林春峰 黃華平 閔世平

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

在線路勘察設(shè)計(jì)階段，橫斷面圖主要用于路基設(shè)計(jì)和土石方數(shù)量計(jì)算。一般的橫斷面圖由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)繪制，但是其勘測(cè)工期、成本、質(zhì)量，受測(cè)區(qū)天氣、交通、地形困難程度等自然條件的限制較大，易造成測(cè)繪精度不高，工期難以保證，勘測(cè)成本加大。王智[1]研究了利用航測(cè)技術(shù)制作橫斷面圖的方法，使得作業(yè)人員能夠根據(jù)線路的位置在室內(nèi)計(jì)算機(jī)上任意繪制橫斷面，不僅可保證勘測(cè)設(shè)計(jì)工期，而且能降低勘測(cè)成本。由于利用航測(cè)技術(shù)繪制的橫斷面圖誤差較大，因此需要勘測(cè)外業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地形點(diǎn)的采集，用以修正地形，利用修正之后的地形得到準(zhǔn)確的橫斷面成果。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)線路橫斷面線提取軟件，以AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行橫斷面的快速提取，從而在一定條件下取代人工測(cè)量橫斷面，可減少野外測(cè)繪工作量，保證勘測(cè)設(shè)計(jì)工期。

1 技術(shù)流程

采用航測(cè)成果結(jié)合實(shí)測(cè)的外業(yè)高程點(diǎn)進(jìn)行橫斷面提取，涉及到的技術(shù)流程如下：利用航測(cè)制圖成果和勘測(cè)成果建立地形模型，根據(jù)中樁位置確定橫斷面線；利用橫斷面線和地形模型進(jìn)行變坡點(diǎn)的提取。

1.1 地形建模

航測(cè)制圖成果中包含等高線、高程點(diǎn)、坎、斜坡等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠表示實(shí)際的地形地貌，但航測(cè)制圖成果中地形地貌位置與實(shí)際位置存在誤差，需要外業(yè)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修測(cè)，使得航測(cè)制圖成果更符合實(shí)際情況。為了將修測(cè)之后的制圖成果作為橫斷面提取的數(shù)據(jù)源，需要進(jìn)行地形建模。

地形建模即利用修測(cè)之后的地形地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)字地表建模，常用的三維數(shù)字地表模型有不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)和數(shù)字高程模型(DEM)[2]，為了計(jì)算方便，本文采用TIN模型進(jìn)行地形建模[3]。

1.2 橫斷面確定

線位上某里程處的橫斷面必須與線位嚴(yán)格垂直[4]，如圖1所示。

圖1 橫斷面示意

線路中線某里程CK處的坐標(biāo)為(x0,y0),該里程處的切線斜率為k,橫斷面線上離CK點(diǎn)距離為d的p點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1),經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計(jì)算得到

b=y0-kx0

m=k2+1.0

r1=2kb-2x0-2ky0

或

(1)

其中k、x0、y0、d為已知參數(shù),b、m、r1、r2為中間變量。得到兩組結(jié)果是因?yàn)闄M斷面線上距中樁點(diǎn)距離為d處的點(diǎn)有兩個(gè)。

1.3 變坡點(diǎn)尋找

通過公式(1)就能得到線位上某里程處橫斷面上任意一點(diǎn)的平面位置(x,y),通過構(gòu)建好的地形模型就能計(jì)算得到該平面位置處的高程值z(mì)。在橫斷面上采用一定的間距進(jìn)行采樣,計(jì)算采樣點(diǎn)的x,y,z坐標(biāo),并按照一定的順序連接起來，即可得到該里程處的橫斷面線。然而，上述方法會(huì)造成橫斷面線上節(jié)點(diǎn)過多,因此需要利用簡(jiǎn)化算法尋找變坡點(diǎn)。

道格拉斯-普克算法能夠準(zhǔn)確的刪除線段上小彎曲的節(jié)點(diǎn),在整體上有效的保持線要素的形態(tài)特征[5],因此采用該算法對(duì)初步提取的橫斷面線進(jìn)行簡(jiǎn)化,尋找變坡點(diǎn),得到最終結(jié)果。

道格拉斯-普克法的流程如下:

①將一條曲線首末頂點(diǎn)虛連一條直線，求出其余各頂點(diǎn)到該直線的距離；

②選其最大者與規(guī)定的限差相比較，若小于等于限差，則將直線兩端間各點(diǎn)全部刪去；

③若大于限差，則離該直線距離最大的頂點(diǎn)保留，并以此為界，把曲線分為兩部分，對(duì)這兩部分重復(fù)使用上述方法，直至無法做進(jìn)一步的壓縮。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

橫斷面提取軟件設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)如下：

能夠加載修測(cè)改正之后的地形圖，快速進(jìn)行地形建模。

提供用戶可選擇的橫斷面提取方法，包括能夠自動(dòng)提取線路上任意里程處的橫斷面、交互式的提取指定里程處的橫斷面等。

能夠?qū)⑻崛〉臋M斷面數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和用戶層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，數(shù)據(jù)層提供構(gòu)建地形的等高線數(shù)據(jù)、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)及其他地形地貌數(shù)據(jù)；服務(wù)層包括提供地形建模、橫斷面確定、變坡點(diǎn)尋找、橫斷面線繪制和橫斷面成果保存等計(jì)算服務(wù)；用戶層通過調(diào)用服務(wù)層的服務(wù)訪問并計(jì)算數(shù)據(jù)，得到或保存橫斷面線結(jié)果。

橫斷面提取的整體流程如圖3所示。

圖3 整體流程

為了使提取的橫斷面線結(jié)果在不同專業(yè)之間轉(zhuǎn)換、應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)橫斷面線成果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括了橫斷面線的幾何信息(中樁里程、中樁坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo))和屬性信息(節(jié)點(diǎn)屬性)，以擴(kuò)展標(biāo)記文本格式存儲(chǔ)[6，7]。

文件格式為：

<橫斷面集>

<橫斷面 index=”1” >

<左節(jié)點(diǎn)集 total=value>

<節(jié)點(diǎn) index="1">

<節(jié)點(diǎn) index="2">

……

……

<右節(jié)點(diǎn)集 total=value>

<節(jié)點(diǎn) index="1">

<節(jié)點(diǎn) index="2">

……

……

<橫斷面 index=”2” >

……

……

……

……

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用AutoCAD軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)，這樣能夠方便的加載、顯示、管理修測(cè)之后的地形圖數(shù)據(jù)，同時(shí)其強(qiáng)大的二次開發(fā)接口能夠方便開發(fā)人員訪問、繪制數(shù)據(jù)等[8]。橫斷面提取軟件被當(dāng)作功能插件加載到AutoCAD軟件中使用。

軟件分為兩種操作模式：一種是選擇已有的線位進(jìn)行橫斷面采集；另一種是自定義線位進(jìn)行橫斷面采集，如圖4所示。

圖4 橫斷面提取設(shè)置

選擇了相應(yīng)的橫斷面采集模式之后，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行橫斷面提取，圖5為修測(cè)之后等高線、高程點(diǎn)構(gòu)建的三維地形圖。圖6為提取得到橫斷面結(jié)果圖。

圖5 構(gòu)建的三維地形

圖6 橫斷面結(jié)果

4 結(jié)束語

地形橫斷面提取軟件綜合了計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)、測(cè)繪等技術(shù)，基于AutoCAD平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速管理、加載、顯示和地形橫斷面快速提取等功能，取代人工測(cè)量橫斷面，從而減少野外測(cè)繪工作量，保證勘測(cè)設(shè)計(jì)工期，提高生產(chǎn)效率。

[1] 王智. 用航測(cè)方法測(cè)繪數(shù)字化橫斷面圖的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2004(4):24-27

[2] 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2000(3)

[3] 武曉波，王世新.Delaunay三角網(wǎng)的生成算法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2004(6)

[4] 譙生有，王善高，周建東.應(yīng)用線路實(shí)時(shí)坐標(biāo)系測(cè)設(shè)線路橫斷面[J].測(cè)繪通報(bào)，2001(6)

[5] 彭認(rèn)燦，董箭，鄭義東，等.垂距法與道格拉斯-普克法刪除冗余頂點(diǎn)效率的比較[J].測(cè)繪通報(bào)，2010(3):66-67

[6] 柳忠杰.數(shù)字橫斷面的標(biāo)準(zhǔn)化處理[J].鐵道勘察，2004(6)

[7] 羅思群.基于XML技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[D].北京:中國(guó)科學(xué)院軟件研究所，2001

[8] 李世國(guó).AutoCAD高級(jí)開發(fā)技術(shù)ARX編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999