曹 明，馬天馳，宋 偉，江智云，郭 軍

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310006；2.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

道路設(shè)計(jì)成果一般分為圖形文件、表格文件以及資料文檔等，其中各種表格文件最為精確，是勘測各階段的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，怎樣高效合理地使用這些表格是外業(yè)路線測設(shè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。為提高道路各勘測設(shè)計(jì)及施工階段內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性，針對(duì)過程中需要提取的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行批量和精確計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步高精度測量放樣工作，獲取路線野外三維地面數(shù)據(jù)。因此，本文提出基于VSTO和.NET Framework技術(shù)開發(fā)出嵌入式程序用于道路相關(guān)各要素和坐標(biāo)計(jì)算等工作。

1 .NET和.NET Framework

.NET是微軟用來實(shí)現(xiàn)XML，Web Services，SOA(面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)Service-Oriented Architecture)與敏捷性的新技術(shù)，是微軟的新一代技術(shù)平臺(tái)，是基于標(biāo)準(zhǔn)的、聯(lián)通的、適應(yīng)變化的、穩(wěn)定的和高性能的一種技術(shù)。一個(gè).NET應(yīng)用是一個(gè)使用.NET Framework類庫來編寫，并運(yùn)行于公共語言運(yùn)行之上的應(yīng)用程序[1]。

.NET Framework的出現(xiàn)，使得原來需要通過編程語言來實(shí)現(xiàn)的工作轉(zhuǎn)由.NET Framework來完成。操作系統(tǒng)也可以通過提供一些.NET Framework不支持的功能，降低程序間通信的復(fù)雜性與局限性。這些程序可以是相同語言編寫的，也可以是不同語言編寫的[2]。

2 VSTO

VSTO(Visual Studio Tools for Office)是.NET平臺(tái)下最新的Office開發(fā)技術(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)的VBA技術(shù)，VSTO為中高級(jí)開發(fā)人員提供了強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)和語言，并解決傳統(tǒng)Office開發(fā)中的諸多問題，開發(fā)人員也可以使用熟悉的技術(shù)來構(gòu)建更加靈活、強(qiáng)大、跨平臺(tái)的企業(yè)級(jí)解決方案[3-4]。對(duì)于Office解決方案開發(fā)，VSTO是簡單而強(qiáng)大的框架。這個(gè)框架為每個(gè)Office開發(fā)者帶來了許多令人驚嘆的好處：窗體空間、類、安全性、服務(wù)器可測量性、面向?qū)ο筇卣?、完整性、易發(fā)布等[5-6]。

3 道路設(shè)計(jì)線位中邊樁坐標(biāo)計(jì)算

根據(jù)不同等級(jí)道路設(shè)計(jì)要求，道路設(shè)計(jì)中的平面線型包含不同線型要素，但都是由直線、緩和曲線、圓曲線3種基本單元構(gòu)成，如圖1所示；道路平面曲線的基本組合有：基本型(直線—入緩和曲線—圓曲線—出緩和曲線—直線)、卵型曲線、S型曲線、復(fù)合曲線、回頭曲線等[7-8]。

不同類型的線型各要素算法不同，需對(duì)不同線型單獨(dú)計(jì)算，然后按樁號(hào)首尾相接，為保證計(jì)算精度，本文保留數(shù)學(xué)模型中的高次項(xiàng)，各曲線類型數(shù)學(xué)模型[9-11]如下:

圖1 道路線路設(shè)計(jì)示意圖

3.1 直線上點(diǎn)P處中樁坐標(biāo)及方位角

如圖1所示，P點(diǎn)方位角即為JDi-1與JDi連線方位角αJDi-1JDi如式(1)所示[12-13]：

(1)

根據(jù)P點(diǎn)樁號(hào)和JDi-1樁號(hào)及直線方位角即可求出P點(diǎn)坐標(biāo)，故P點(diǎn)坐標(biāo)如式(2)所示：

(2)

式中，LP和LJDi-1分別為P點(diǎn)和JDi-1點(diǎn)的樁號(hào)，即l為P點(diǎn)與JDi-1的直線長度。

3.2 圓曲線上任一點(diǎn)中樁坐標(biāo)

圓曲線上任一點(diǎn)中樁坐標(biāo)(如圖1中K點(diǎn))。

(3)

為保證上述數(shù)學(xué)模型中高次項(xiàng)能夠滿足計(jì)算精度要求，對(duì)高次項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，如式(4)所示：

(4)

dXK和dYK分別為高次項(xiàng)影響值，本文特選取杭州繞城高速直曲轉(zhuǎn)角表中半徑較小的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，特取ls1=220,R=1 800,αJDi-1JDi=45°。由式(4)可以得出dXM=-0.000 06 m，dYM=0.003 mm。

3.3 第一緩和曲線任一點(diǎn)的中樁坐標(biāo)

第一緩和曲線任一點(diǎn)的中樁坐標(biāo)(如圖1中U點(diǎn))

(5)

式中，w為路線轉(zhuǎn)角方向識(shí)別號(hào)，右偏時(shí)：w=1，左偏時(shí)：w=-1；當(dāng)U點(diǎn)位于第一緩和曲線上時(shí)，

為保證上述數(shù)學(xué)模型中高次項(xiàng)能夠滿足計(jì)算精度要求，對(duì)高次項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，如式(6)所示：

(6)

dXU和dYU分別為高次項(xiàng)計(jì)算值，為驗(yàn)證高次項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文特選取杭州繞城高速直曲轉(zhuǎn)角表中半徑較小的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，特取l=ls1=220，實(shí)際計(jì)算中l(wèi)

3.4 第二緩和曲線上任一點(diǎn)中樁坐標(biāo)

M點(diǎn)處中樁坐標(biāo)計(jì)算式如式(7)[14-15](見圖1)：

(7)

由于第一緩和曲線與第二緩和曲線數(shù)學(xué)模型一致，因此可以得出該數(shù)學(xué)模型中高次項(xiàng)能夠滿足計(jì)算精度要求，在此不再贅述。

3.5 邊樁坐標(biāo)計(jì)算

邊樁坐標(biāo)是在對(duì)應(yīng)中樁坐標(biāo)和方位角的基礎(chǔ)上得出，如式(8)、式(9)所示。

路線左側(cè)邊樁坐標(biāo)計(jì)算式[16]：

(8)

路線右側(cè)邊樁坐標(biāo)計(jì)算式[16]：

(9)

4 道路上任一點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算程序設(shè)計(jì)

4.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，也為后續(xù)開發(fā)各項(xiàng)功能提供接口，同時(shí)通過自檢能更加準(zhǔn)確地檢核內(nèi)部數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

程序具體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

4.2 程序功能設(shè)計(jì)

本程序有兩種資料錄入方法。

方法一：輸入路線起點(diǎn)樁號(hào)、交點(diǎn)坐標(biāo)以及入緩和曲線和出緩和曲線長度，并生成對(duì)應(yīng)的直曲轉(zhuǎn)角表；

方法二：直接讀取設(shè)計(jì)直曲轉(zhuǎn)角表。根據(jù)計(jì)算和設(shè)計(jì)提供的直曲轉(zhuǎn)角表對(duì)設(shè)計(jì)線路進(jìn)行一致性檢核，檢測設(shè)計(jì)線路是否完整。

后臺(tái)保存線位各段主點(diǎn)要素，然后根據(jù)待計(jì)算樁號(hào)所處曲線段和坐標(biāo)計(jì)算模型計(jì)算對(duì)應(yīng)坐標(biāo)；該坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行逐樁做標(biāo)記性對(duì)比檢核，判斷計(jì)算準(zhǔn)確性和精度。

此外根據(jù)式(6)和(7)計(jì)算橫斷面成果坐標(biāo)。

4.3 程序具體實(shí)現(xiàn)

4.3.1 程序界面設(shè)計(jì)

本文程序是Excel二次開發(fā)的嵌入式程序，程序界面如圖3所示。

4.3.2 程序代碼編寫

C#是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的程序語言，為更好地維護(hù)和拓展程序，本程序?qū)ｉT設(shè)計(jì)道路數(shù)據(jù)處理的類HintRoadClass和不同曲線類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1所示定義變量及函數(shù)，程序中的主要功能函數(shù)代碼如下。

1)建立基本應(yīng)用工作表

for(intiNumsht=sheetName.Length - 1; iNumsht >= 0;

iNumsht--){_wb.Sheets.Add();

_wb.ActiveSheet.name=sheetName[iNumsht];}

2)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)生成直曲轉(zhuǎn)角表

q1 = pm[2，4]/2-ath.Pow(pm[2，4]，3)/

(240 * Math.Pow(pm[2，3]，2)) + Math.Pow(pm[2，4]，5) / (34560 * Math.Pow(pm[2，3]，4));

表1 程序結(jié)構(gòu)

圖3 程序操作界面

q2 = pm[2，5]/2-ath.Pow(pm[2，5]，3)/(240*Math.Pow(pm[2，3]，2))+Math.Pow(pm[2，5]，5)/(34560 * Math.Pow(pm[2，3]，4));

p1 = Math.Pow(pm[2，4]，2)/(24 * pm[2，3])-Math.Pow(pm[2，4]，4) / (2688 * Math.Pow(pm[2，3]，3)) + Math.Pow(pm[2，4]，6)/(506880 * Math.Pow(pm[2，3]，5));

p2 = Math.Pow(pm[2，5]，2)/(24 * pm[2，3])-ath.Pow(pm[2，5]，4)/(2688*Math.Pow(pm[2，3]，3))+Math.Pow(pm[2，5]，6)/(506880 * Math.Pow(pm[2，3]，5));

t1 = q1 + (pm[2，3] + p2-m[2，3]+p1)*Math.Cos(pj))/Math.Sin(pj);

t2 = q2 + (pm[2，3] + p1-m[2，3]+p2)*Math.Cos(pj))/Math.Sin(pj);

ly = pm[2，3] * pj - (pm[2，4] + pm[2，5]) / 2;

其中q1、q2、p1、p2、t1、t2、ly分別為曲線要素。

3)中樁坐標(biāo)計(jì)算

中樁坐標(biāo)計(jì)算分多種情況，需采用不同的數(shù)學(xué)模型，此處只列舉代碼片段，如下：

l = lxzh - kzh;

tp = (2 * l - ls1) / 2 / R;

xp = R * Math.Sin(tp) + q1;

yp = R * (1 - Math.Cos(tp)) + p1;

x = x1 + xp * Math.Cos(a0) - zy * yp * Math.Sin(a0);

y = y1 + xp * Math.Sin(a0) + zy * yp * Math.Cos(a0);

5 程序測試與工程實(shí)踐

本文以浙江省某高速公路項(xiàng)目為測試對(duì)象，選取其中一段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，同時(shí)闡述程序操作流程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。

啟動(dòng)Excel軟件后，點(diǎn)擊“路線表格準(zhǔn)備”按鈕，即生成所需工作表，如圖4所示。

圖4 程序生成工作表

將設(shè)計(jì)參數(shù)錄入“平面資料”表中，執(zhí)行“生成直曲轉(zhuǎn)表”，即在“直曲線表”中計(jì)算載入數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取設(shè)計(jì)直曲轉(zhuǎn)角表并與該表進(jìn)行詳細(xì)檢核比對(duì)，如圖5所示。

圖5 直曲轉(zhuǎn)角精度及計(jì)算結(jié)果

將待計(jì)算樁號(hào)和橫斷面數(shù)據(jù)錄入相應(yīng)表格即可計(jì)算出相應(yīng)坐標(biāo)等，如圖6所示。限于篇幅有限，在此不一一列舉。

圖6 道路中樁坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果

此外程序自動(dòng)將計(jì)算成果與設(shè)計(jì)坐標(biāo)逐個(gè)進(jìn)行對(duì)比，生成精度檢核報(bào)表，如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)表

因篇幅所限，省略了程序運(yùn)行中的部分界面及計(jì)算成果表。

6 結(jié)束語

本文研究了道路設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，編寫了基于VSTO、Excel和.NET開發(fā)平臺(tái)的道路數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)了直線段、入緩和曲線、圓曲線、出緩和曲線段主點(diǎn)坐標(biāo)以及任一點(diǎn)坐標(biāo)和方位角的計(jì)算，通過保留更高迭代項(xiàng)以提高計(jì)算模型的精度，并對(duì)各階段成果進(jìn)行檢核，同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析形成報(bào)表。程序能在可靠性、效率、精度以及適應(yīng)性等方面滿足道路測設(shè)放樣要求。同時(shí)，對(duì)程序結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后開發(fā)更多功能提供相應(yīng)接口，有利于程序進(jìn)一步的拓展，以便更高效、更準(zhǔn)確完成今后道路測設(shè)工作。

本文僅對(duì)完整線路進(jìn)行研究和開發(fā)，而對(duì)于卵型曲線等非完整線位尚有待進(jìn)一步研究和探討。