熊忠招，陶彣君

（1.湖北省國土測(cè)繪院，湖北 武漢 430010）

基于AutoCAD二次開發(fā)的CASS地物直角化算法改進(jìn)

熊忠招1，陶彣君1

（1.湖北省國土測(cè)繪院，湖北 武漢 430010）

針對(duì)因數(shù)字化誤差或策略誤差造成地物角點(diǎn)不是直角而需進(jìn)行修正的問題，提出了一種基于AutoCAD的，既能保證地物角點(diǎn)正確直角化，又能保證糾正后頂點(diǎn)偏離原始頂點(diǎn)的坐標(biāo)值盡可能小的高效算法。實(shí)踐表明，該算法能夠高效完成地物直角化的工作，簡(jiǎn)單易行，可滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

AutoCAD；直角化；二次開發(fā)；CASS

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，GNSS﹑無人機(jī)等一 大批新興技術(shù)越來越多地融入到測(cè)繪數(shù)據(jù)采集中，在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行地形圖繪制或?qū)σ延屑堎|(zhì)地形圖進(jìn)行掃描矢量化時(shí)[1-6]，常會(huì)出現(xiàn)某些地物所有或某些頂點(diǎn)需要直角化的情況。傳統(tǒng)做法是采用手工方法對(duì)需要直角化的頂點(diǎn)進(jìn)行糾正，或?qū)⒌匦螆D導(dǎo)入其他具有直角糾正功能的商業(yè)軟件中進(jìn)行糾正，不僅效率低下，且有可能得不到想要的直角糾正結(jié)果。圖1為使用CASS軟件自帶的直角糾正功能對(duì)地物進(jìn)行直角糾正的結(jié)果（虛線為糾正前的圖形，實(shí)線為糾正后的圖形）。對(duì)比糾正前后圖形可知，圖形發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，與原圖形偏差巨大，完全不滿足直角糾正的要求。

圖1 CASS軟件直角糾正功能糾正后效果圖

鑒于此，本文結(jié)合已有商業(yè)軟件和算法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)這些算法進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種以每條邊中點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)，結(jié)合頂點(diǎn)內(nèi)角判定方法進(jìn)行直角糾正的高效地物直角化算法，以滿足對(duì)地形圖地物直角化的需求。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 線段不同位置構(gòu)建直角效果對(duì)比

圖2中ABCD為一個(gè)四邊形，其中∠B和∠C不是直角，需對(duì)這兩個(gè)角進(jìn)行直角化。該圖形中可以AB邊為基準(zhǔn)，將BC邊糾正為與AB邊垂直。

圖2 線段不同位置構(gòu)建直角效果對(duì)比圖

通過BC邊上的任意一點(diǎn)作AB邊的垂線，即可得到∠B糾正后的新位置。雖然可有任意多種作直角的方式，但存在3種特殊情況：

1）以頂點(diǎn)B為基準(zhǔn)，過頂點(diǎn)B作AB邊的垂線，即BC″邊，此時(shí)頂點(diǎn)B相對(duì)于糾正前的偏離距離為0，頂點(diǎn)C相對(duì)于糾正前的偏離距離為CC″。

2）通過BC邊的中點(diǎn)M作AB邊的垂線，相交于B′點(diǎn)，此時(shí)頂點(diǎn)B相對(duì)于糾正前的偏離距離為BB′，頂點(diǎn)C相對(duì)于糾正前的偏離距離為CC ′。

3）以頂點(diǎn)C作為基準(zhǔn)，過頂點(diǎn)C作AB邊的垂線，此時(shí)頂點(diǎn)B相對(duì)于糾正前的偏離距離為CC″，頂點(diǎn)C相對(duì)于糾正前的偏離距離為0。

綜合上述3種情況可以看出，第二種方法最為合理，能使多邊形中各頂點(diǎn)的偏離距離基本保持一致，不會(huì)存在偏離過大或過小的情況，本文采用該方法。

1.2 以最接近90°頂點(diǎn)進(jìn)行直角構(gòu)建

圖3為圖4中的頂點(diǎn)C的局部圖，∠C是與90°最為接近的角，故對(duì)該圖形進(jìn)行直角化應(yīng)該從頂點(diǎn)C開始。建立初始邊的具體步驟為：①計(jì)算BC邊和CD邊的中點(diǎn)，以各自邊的中點(diǎn)作為該條邊后續(xù)的旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)。②將各頂點(diǎn)處的內(nèi)角值與90°進(jìn)行比較：若該頂點(diǎn)處的內(nèi)角值大于90°，則將該頂點(diǎn)相鄰兩條邊各自往多邊形的外部旋轉(zhuǎn)差值的一半（否則會(huì)導(dǎo)致該頂點(diǎn)新位置偏離原始位置過大，旋轉(zhuǎn)后得到的新位置是所有方法中偏離原始位置最小的）；若小于90°，則向多邊形內(nèi)部旋轉(zhuǎn)差值的一半。如圖3所示，頂點(diǎn)C未處理前的內(nèi)角為89°，小于90°，故將頂點(diǎn)C相鄰兩條邊各自往多邊形內(nèi)部旋轉(zhuǎn)一半，得到新的交點(diǎn)C ′，此時(shí)該頂點(diǎn)變?yōu)?0°，頂點(diǎn)C的位置更改為新位置C ′，即完成了對(duì)頂點(diǎn)C的直角化，也為后續(xù)各頂點(diǎn)的直角化建立了基準(zhǔn)。

圖3 以最接近90°頂點(diǎn)進(jìn)行直角構(gòu)建示意圖

圖4 四邊形ABCD的各頂點(diǎn)內(nèi)角值

1.3 算法實(shí)現(xiàn)步驟

在考慮影響重構(gòu)閉合多邊形各條邊方向和各頂點(diǎn)位置等諸多因素的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)的具體步驟為：

1）判斷多邊形是否閉合。如圖4所示，ABCD是一個(gè)具有4個(gè)頂點(diǎn)的多邊形，要將該地物的各內(nèi)角直角化，需要對(duì)閉合多邊形進(jìn)行判斷。首先必須判斷該多邊形是否閉合，若該多邊形為閉合多邊形則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟，否則不處理。

2）判定多邊形的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。在繪圖軟件中，利用多段線進(jìn)行地物繪制時(shí)，當(dāng)頂點(diǎn)≥2個(gè)，即可讓該多段線閉合，而此時(shí)所繪制的地物是不能用于進(jìn)行直角糾正的，故需將頂點(diǎn)＜4個(gè)的多邊形排除，不作處理。

3）判斷整個(gè)多邊形中是否有某一條邊平行于UCS的X軸或Y軸。具體方法為：①利用AutoCAD提供的方法獲取整體多段線的頂點(diǎn)坐標(biāo)；②依次計(jì)算相鄰兩個(gè)點(diǎn)是否存在X坐標(biāo)或Y坐標(biāo)相等的情況，若存在，則表示該多邊形存在某一條邊平行于UCS的X軸或Y 軸，記錄該條邊并結(jié)束判斷，否則繼續(xù)判定其他頂點(diǎn)。

4）若步驟3）中判定出存在某一條邊平行于UCS的X軸或Y軸，則以該條邊為基準(zhǔn)，以順指針或逆時(shí)針方向，依次從各條邊的中點(diǎn)作上一條計(jì)算結(jié)果邊的垂線，從而得到各頂點(diǎn)新的坐標(biāo)位置，待循環(huán)完成一 周則可將整個(gè)多邊形進(jìn)行直角化。

5）若步驟3）中判定為不存在某一條邊平行于UCS的X軸或Y軸，則需要計(jì)算各頂點(diǎn)處該多邊形的內(nèi)角值（圖4），并將所有內(nèi)角值與90°進(jìn)行比較，找出差值最小的一個(gè)頂點(diǎn)。

6）在與90°最接近的頂點(diǎn)處構(gòu)建一個(gè)直角，以便將該頂點(diǎn)直角化，待找出第一個(gè)頂點(diǎn)位置后，按照步驟4）循環(huán)處理每一條邊，即對(duì)整個(gè)多邊形進(jìn)行直角化。

1.4 程序流程圖

結(jié)合實(shí)際程序設(shè)計(jì)，對(duì)地物進(jìn)行直角化的程序如圖5所示。

圖5 直角糾正的流程圖

2 算法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用效果

2.1 算法實(shí)現(xiàn)

本算法利用ObjectARX .NET編寫程序，并在AutoCAD下測(cè)試通過[7-12]。其具體的核心實(shí)現(xiàn)代碼為：

‘開始事務(wù)處理，也就是往CAD中加入東西

using (Transaction trans = tm.StartTransaction())

{

BlockTable bt = (BlockTable)tm.GetObject(db.BlockTableId, OpenMode.ForRead, false);

BlockTableRecord btr = (BlockTableRecord)tm.GetObject(b t[BlockTableRecord.ModelSpace], OpenMode.ForWrite, false);

‘遍歷建立選擇實(shí)體的ObjectID集合

foreach (ObjectId obj in objs)

{

Entity ent = trans.GetObject(obj, OpenMode.ForWrite) as Entity;

if (!(ent is Polyline))

continue;

Polyline pl = ent as Polyline;

if (pl.Closed == false)

continue; ‘必須是閉合多邊形才進(jìn)行處理

Point3dCollection pts = new Point3dCollection();

pl.GetStretchPoints(pts);

for (int i = 0; i ＜ pts.Count - 2; i++)

{

Point3d ptqian = pts[i];

Point3d pt = pts[i + 1];

Point3d pthou = pts[i + 2];

Point3d midqian = new Point3d((pt.X + ptqian.X) / 2, (pt.Y + ptqian.Y) / 2, (pt.Z + ptqian.Z) / 2);

Point3d midhou = new Point3d((pt.X + pthou.X) / 2, (pt.Y + pthou.Y) / 2, (pt.Z + pthou.Z) / 2);

Point3d pt1 = new Point3d(midqian.X, midhou.Y, pt.Z);

Point3d pt2 = new Point3d(midhou.X, midqian.Y, pt.Z);

double d1 = pt1.Convert2d(new Plane()).GetDistanceTo(pt. Convert2d(new Plane()));

double d2 = pt2.Convert2d(new Plane()).GetDistanceTo(pt. Convert2d(new Plane()));

Point3d newpt = d1 > d2 ? new Point3d(pt2.ToArray()) : new Point3d(pt1.ToArray());

‘使用新的點(diǎn)代替原始點(diǎn)

pl.RemoveVertexAt(i + 1);

pl.AddVertexAt(i + 1, newpt.Convert2d(new Plane()), pl.GetBulgeAt(i + 1), pl.GetStartWidthAt(i + 1), pl.GetEndWidthAt(i + 1));

}

‘倒數(shù)第1個(gè)點(diǎn)

Point3d ptqian1 = pts[pts.Count - 2];

Point3d pt01 = pts[pts.Count - 1];

Point3d pthou1 = pts[0];

Point3d midqian1 = new Point3d((pt01.X + ptqian1.X) / 2, (pt01.Y + ptqian1.Y) / 2, (pt01.Z + ptqian1.Z) / 2);

Point3d midhou1 = new Point3d((pt01.X + pthou1.X) / 2, (pt01.Y + pthou1.Y) / 2, (pt01.Z + pthou1.Z) / 2);

Point3d pt11 = new Point3d(midqian1.X, midhou1.Y, pt01.Z);

Point3d pt12 = new Point3d(midhou1.X, midqian1.Y, pt01.Z);

double d11 = pt11.Convert2d(new Plane()). GetDistanceTo(pt01.Convert2d(new Plane()));

double d12 = pt12.Convert2d(new Plane()). GetDistanceTo(pt01.Convert2d(new Plane()));

Point3d newpt1 = d11 > d12 ? new Point3d(pt12.ToArray()) : new Point3d(pt11.ToArray());

‘使用新的點(diǎn)代替原始點(diǎn)

pl.RemoveVertexAt(pts.Count - 1);

pl.AddVertexAt(pts.Count - 1, newpt1.Convert2d(new Plane()), pl.GetBulgeAt(pts.Count - 2), pl.GetStartWidthAt(pts. Count - 2), pl.GetEndWidthAt(pts.Count - 2));

‘第一個(gè)點(diǎn)

Point3d ptqian2 = pts[pts.Count - 1];

Point3d pt02 = pts[0];

Point3d pthou2 = pts[1];

Point3d midqian2 = new Point3d((pt02.X + ptqian2.X) / 2, (pt02.Y + ptqian2.Y) / 2, (pt02.Z + ptqian2.Z) / 2);

Point3d midhou2 = new Point3d((pt02.X + pthou2.X) / 2, (pt02.Y + pthou2.Y) / 2, (pt02.Z + pthou2.Z) / 2);

Point3d pt21 = new Point3d(midqian2.X, midhou2.Y, pt02. Z);

Point3d pt22 = new Point3d(midhou2.X, midqian2.Y, pt02. Z);

double d21 = pt21.Convert2d(new Plane()). GetDistanceTo(pt02.Convert2d(new Plane()));

double d22 = pt22.Convert2d(new Plane()). GetDistanceTo(pt02.Convert2d(new Plane()));

Point3d newpt2 = d21 > d22 ? new Point3d(pt22.ToArray()) : new Point3d(pt21.ToArray());

‘使用新的點(diǎn)代替原始點(diǎn)

pl.RemoveVertexAt(0);

pl.AddVertexAt(0, newpt2.Convert2d(new Plane()), pl.GetBulgeAt(0), pl.GetStartWidthAt(0), pl.GetEndWidthAt(0));

}

trans.Commit();

}

在AutoCAD中輸入地物直角化命令后便會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的程序界面，在該界面中可設(shè)置多段線頂點(diǎn)偏離直角的最大允許角度，也可設(shè)置是否只處理多段線所有內(nèi)角偏離值均在限差之內(nèi)的多邊形。如果設(shè)置只處理所有內(nèi)角偏離值均在限差之內(nèi)的多邊形，則若某個(gè)多邊形的某個(gè)內(nèi)角與90°的差值大于程序界面所設(shè)值，則程序會(huì)跳過該多邊形，不作任何處理；如果未作該項(xiàng)設(shè)置，則程序會(huì)對(duì)所有多邊形進(jìn)行處理，且會(huì)對(duì)偏離值在程序設(shè)置的最大允許角度以內(nèi)的多邊形頂點(diǎn)進(jìn)行直角化，其余頂點(diǎn)保持不變。這些參數(shù)設(shè)置完成后，在AutoCAD命令行中還可選擇單個(gè)直角糾正或整體糾正，以及對(duì)全圖或單個(gè)多邊形進(jìn)行處理等。

圖6 程序運(yùn)行界面

2.2 應(yīng)用效果展示

目前，國內(nèi)生產(chǎn)單位普遍使用的數(shù)字化繪圖成圖軟件均采用AutoCAD作為平臺(tái)，所需要的地形圖數(shù)據(jù)格式也是AutoCAD的dwg格式。如果采用導(dǎo)入其他商業(yè)軟件中進(jìn)行直角糾正后再導(dǎo)入AutoCAD中的方法，不僅繁瑣，還會(huì)造成某些屬性的丟失，給客戶造成不必要的麻煩。南方CASS是基于AutoCAD開發(fā)的一款數(shù)字成圖軟件，也帶有直角糾正功能，但其直角糾正功能存在諸多問題，某些多邊形直角糾正后出現(xiàn)了嚴(yán)重錯(cuò)誤，且其只能處理多段線所有內(nèi)角偏離值均在限差之內(nèi)的多邊形，不能完全滿足用戶的需要。圖7為利用本文算法編寫的程序模塊對(duì)地物進(jìn)行直角化處理后的效果圖（圖中實(shí)線為原始多邊形，虛線為直角化后的多邊形），可以看出，所有多邊形均已直角化，且每個(gè)頂點(diǎn)直角化后與原始位置偏離較小，保證了各頂點(diǎn)直角化后的位置精度。

圖7 地物直角化效果圖

利用該方法進(jìn)行地物的直角化糾正已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。實(shí)踐證明，該方法不僅能夠保證地物各頂點(diǎn)的精度，而且能夠滿足對(duì)于地物直角化的需求，非常高效。在筆記本電腦上做測(cè)試，對(duì)一幅包含有3 313個(gè)閉合多邊形的地形圖作直角糾正，利用該算法能夠在0.3 s內(nèi)完成直角化，這些多邊形中頂點(diǎn)最少為4個(gè)，頂點(diǎn)最多為200個(gè)。程序運(yùn)行時(shí)間隨多邊形頂點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化而變化，且程序運(yùn)行時(shí)間均在能夠接受的范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 語

本文對(duì)地物直角化的算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)如何選擇起始基準(zhǔn)邊和起始基準(zhǔn)頂點(diǎn)做了詳細(xì)分析和闡述。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)該算法進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)際應(yīng)用證明了該算法能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)地物的直角化效率高，直角化后對(duì)地物的頂點(diǎn)坐標(biāo)保持更小的偏移，大大提高了生產(chǎn)效率。但該算法仍存在一些不足，如對(duì)于邊長懸殊過大﹑某些特殊角度等情況仍可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的問題，期望在對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化時(shí)，著重解決上述問題。

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P283

B

1672-4623（2017）09-0041-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.014

2017-03-07。

熊忠招，高級(jí)工程師，主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)和管理工作。