柯廣恒,李 莉

（1.長江航道測量中心，湖北 武漢 430000）

基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柯廣恒1,李 莉1

（1.長江航道測量中心，湖北 武漢 430000）

介紹了基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了從讀取CAD數(shù)據(jù)文件，到建立DEM三角網(wǎng)，再到計(jì)算采樣點(diǎn)水深，最后在指定位置自動(dòng)化批量繪制標(biāo)準(zhǔn)格式斷面圖的一體化解決方案，大幅度減少了人工操作，提高了斷面圖繪制效率。

AutoCAD；斷面圖；批量繪制

傳統(tǒng)的斷面圖繪制方法是采用圖紙上量取，然后讀取數(shù)據(jù)并手工繪制，或使用軟件先讀取水深數(shù)據(jù)，再通過水深及距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制斷面圖。在實(shí)際測量中，觀測點(diǎn)位和設(shè)計(jì)斷面線不可避免地存在一定偏差，需要對(duì)所測水深數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)過濾或修正，整個(gè)斷面圖繪制過程復(fù)雜，重復(fù)操作多，生產(chǎn)效率低下，難以滿足長江航道生產(chǎn)用圖的需要。本文提出基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方案，提高了斷面圖繪制效率。

1 總體思路

Autodesk公司的AutoCAD軟件數(shù)據(jù)編輯功能強(qiáng)大，許多測繪生產(chǎn)單位都把它作為數(shù)字化測圖和繪圖的主要工具。AutoCAD采用文件方式存儲(chǔ)地理空間實(shí)體位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的維護(hù)和更新比較復(fù)雜。本文提出了從讀取CAD數(shù)據(jù)文件，到建立DEM三角網(wǎng)，再到計(jì)算采樣點(diǎn)水深，最后在指定位置自動(dòng)化批量繪制標(biāo)準(zhǔn)格式斷面圖的一體化解決方案，并基于VC++程序集成開發(fā)環(huán)境，通過ObjectARX二次開發(fā)函數(shù)庫進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)與研制[1]?？傮w架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 水深點(diǎn)對(duì)象的提取

在AutoCAD中，存在多種形式表示的水深數(shù)據(jù)，例如點(diǎn)對(duì)象、文字對(duì)象、塊對(duì)象、復(fù)合對(duì)象等。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是文字形式的水深數(shù)據(jù)，即水深數(shù)據(jù)的屬性信息中并不含有水深值，而是用文本信息描述水深，同時(shí)用文本中特殊字符表示水深點(diǎn)真實(shí)位置（如小數(shù)點(diǎn)）。因此，通過ObjectARX得到的文本位置屬性并非直接的水深點(diǎn)真實(shí)位置，需要對(duì)其進(jìn)行換算修正。

提取文字對(duì)象的第一步是對(duì)當(dāng)前AutoCAD中所有對(duì)象進(jìn)行過濾，僅保留文本對(duì)象。獲取到全部的文本對(duì)象水深數(shù)據(jù)后，逐個(gè)提取水深坐標(biāo)及相應(yīng)的水深值。本文以一個(gè)文字形式的水深數(shù)據(jù)為例，描述對(duì)其提取水深信息的方法。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 文字形式水深數(shù)據(jù)提取示意圖

如圖2所示，存在一個(gè)文本形式表示的水深點(diǎn)，水深值為13．8，坐標(biāo)為小數(shù)點(diǎn)所在位置。H表示字高，W表示字寬，P1表示文字左下角，即通過ObjectARX獲取到文本水深對(duì)象的坐標(biāo)，P2表示小數(shù)點(diǎn)所在位置，P3為垂足與P1和P2構(gòu)成直角三角形。P2（x,y）即為需要的水深點(diǎn)平面坐標(biāo)。研究得出：

其中，P1P3表示點(diǎn)P1到點(diǎn)P3的距離，n表示小數(shù)點(diǎn)前面的數(shù)字個(gè)數(shù)，k1和k2為與字體、字寬相對(duì)應(yīng)的固定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

其中， k3為與字體、字高相對(duì)應(yīng)的固定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。由公式（1）和（2）可以求得：

進(jìn)而求得P2（x,y）：

對(duì)于P2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水深數(shù)值，只需用函數(shù)“tstof”對(duì)文本進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換即可。

2.2 離散水深點(diǎn)的三角網(wǎng)構(gòu)建

經(jīng)過提取過濾得到的水深點(diǎn)信息是離散的，僅含有平面坐標(biāo)位置和水深信息的獨(dú)立點(diǎn)，它們之間沒有關(guān)聯(lián)信息。為了能利用這些離散點(diǎn)擬合指定斷面的水下地形情況，需要對(duì)其建立不規(guī)則三角網(wǎng)，即TIN（triangulated irregular network）。

本系統(tǒng)采用地形擬合方面運(yùn)用的較普遍的Delaunay三角網(wǎng)，采用Lawson算法實(shí)現(xiàn)。其基本步驟為：

1）構(gòu)造一個(gè)超級(jí)三角形，包含所有散點(diǎn)，放入三角形鏈表；

2）將點(diǎn)集中的散點(diǎn)依次插入，在三角形鏈表中找出其外接圓包含插入點(diǎn)的三角形（稱為該點(diǎn)的影響三角形），刪除影響三角形的公共邊，將插入點(diǎn)同影響三角形的全部頂點(diǎn)連接起來，從而完成一個(gè)點(diǎn)在Delaunay三角形鏈表中的插入。如圖3所示。

3）根據(jù)優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)局部新形成的三角形進(jìn)行優(yōu)化，將形成的三角形放入Delaunay三角形鏈表；

4）循環(huán)執(zhí)行上述第2步，直到所有散點(diǎn)插入完畢。

經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，在ObjectARX開發(fā)環(huán)境下，棧內(nèi)存由AutoCAD控制，不能自定義，一般可支持10 000個(gè)水深點(diǎn)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)而不會(huì)發(fā)生棧溢出情況。如果需要支持更大數(shù)量的離散點(diǎn)建網(wǎng)，需要?jiǎng)澐謪^(qū)域分割處理，最后組合并網(wǎng)。本文采用緩沖區(qū)方案解決該問題，即針對(duì)每條斷面線，擴(kuò)展生成足夠范圍的緩沖區(qū)，將對(duì)此斷面線產(chǎn)生影響的離散水深點(diǎn)全部囊括在緩沖區(qū)內(nèi)。最終，僅需要對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的離散水深點(diǎn)進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建即可滿足斷面線地形擬合的需要。通過這個(gè)方案，一方面解決了過多層次迭代造成棧溢出的問題，另一方面大幅提高了計(jì)算速度。如圖4所示，圖4a中間的線段為設(shè)定的斷面線，矩形框?yàn)橥ㄟ^該斷面線擴(kuò)展得到的緩沖區(qū)范圍。在計(jì)算三角網(wǎng)的時(shí)候，僅將納入該范圍內(nèi)的水深點(diǎn)進(jìn)行考慮。圖4b為緩沖區(qū)內(nèi)離散水深點(diǎn)構(gòu)建好的三角網(wǎng)效果。

圖3 Lawson算法關(guān)鍵步驟

圖4 緩沖區(qū)示意圖

2.3 斷面線上水深數(shù)據(jù)擬合

對(duì)于已經(jīng)確定的斷面線，根據(jù)設(shè)定好的采樣間隔，可以確定每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)。將采樣點(diǎn)坐標(biāo)納入三角網(wǎng)，即可擬合出它的水深。

1）確認(rèn)水深點(diǎn)所屬三角形

遍歷三角網(wǎng)中所有的三角形，采用經(jīng)典的射線法判斷水深點(diǎn)是否在三角形內(nèi)。其積分思路是，設(shè)三角形頂點(diǎn)分別為A、B、C，待判斷點(diǎn)為P，在右側(cè)無窮遠(yuǎn)的地方找一點(diǎn)Q，作射線PQ，計(jì)算PQ和線段AB、BC、CA的交點(diǎn)個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)為奇數(shù)則P在三角形內(nèi)，為偶數(shù)則在三角形外。為了避免PQ通過A或B或C時(shí)產(chǎn)生誤判，需要減去重合的交點(diǎn)。該方法可以擴(kuò)展到任意多邊形，且在實(shí)際計(jì)算中，為了便于計(jì)算一般會(huì)讓PQ為水平線。

圖5 點(diǎn)與多邊形拓?fù)潢P(guān)系判斷示意圖

圖5a中，水平射線與多邊形各邊累計(jì)有1個(gè)（奇數(shù)）交點(diǎn)，因此在多邊形內(nèi)；圖5b中，水平射線與多邊形各邊累計(jì)有0個(gè)（偶數(shù)）交點(diǎn)，因此在多邊形外；圖5c中，水平射線與多邊形各邊累計(jì)有2個(gè)（偶數(shù)）交點(diǎn)，因此在多邊形外；圖5d中，水平射線與多邊形各邊累計(jì)有2個(gè)交點(diǎn)，但是有一個(gè)重復(fù)，只能算作1個(gè)（奇數(shù)）交點(diǎn)，因此在多邊形內(nèi)。

通過這個(gè)方法，可以查看采樣點(diǎn)是否在某個(gè)三角形內(nèi)，如果在則認(rèn)為該采樣點(diǎn)隸屬于這個(gè)三角形。如果采樣點(diǎn)不在任何三角形內(nèi)，則放寬隸屬檢測條件，不再要求點(diǎn)必須在三角形內(nèi)，而是通過計(jì)算采樣點(diǎn)與各個(gè)三角形幾何中心的距離，來找出幾何中心與采樣點(diǎn)最近的三角形。同時(shí)，認(rèn)為該采樣點(diǎn)隸屬于這個(gè)三角形。

2）根據(jù)三角形確定的平面擬合計(jì)算水深

經(jīng)過步驟1）可以確定采樣點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的三角形ABC。為方便描述，設(shè)點(diǎn)A的坐標(biāo)為（Ax，Ay，Az），點(diǎn)B的坐標(biāo)為（Bx，By，Bz），點(diǎn)C的坐標(biāo)為（Cx，Cy，Cz），點(diǎn)P的坐標(biāo)為（Px，Py，Pz），其中Pz為待求水深值，其他為已知。

利用空間解析幾何的方法，推導(dǎo)出Pz的計(jì)算公式如下：

2.4 斷面圖繪制

單個(gè)斷面圖主要分成坐標(biāo)軸、斷面線、注記三個(gè)部分。為了便于查看，坐標(biāo)軸用縱橫的網(wǎng)格線表示，根據(jù)指定的比例尺來調(diào)整間隔。格網(wǎng)范圍中，橫向范圍和斷面線長度相關(guān)，縱向范圍和水深極值有關(guān)；斷面線用折線來表示，將采樣點(diǎn)展點(diǎn)到斷面圖上后，用折線連接起來即可，無需擬合；注記用于描述斷面圖的名稱、橫軸縱軸含義、比例尺等信息。單張斷面圖實(shí)例如圖6所示。

圖6 單張斷面圖示例

在單張斷面圖繪制基礎(chǔ)上，遍歷所有的斷面線成果數(shù)據(jù)，然后循環(huán)繪制，即可批量繪制斷面圖。

3 結(jié) 語

斷面圖批量自動(dòng)繪制軟件可方便地解析AutoCAD中的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照指定的斷面位置分析計(jì)算水下地形情況，自動(dòng)化批量繪制所需的水道斷面圖。已廣泛應(yīng)用于長江航道日常數(shù)據(jù)生產(chǎn)以及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)處理中。軟件處理速度快，使用方便，大大提高了數(shù)據(jù)成果的轉(zhuǎn)換速度和再利用率，顯著提高了工作效率。

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P208

B

1672-4623（2014）03-0162-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.03.055

柯廣恒，碩士，主要從事地理信息服務(wù)研發(fā)工作。

2012-12-27。