中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000

1 縱橫斷面概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)效率不斷提高。利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)不斷優(yōu)化工程實(shí)踐是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，也是促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、創(chuàng)造美好生活的必由之路。

縱橫斷面測(cè)量的目的是確定工程所在地的地面情況，主要包括地表的形狀和變化等，可為道路的建設(shè)或修整提供有效信息。在進(jìn)行縱橫斷面測(cè)量的過(guò)程中，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相對(duì)煩瑣，人為計(jì)算不僅耗時(shí)而且錯(cuò)誤率較高?？紤]到縱橫斷面工程測(cè)量工作數(shù)據(jù)數(shù)量大，而且數(shù)據(jù)具有規(guī)律性的特點(diǎn)，為提高生產(chǎn)效率，文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了HAV縱橫斷面自動(dòng)化提取軟件，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢查和提取。

2 斷面自動(dòng)提取軟件開(kāi)發(fā)

斷面自動(dòng)提取軟件基于Windows平臺(tái)，利用Python編程語(yǔ)言編譯，具體版本為Python3.5，可直接在Windows系統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。

2.1 軟件主要功能

該軟件主要用于縱橫斷面的自動(dòng)計(jì)算與提取。該軟件能夠自動(dòng)讀取GNSS、全站儀、三維激光點(diǎn)云所測(cè)得的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成縱橫斷面數(shù)據(jù)的計(jì)算、檢查，并根據(jù)設(shè)置的長(zhǎng)度和寬度閾值自動(dòng)提取所測(cè)地形的縱橫斷面數(shù)據(jù)。

該軟件適應(yīng)于不同的地形和不同形狀的設(shè)計(jì)中樁線，得出的數(shù)據(jù)成果可自行選擇保存為其他軟件能夠讀取使用的格式，例如公路設(shè)計(jì)軟件緯地能夠識(shí)別的格式和CASS軟件能夠讀取的通用斷面數(shù)據(jù)格式。

該軟件實(shí)地應(yīng)用于縱橫斷面的測(cè)量工作中，既能夠擺脫人工數(shù)據(jù)計(jì)算的重復(fù)操作性，節(jié)省時(shí)間，又能夠有效避免人為錯(cuò)誤，提高工作效率。

2.2 軟件技術(shù)特點(diǎn)

在道路勘測(cè)過(guò)程中，直觀顯示道路的縱橫斷面信息并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)是非常有必要的。對(duì)于道路縱橫斷面測(cè)量工作，很多單位都相應(yīng)地改進(jìn)過(guò)生產(chǎn)方式，開(kāi)發(fā)了一些用于縱橫斷面提取的軟件，但多數(shù)只是為了內(nèi)部使用，所開(kāi)發(fā)的計(jì)算軟件僅針對(duì)具體工程或單位涉及的某類(lèi)業(yè)務(wù)，通用性并不好，且軟件的自動(dòng)化程度較低，仍然需要大量人為操作。該軟件對(duì)縱橫斷面數(shù)據(jù)能夠批量讀取、計(jì)算，按有效信息排列展示，實(shí)現(xiàn)縱橫段數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，并生成其他軟件能夠使用的成果文件。該軟件具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）真實(shí)性。利用測(cè)繪設(shè)備（全站儀、GNSS等）采集的數(shù)據(jù)可直接復(fù)制到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，只需確定提取閾值，其他計(jì)算均由計(jì)算機(jī)完成，無(wú)須人為干預(yù)，確保了數(shù)據(jù)成果的真實(shí)可靠。

（2）靈活性。觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方向和次序的要求不高，數(shù)據(jù)處理時(shí)僅需要記錄測(cè)站的點(diǎn)號(hào)或點(diǎn)名便可；采用測(cè)站虛擬模式，采集的數(shù)據(jù)可以是同一個(gè)樁上的多個(gè)測(cè)站以不同采點(diǎn)方式觀測(cè)的結(jié)果；可以從任意里程進(jìn)行斷面繪制。任意里程的斷面樁和斷面點(diǎn)都能夠作為起點(diǎn)，軟件可遵循“左負(fù)右正”的原則重新計(jì)算起點(diǎn)距。

（3）直觀性。斷面繪制以測(cè)站為單位逐一處理，且運(yùn)算進(jìn)度可視，可及時(shí)提醒錯(cuò)誤。

（4）易推廣性。軟件設(shè)計(jì)從操作的簡(jiǎn)潔性和實(shí)用性出發(fā)，各項(xiàng)功能均能夠便捷完成，非該專(zhuān)業(yè)人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)也能夠?qū)W會(huì)并迅速進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

（5）兼容性。軟件兼容性較強(qiáng)，可自主設(shè)置提取的閾值，不受設(shè)計(jì)線路形狀及復(fù)雜性的影響，且效率高，可迅速提取大量數(shù)據(jù)，可滿足CASS軟件、緯地軟件格式標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 軟件開(kāi)發(fā)流程

縱橫斷面測(cè)量工作測(cè)得的原始數(shù)據(jù)主要為測(cè)量區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，外業(yè)測(cè)量工作一般會(huì)在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)采集大量高程點(diǎn)，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)按樁號(hào)進(jìn)行歸納整理，整理成各軟件能夠識(shí)別的格式并可視化，按照每個(gè)樁號(hào)形成直觀的截面數(shù)據(jù)。

該軟件選擇Python編程語(yǔ)言，在Windows系統(tǒng)下編譯完成。開(kāi)發(fā)流程主要包括文件的讀取、數(shù)據(jù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)的篩選以及成果的規(guī)范化輸出這四個(gè)部分。文件的讀取主要包括對(duì)設(shè)計(jì)中樁線數(shù)據(jù)的讀取和對(duì)外業(yè)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)的讀取，該過(guò)程需要完成數(shù)據(jù)的歸納整理，最終的成果需要按照設(shè)計(jì)要求也就是中樁線的位置和里程規(guī)范化輸出，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)中樁數(shù)據(jù)和采集的原始高程數(shù)據(jù)規(guī)范化輸入。然后是關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計(jì)算，根據(jù)成果數(shù)據(jù)的需要，所需高程點(diǎn)屬性信息需包含偏距和里程，以方便對(duì)斷面進(jìn)行直觀顯示。接著是對(duì)高程點(diǎn)的篩選，根據(jù)各里程下斷面的需要，對(duì)質(zhì)量高的高程點(diǎn)進(jìn)行篩選排序。最后是數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)不同軟件的要求，對(duì)生成的數(shù)據(jù)規(guī)范輸出，以符合應(yīng)用要求。該軟件還可以根據(jù)不同軟件的需要進(jìn)行成果數(shù)據(jù)格式的調(diào)整，輸出不同格式要求的成果，從而滿足工程需要。軟件的主要開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖1 軟件算法流程圖

2.4 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

線路的形狀不僅是直線，往往會(huì)出現(xiàn)各種尺度的緩和曲線，直線部分?jǐn)嗝嫣崛∠鄬?duì)簡(jiǎn)單，文章針對(duì)線路為緩和曲線部分的復(fù)雜性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使程序能夠準(zhǔn)確、高效地獲得縱橫斷面數(shù)據(jù)。

由于車(chē)速較快，道路轉(zhuǎn)彎處往往要設(shè)計(jì)得比較緩直，直線與直線交接的位置和直線與圓曲線交接的位置會(huì)有緩和曲線作為補(bǔ)充。但是緩和曲線切線、法線的計(jì)算具有較高的復(fù)雜性，為解決縱橫斷面繪制中緩和曲線計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，文章提出了一種近似計(jì)算方式，具有良好的操作性，既能提高精度，又能夠快速直觀地獲得緩和曲線上點(diǎn)的橫斷面。根據(jù)里程文件獲得需要繪制橫斷面的中樁點(diǎn)坐標(biāo)，若該點(diǎn)在緩和曲線上，則將該里程分別前進(jìn)和后退0.001m，并利用緩和曲線坐標(biāo)計(jì)算公式獲得兩點(diǎn)坐標(biāo)，分別稱為前位點(diǎn)和后位點(diǎn)；連接前位點(diǎn)和后位點(diǎn)，計(jì)算其中垂線，該方向即為橫斷面方向；通過(guò)查找該方向附近高程點(diǎn)并進(jìn)行線性內(nèi)插，便可獲得橫斷線上高程點(diǎn)的坐標(biāo)，最后利用坐標(biāo)展繪繪制出橫斷面。

3 工程概況

以新建赤峰至喀左客專(zhuān)CFSG-4標(biāo)項(xiàng)目為例，項(xiàng)目涉及路基的填挖土方量，過(guò)程中需要測(cè)量地面線標(biāo)高，用來(lái)檢驗(yàn)工程設(shè)計(jì)中的工作量是否與實(shí)際相符。道路縱橫斷面數(shù)據(jù)為該工程的必要參考數(shù)據(jù)。此次工程原始數(shù)據(jù)是在現(xiàn)場(chǎng)按鐵路中樁線于道路兩側(cè)采集高程數(shù)據(jù)，整個(gè)采集區(qū)域位于道路及道路兩側(cè)，呈條帶狀。

測(cè)量工作隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，特別是GNSS技術(shù)的不斷成熟與運(yùn)用，使傳統(tǒng)的測(cè)量手段在一些領(lǐng)域被逐漸取代，外業(yè)測(cè)繪工作的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。此次工程外業(yè)測(cè)量工作使用GNSS完成，在鐵路范圍內(nèi)利用GPS-RTK的方法共采集高程點(diǎn)28542個(gè)，作為工作的原始數(shù)據(jù)，然后利用編寫(xiě)的軟件進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

4 軟件應(yīng)用

軟件界面簡(jiǎn)潔明了，主要功能展示在主界面，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面圖

軟件界面分為三個(gè)部分：一是軟件讀取窗口，位于界面頂部，包括對(duì)縱斷文件的讀取和橫斷文件的讀取；二是參數(shù)設(shè)置窗口，包含用戶想要提取的縱橫斷面數(shù)據(jù)的搜索閾值，中間部分為功能按鍵，包含“提取斷面數(shù)據(jù)”“清空日志”“保存緯地文件”和“保存CASS文件”四個(gè)按鍵；三是軟件運(yùn)行窗口，位于界面底部，可實(shí)時(shí)顯示提取過(guò)程。

根據(jù)實(shí)際需要，此次工程設(shè)置寬度閾值為2m，長(zhǎng)度閾值為100m，軟件自動(dòng)提取的道路橫斷面數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)成果展示圖

數(shù)據(jù)成果格式：第一行是點(diǎn)名和該點(diǎn)高程，點(diǎn)名即里程，下方為該里程下各點(diǎn)的偏距和高差，2個(gè)數(shù)為1組，前者為該點(diǎn)偏距，后者為該點(diǎn)與中樁點(diǎn)的高差。導(dǎo)入CASS中可生成不同里程的斷面圖，400m里程斷面圖如圖4所示。

圖4 道路橫斷面圖（單位：m）

5 數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過(guò)外業(yè)GPS采集路面高程點(diǎn)，該軟件直接處理獲得了原始數(shù)據(jù)，并分別輸出了兩種格式的成果文件，一種是緯地軟件可以直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)，一種是CAD軟件可以打開(kāi)的數(shù)據(jù)，生成了直觀的斷面圖。成果數(shù)據(jù)包含一組沿中樁線測(cè)得的斷面數(shù)據(jù)和按里程提取的879個(gè)橫斷面數(shù)據(jù)。

此次工程測(cè)量縱橫斷面的主要目的是核驗(yàn)填挖土方量，確定具體工作量，為后期實(shí)際工作安排提供數(shù)據(jù)參考。土方量主要結(jié)合實(shí)測(cè)值與所給設(shè)計(jì)值的差值確定。將所得實(shí)測(cè)斷面圖與設(shè)計(jì)斷面疊加，繪制出新的斷面圖，可直觀看出所需挪動(dòng)的土方，實(shí)地高于設(shè)計(jì)高程的位置需要挖除，低于設(shè)計(jì)高程的位置則需要填充。利用其高程差值可計(jì)算得到需要挪動(dòng)土方的橫截面積，相鄰兩個(gè)斷面間需要填充或挖除的土方可近似看作棱臺(tái)或圓臺(tái)，已知頂面和底面的面積便可利用體積公式計(jì)算斷面間需要填挖的土方。以K72+500～K72+600為例，制作設(shè)計(jì)值與實(shí)際值疊加后的斷面圖，根據(jù)圖上差值計(jì)算該路段的填挖土方量，如表1所示。

表1 填挖土方量統(tǒng)計(jì)表

對(duì)總體數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與評(píng)估可知，該路段統(tǒng)計(jì)所得共需填方14630.063m3，與所給設(shè)計(jì)值相符，說(shuō)明數(shù)據(jù)可靠。利用該方法可驗(yàn)證并得出整條路段的填挖土方量，確定所需的工作量，能夠保證后續(xù)工作的順利實(shí)施。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)踐，考慮具體測(cè)量工作中遇到的問(wèn)題，針對(duì)不同場(chǎng)景下縱橫斷面的提取工作，無(wú)論測(cè)區(qū)是否規(guī)則，軟件均可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，檢查去掉不合適的點(diǎn)，提取所需高程點(diǎn)并將數(shù)據(jù)輸出為其他軟件可識(shí)別的文件格式。該斷面自動(dòng)繪制軟件大幅度提高了縱橫斷面數(shù)據(jù)提取的效率，避免了人為錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了縱橫斷面的自動(dòng)繪制。與人工繪制相比，其具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）人工繪制斷面需要大量的計(jì)算，而且極易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，而該軟件能夠避免人工繪制斷面圖過(guò)程中的各類(lèi)錯(cuò)誤，減少人工繪制斷面圖過(guò)程中的大量重復(fù)性工作，提高了效率，降低了人力、物力的成本。（2）該軟件繪制的斷面圖簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、快速，具有計(jì)算機(jī)自動(dòng)化真實(shí)、高效等優(yōu)點(diǎn)，符合工程施工用圖要求。（3）該軟件提出了一種高效的緩和曲線橫斷面繪制算法，兼容性較強(qiáng)，運(yùn)行簡(jiǎn)單，對(duì)于不同質(zhì)量的外業(yè)數(shù)據(jù)適應(yīng)性高，可方便運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)工作中。在新建赤峰至喀左客專(zhuān)CFSG-4標(biāo)項(xiàng)目中，將該軟件應(yīng)用于實(shí)際工作中，最終取得了縱橫斷面數(shù)據(jù)，為鐵路建設(shè)提供了可靠的成果，并節(jié)省了時(shí)間和人力成本，驗(yàn)證了該軟件在實(shí)際工作中的應(yīng)用價(jià)值。