设计过程的数字化是工程设计的重要发展趋势.计算机辅助设计(CAD)技术是实现技术过程数字化的关键环节,它推动了几乎一切领域的设计革命.在公路工程领域,随着计算机、公路设计和测量等技术的进步,公路工程CAD技术不断向纵深发展.该文围绕着公路CAD技术和系统构建中的关键问题,对其原理、方法和算法展开了较系统、深入的研究.论文的主要工作包括以下几方面:(1)论述国内外公路CAD技术的发展历程与现状,分析当今公路领域具有代表性的CAD系统的功能特点.对国内公路CAD技术与系统的研究情况进行了分析,重点综述了对系统模型的研究,同时指出目前国内公路工程CAD系统存在的问题和发展趋势.(2)对公路CAD技术、系统的总体结构、测设一体化技术的集成框架结构、数字地面模型(DTM)在公路CAD中核心作用和基于DTM的公路设计流程进行了阐述分析.(3)针对标准Delaunay三角化理论在DTM构网等应用中存在的不足,提出了任意域约束Delaunay三角化(CDTAD)的概念和理论,并给出与之对偶的Voronoi图定义和主要性质.CDTAD与其它解决任意域三角化方法相比,具有理论严密、网形良好、带有线段约束和无需附加点等特点.依据CDTAD点插入和边插入理论,设计了基于栅格和三角形拓扑的快速优化构网方法.该方法不但在整体上快速,而且具有三角化时间与散点数近似成线性关系的良好特性.(4)在DTM构网时仅考虑二维优化是不充分的,平面上优化的网格在三维空间形状不一定良好,所以提出基于顶点价值的优化算法对网格进行空间优化.针对DTM网格中的非法平坦三角形问题,设计了基于交换边和点插入的平坦三角形自动修正法.在局部坐标系曲面插值理论基础上,提出一种新的DTM单点插值方法,并成功地应用于由散点生成数字高程模型(DEM)及由不规则三角网(TIN)模型向DEM转化问题.提出基于准双三次样条DEM内插方法,该方法不但克服了双线性插值的不足,而且具有较小的插值误差.(5)从顶点删除所引起的体积变化量出发,构造出用于度量顶点重要程度的修正距离判据,以此作为模型顶点是否可以删除的依据.修正距离中不仅包含了距离项,而且引入了角度修正系数,从而使该判据可以很好地描述模型的局部尖锐程度.修正距离判据具有几何意义明显、计算简便和合理描述局部几何形状等特点.以修正距离为基础,提出了基于修正距离判据的模型简化方法,该方法具有可靠性强、简化速度快、简化率高、保形良好和无需引入新点等特点.(6)设计了公路平面CAD系统的功能与工作流程.对平面设计中的核心问题-平面线形设计进行了阐述分析,实现了既有共性又具互补性的五种平面设计方法,即积木法、交点法、控制法、参数法和位移法.(7)针对横断面CAD现有方法的局限性,提出基于参数化特征模板的设计方法.通过特征模板的引入,使横断面设计增强了柔性、提高了设计效率.在横断面面积计算和土石方工程量计算中,提出了基于有向多边形自动搜索的横断面面积计算方法,该方法具有计算精度高、速度快、稳定性好等特点.(8)从生命周期角度出发,分析了公路工程建设项目的特点和现有独立功能子系统的不足,从而指出建立面向公路工程项目生命周期的集成化系统的必要性与重要性.根据公路工程项目生命周期的特点和实际应用需求,分析了面向公路工程项目生命集成化系统的组成,并简要设计了这些既相互独立又能够相互切入的子系统的功能.对三种主要集成方式进行了分析,指出统一工程数据库集成是系统的首选方式.对集成化系统实施中的关键技术进行了讨论,主要包括数据库访问技术、三层C/S体系结构、组件技术和面向对象CAD建模.以ObjectARX为基础,建立了面向对象的公路路线CAD模型.该文的研究成果已大部分融入到商品化CAD系统(公路工程辅助设计系统-HEAD).目前,在国内已有上百家设计单位使用该系统.HEAD系统的开发有助于中国公路测试自动化技术的发展,同时带来了良好的社会效益和经济效益.