郭勝利

摘要 通過對(duì)野外地形圖和斷面圖測(cè)量方法的研究，設(shè)計(jì)基于地形圖測(cè)繪的縱橫斷面圖的測(cè)繪程序，并對(duì)該程序的主要功能和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的論述。在目前的測(cè)繪技術(shù)中，利用該方法能夠很大程度地提高測(cè)繪工作效率。

關(guān)鍵詞 地形圖；特征點(diǎn)；斷面圖

中圖分類號(hào)：P217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2009）04-0086-03

1 引言

水利工程的前期需要測(cè)繪部門在提供地形圖的同時(shí)提供縱橫斷面圖，為設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確計(jì)算工程量提供原始數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)的主流數(shù)字化測(cè)圖軟件，都有較強(qiáng)的地形測(cè)繪功能，但在斷面數(shù)據(jù)的處理上常常存在這樣或那樣的問題：有些軟件根本沒有切取斷面的功能，有些軟件雖然有該功能，但切取出的斷面常常存在許多不合理因素，不能正確反映斷面的實(shí)況。

北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院使用的地形圖測(cè)量系統(tǒng)，在斷面測(cè)量上仍沿用傳統(tǒng)流程：地形圖的測(cè)量與斷面圖的測(cè)量分開進(jìn)行，在測(cè)量完地形圖后，在每個(gè)橫斷面樁上依次設(shè)站，進(jìn)行橫斷面測(cè)量。在數(shù)字化測(cè)圖的今天，這種測(cè)量方法存在著較為明顯的缺點(diǎn)：1）設(shè)站次數(shù)增多，增大出錯(cuò)機(jī)率；2）測(cè)點(diǎn)重復(fù)，測(cè)量地形圖時(shí)已測(cè)量的特征點(diǎn)在橫斷面測(cè)量時(shí)，還需再測(cè)一遍；3）勞動(dòng)強(qiáng)度加大，作業(yè)時(shí)間增長。很顯然，傳統(tǒng)做法不能發(fā)揮出現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)圖的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)橫斷面間隔距離較小時(shí)，這種矛盾顯得尤為突出。

結(jié)合工程的實(shí)際需要，筆者編制相關(guān)軟件，可以在測(cè)量地形圖的同時(shí)進(jìn)行縱橫斷面測(cè)量，使得所測(cè)量的碎步點(diǎn)既可參與縱橫斷面圖的繪制，又可充當(dāng)?shù)匦螆D的特征點(diǎn)，以提高所測(cè)點(diǎn)的利用率，最終提高工作效率。

本文以繪制橫斷面圖為例，說明橫斷面圖測(cè)繪的新方法。縱斷面圖的測(cè)繪與橫斷面圖相似。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 設(shè)備配置Leica全站儀、傳輸電纜。

2.2 作業(yè)準(zhǔn)備作業(yè)前，先將已知點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入全站儀內(nèi)，并在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要實(shí)地確定橫斷面線的位置。

2.3 野外測(cè)量同地形圖的野外測(cè)量一樣，在已知點(diǎn)設(shè)站后，把斷面點(diǎn)當(dāng)作地形點(diǎn)來觀測(cè)，測(cè)量其坐標(biāo)和高程?？稍跍y(cè)量地形圖的同時(shí)進(jìn)行斷面測(cè)量，也可單獨(dú)進(jìn)行斷面測(cè)量。通常，在河道不是很寬時(shí)，司尺員能夠較準(zhǔn)確地找到前進(jìn)方向，使所測(cè)斷面點(diǎn)接近一條直線。這樣，在通視條件良好時(shí)，擺一站既可以測(cè)量地形圖，又可以同時(shí)測(cè)量出許多條橫斷面。尤其是當(dāng)橫斷面要求間距較小時(shí)，這種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)就更為明顯。這樣就可以把所測(cè)量的地形點(diǎn)和斷面點(diǎn)，同時(shí)保存在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中。

一般情況下，在規(guī)劃設(shè)計(jì)人員確定橫斷面間隔后，需要測(cè)量人員在實(shí)測(cè)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和河道的變化情況，在斷面變化處加測(cè)橫斷面。用這種測(cè)量斷面的方法，外業(yè)的測(cè)量人員可以很容易找準(zhǔn)加測(cè)橫斷面位置。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)給定的河道IP點(diǎn)（河道中心線上的轉(zhuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)）和所加測(cè)的橫斷面的位置，對(duì)加測(cè)橫斷面賦予相應(yīng)的樁號(hào)。這樣就不必為規(guī)劃設(shè)計(jì)人員提出的固定斷面間隔而大費(fèi)周折，可以更好地滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的需要。

3 內(nèi)業(yè)處理流程

通過數(shù)據(jù)傳輸軟件將野外采集的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中，并將含有地形點(diǎn)和斷面點(diǎn)的數(shù)據(jù)同時(shí)展繪在地形圖上，可以很明顯地看出每一條橫斷面線的位置。為了使斷面點(diǎn)上的數(shù)據(jù)便于提取，在內(nèi)業(yè)編輯過程中，利用測(cè)圖軟件的展點(diǎn)連線的功能，將各條斷面用逐點(diǎn)連線的方式從左至右連接起來，形成Pline線，這就具備了繪制斷面圖的條件。

斷面圖的繪制靠4個(gè)子程序來實(shí)現(xiàn)，即AT.LSP、DM1.LSP、CHAG.LSP、HD.LSP及野外觀測(cè)原始數(shù)據(jù)文件A。

1）AT.LSP，賦樁號(hào)子程序，可將斷面線賦予相應(yīng)的樁號(hào)，并將斷面線層屬性轉(zhuǎn)換到新層。

2）DM1.LSP，提取斷面線子程序，將每一條斷面線的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及樁號(hào)按照從左至右的順序依次提取出來，并將各節(jié)點(diǎn)按坐標(biāo)尋找A文件（野外觀測(cè)原始數(shù)據(jù)文件）中的匹配高程，找到后按照一定的數(shù)據(jù)格式將斷面線上的樁號(hào)、坐標(biāo)、高程重新保存，形成中間文件B（如圖1所示）。

3）CHAG.LSP，格式轉(zhuǎn)換子程序，讀取B文件中的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要將其轉(zhuǎn)換成繪制橫斷面圖所需的格式，形成C文件（如圖2所示）。

4）HD.LSP，繪制斷面圖子程序，讀取C 文件中的數(shù)據(jù)，展繪橫斷面圖，完成斷面圖的繪制（如圖3所示）。

其流程可以按照上述4個(gè)子程序的順序，依次執(zhí)行即可（如圖4所示）。

4 算法分析

4.1 樁號(hào)信息的保存A文件為文本文件。A文件中保存的是野外測(cè)得的原始地形點(diǎn)和斷面點(diǎn)全部的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。為繪制斷面圖，必須把相關(guān)的斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)從A文件中單獨(dú)提取出來加以處理。如何提取斷面點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，是本程序的關(guān)鍵。

在AutoCAD中，把point、circle、pline、line、text等圖面上的矢量信息稱作實(shí)體，每一種不同的實(shí)體，都有相應(yīng)的組碼與其對(duì)應(yīng)。通過對(duì)AutoCAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)在它的實(shí)體組碼中，39號(hào)為實(shí)體的厚度組碼，而在斷面圖的繪制過程中，斷面線和所形成的斷面圖都是二維平面圖，實(shí)體的厚度屬性值均為零，因此可以利用39號(hào)組碼存放信息，這對(duì)圖面沒有任何影響。利用AutoCAD的實(shí)體編輯功能，將斷面的樁號(hào)存入39號(hào)組碼當(dāng)中，并將斷面線轉(zhuǎn)到新建的“DMX”圖層（注：“DMX”圖層上只應(yīng)有斷面位置線），這樣就可順利地提取出所有的斷面線。如果把橫斷面位置線看作是一個(gè)實(shí)體，實(shí)體屬性編碼中的39號(hào)組碼值則代表該條斷面線的樁號(hào)，10號(hào)組碼值則代表每一Pline線上每一折點(diǎn)的坐標(biāo)值。為此，可以將圖面上的斷面點(diǎn)用Pline線按照從左至右的順序（河道面向下游分左右）分別連起來，以便為下一步計(jì)算提供方便。

4.2 斷面文件的生成在本程序中，第一步利用測(cè)圖軟件的功能，將斷面點(diǎn)展點(diǎn)連線（如圖5所示）。

第二步調(diào)用AT.LSP子程序以實(shí)現(xiàn)上述保存斷面線樁號(hào)及轉(zhuǎn)換圖層的功能。通過斷面線提取子程序DM1.LSP，可以從地形圖中得到“DMX”圖層上所有斷面點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將剛剛注入的各條斷面線實(shí)體組碼中的第39號(hào)組碼值提取出來。這樣就得到各條斷面線的樁號(hào)及各斷面點(diǎn)的平面坐標(biāo)。再根據(jù)各斷面點(diǎn)的坐標(biāo)值，在A文件中檢索出相對(duì)應(yīng)的高程值，依斷面點(diǎn)順序逐個(gè)寫入B文件中。

第三步生成B文件。B文件是從原始文件A中提取出來的包含橫斷面樁號(hào)和橫斷面線上所有折點(diǎn)坐標(biāo)、高程信息的有序文件。在所形成的B文件中，每條橫斷面線之間有樁號(hào)做分隔，每條斷面線上的坐標(biāo)點(diǎn)都是依照自左至右的順序依次保存的（如表1所示）。

表1中加粗顯示的行，是每一橫斷面的開始行。第一列數(shù)表示序號(hào)，第二列數(shù)表示橫斷面樁號(hào)，第三、四、五列數(shù)依次為Y、X、Z坐標(biāo)。

第四步通過格式轉(zhuǎn)換子程序CHAG.LSP，計(jì)算出橫斷面線上各斷面點(diǎn)起點(diǎn)距，連同該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高程，一同寫入C 文件。C文件為繪制斷面圖子程序HD.LSP所要求的成果文件。

根據(jù)地形圖斷面連線重新生成數(shù)據(jù)。在從B到C文件的轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中，有2種轉(zhuǎn)換方法，即起點(diǎn)距算法和累加距算法。起點(diǎn)距算法是指：斷面線上每一斷面點(diǎn)距離的計(jì)算是該斷面點(diǎn)到斷面起點(diǎn)的直線距離，即起點(diǎn)距。累加距算法是指：斷面線上每一斷面點(diǎn)距離的計(jì)算是從斷面起點(diǎn)開始，經(jīng)過中間若干節(jié)點(diǎn)至該斷面點(diǎn)的每一段線段的長度的總和。本文采用的是起點(diǎn)距算法。

C文件格式如表2所示。在表2中，加粗顯示行是每一橫斷面的開始行。第一列是序號(hào)；第二列-0.5是地物分類編碼，一般不需要表述；第三列表示各條橫斷面上的斷面點(diǎn)的起點(diǎn)距；第四列表示與之對(duì)應(yīng)的高程。

第五步調(diào)用HD.LSP子程序，繪制出橫斷面圖，形成DWG文件。

5 誤差分析

利用本方法可以采集橫斷面上的點(diǎn)，即橫斷面數(shù)據(jù)；同樣也可采集縱斷面上的點(diǎn)，即縱斷面數(shù)據(jù)。理論上，每條橫斷面上的點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上，而縱斷面上的點(diǎn)則應(yīng)落在IP點(diǎn)的曲線之上。在實(shí)際測(cè)量過程中，對(duì)于橫斷面來說，司尺員在野外所測(cè)量的斷面點(diǎn)會(huì)在該條斷面所在直線的方向上左右擺動(dòng)，不會(huì)正好落在直線方向上。如果用累加距算法，計(jì)算出的斷面點(diǎn)的起點(diǎn)距比實(shí)際的起點(diǎn)距將增大，而且這種偏差將隨著斷面點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而加大，并且隨斷面點(diǎn)偏離直線的增加而加大。這種算法，橫斷線上的每一個(gè)點(diǎn)都會(huì)影響到后面點(diǎn)樁號(hào)的計(jì)算精度。對(duì)于橫斷面來說，并不適合用累加距算法。如果用起點(diǎn)距算法，則每一個(gè)斷面點(diǎn)的位置，只能影響該斷面點(diǎn)的起點(diǎn)距，而且不受其他斷面點(diǎn)位置的影響，并且這種誤差不會(huì)向下傳遞。但是，這種算法受橫斷面起點(diǎn)位置的影響比較大，在外業(yè)測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)使橫斷面起點(diǎn)的位置盡量落在橫斷面位置線上，以保證后面橫斷面點(diǎn)的起點(diǎn)距計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在本程序的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于個(gè)別偏離斷面線較大的點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)在內(nèi)業(yè)編輯過程中進(jìn)行調(diào)整，以免影響成果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語

本程序采用AutoLisp語言編制，運(yùn)行平臺(tái)為AutoCAD R2000、R2002、R2004等版本，運(yùn)行穩(wěn)定。

利用此方法測(cè)量的縱橫斷面，測(cè)量的斷面位置線以坐標(biāo)、高程方式保存，不同于以往以距離、高程方式保存，這樣的優(yōu)點(diǎn)很明顯：當(dāng)設(shè)計(jì)人員更改設(shè)計(jì)中心線后，斷面的位置不變，可以很清楚地反映出與新中線的位置關(guān)系；另外，這種斷面數(shù)據(jù)可以單獨(dú)保存，不受中線坐標(biāo)的影響。

外業(yè)實(shí)施的具體工作中，可以根據(jù)河道的具體情況，選取不同的測(cè)量儀器。當(dāng)河道不是很寬，通視條件較好時(shí)，司尺員能夠較準(zhǔn)確地找到前進(jìn)方向，這時(shí)宜采用全站儀進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)河道較寬，通視條件不是很好時(shí)，司尺員不易找準(zhǔn)前進(jìn)方向，宜采用RTK進(jìn)行斷面測(cè)量。無論是用全站儀測(cè)量還是用RTK測(cè)量，最終得到的都是所測(cè)量斷面的坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)。通過上述方法繪制成的縱橫斷面圖，不但把野外第一手坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)和斷面圖關(guān)聯(lián)起來，而且易于對(duì)斷面數(shù)據(jù)的管理。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，利用測(cè)量坐標(biāo)、高程的方法測(cè)量斷面圖，不僅能保證斷面的精度，而且還可以大大提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，取得良好的工作效益。

本程序目前在北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的測(cè)繪工作中得到廣泛應(yīng)用，在永定河干堤加固工程、清河綜合治理工程、城市水系綜合治理工程、涼水河整治工程、潮白河綜合治理工程、南水北調(diào)等工程中發(fā)揮了很好的作用，斷面成果準(zhǔn)確可靠，較以往的做法省時(shí)、簡(jiǎn)便、高效。