только выделенные линии, такие линии подсвечиваются желтым цветом. Список команд, которые могут быть выполнены в этом режиме, отображается в контекстном меню.

 

Система IndorCAD/Road имеет разнообразные режимы и инструменты для работы с ЦММ. Полный их перечень приведен в Справочном руководстве. По завершению работы с ЦММ можно приступать к проектированию автомобильной дороги.