基于AutoCAD平台的线路横断面线提取系统的设计与实现
2013-05-14林春峰黄华平闵世平
林春峰 黄华平 闵世平
(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)
在线路勘察设计阶段，横断面图主要用于路基设计和土石方数量计算。一般的横断面图由现场实测绘制，但是其勘测工期、成本、质量，受测区天气、交通、地形困难程度等自然条件的限制较大，易造成测绘精度不高，工期难以保证，勘测成本加大。王智[1]研究了利用航测技术制作横断面图的方法，使得作业人员能够根据线路的位置在室内计算机上任意绘制横断面，不仅可保证勘测设计工期，而且能降低勘测成本。由于利用航测技术绘制的横断面图误差较大，因此需要勘测外业人员到现场进行地形点的采集，用以修正地形，利用修正之后的地形得到准确的横断面成果。本文设计并实现了一个线路横断面线提取软件，以AutoCAD平台进行横断面的快速提取，从而在一定条件下取代人工测量横断面，可减少野外测绘工作量，保证勘测设计工期。
1 技术流程
采用航测成果结合实测的外业高程点进行横断面提取，涉及到的技术流程如下：利用航测制图成果和勘测成果建立地形模型，根据中桩位置确定横断面线；利用横断面线和地形模型进行变坡点的提取。
1.1 地形建模
航测制图成果中包含等高线、高程点、坎、斜坡等数据，这些数据能够表示实际的地形地貌，但航测制图成果中地形地貌位置与实际位置存在误差，需要外业勘测数据进行数据修测，使得航测制图成果更符合实际情况。为了将修测之后的制图成果作为横断面提取的数据源，需要进行地形建模。
地形建模即利用修测之后的地形地貌数据进行三维数字地表建模，常用的三维数字地表模型有不规则三角网模型(TIN)和数字高程模型(DEM)[2]，为了计算方便，本文采用TIN模型进行地形建模[3]。
1.2 横断面确定
线位上某里程处的横断面必须与线位严格垂直[4]，如图1所示。
图1 横断面示意
线路中线某里程CK处的坐标为(x0,y0),该里程处的切线斜率为k,横断面线上离CK点距离为d的p点坐标为(x1,y1),经过严密的数学公式推导计算得到
b=y0-kx0
m=k2+1.0
r1=2kb-2x0-2ky0
或
(1)
其中k、x0、y0、d为已知参数,b、m、r1、r2为中间变量。得到两组结果是因为横断面线上距中桩点距离为d处的点有两个。
1.3 变坡点寻找
通过公式(1)就能得到线位上某里程处横断面上任意一点的平面位置(x,y),通过构建好的地形模型就能计算得到该平面位置处的高程值z。在横断面上采用一定的间距进行采样,计算采样点的x,y,z坐标,并按照一定的顺序连接起来，即可得到该里程处的横断面线。然而，上述方法会造成横断面线上节点过多,因此需要利用简化算法寻找变坡点。
道格拉斯-普克算法能够准确的删除线段上小弯曲的节点,在整体上有效的保持线要素的形态特征[5],因此采用该算法对初步提取的横断面线进行简化,寻找变坡点,得到最终结果。
道格拉斯-普克法的流程如下:
①将一条曲线首末顶点虚连一条直线，求出其余各顶点到该直线的距离；
②选其最大者与规定的限差相比较，若小于等于限差，则将直线两端间各点全部删去；
③若大于限差，则离该直线距离最大的顶点保留，并以此为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用上述方法，直至无法做进一步的压缩。
2 系统的设计
横断面提取软件设计的总体目标如下：
能够加载修测改正之后的地形图，快速进行地形建模。
提供用户可选择的横断面提取方法，包括能够自动提取线路上任意里程处的横断面、交互式的提取指定里程处的横断面等。
能够将提取的横断面数据以一定的数据结构保存。
按照系统设计的目标，将系统分为数据层、服务层和用户层，系统结构如图2所示。
图2 系统结构
其中，数据层提供构建地形的等高线数据、高程点数据及其他地形地貌数据；服务层包括提供地形建模、横断面确定、变坡点寻找、横断面线绘制和横断面成果保存等计算服务；用户层通过调用服务层的服务访问并计算数据，得到或保存横断面线结果。
横断面提取的整体流程如图3所示。
图3 整体流程
为了使提取的横断面线结果在不同专业之间转换、应用，设计了一个横断面线成果的数据结构。该数据结构包括了横断面线的几何信息(中桩里程、中桩坐标、节点坐标)和属性信息(节点属性)，以扩展标记文本格式存储[6，7]。
文件格式为：
<横断面集>
<横断面 index=”1” >
<左节点集 total=value>
<节点 index="1">
<节点 index="2">
……
……
<右节点集 total=value>
<节点 index="1">
<节点 index="2">
……
……
<横断面 index=”2” >
……
……
……
……
3 系统的实现
系统采用AutoCAD软件为基础平台，这样能够方便的加载、显示、管理修测之后的地形图数据，同时其强大的二次开发接口能够方便开发人员访问、绘制数据等[8]。横断面提取软件被当作功能插件加载到AutoCAD软件中使用。
软件分为两种操作模式：一种是选择已有的线位进行横断面采集；另一种是自定义线位进行横断面采集，如图4所示。
图4 横断面提取设置
选择了相应的横断面采集模式之后，按照系统设计的流程进行横断面提取，图5为修测之后等高线、高程点构建的三维地形图。图6为提取得到横断面结果图。
图5 构建的三维地形
图6 横断面结果
4 结束语
地形横断面提取软件综合了计算机、地理信息系统、测绘等技术，基于AutoCAD平台，实现了数据快速管理、加载、显示和地形横断面快速提取等功能，取代人工测量横断面，从而减少野外测绘工作量，保证勘测设计工期，提高生产效率。
[1] 王智. 用航测方法测绘数字化横断面图的研究[J].测绘通报，2004(4):24-27
[2] 李志林，朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社，2000(3)
[3] 武晓波，王世新.Delaunay三角网的生成算法研究[J].测绘学报，2004(6)
[4] 谯生有，王善高，周建东.应用线路实时坐标系测设线路横断面[J].测绘通报，2001(6)
[5] 彭认灿，董箭，郑义东，等.垂距法与道格拉斯-普克法删除冗余顶点效率的比较[J].测绘通报，2010(3):66-67
[6] 柳忠杰.数字横断面的标准化处理[J].铁道勘察，2004(6)
[7] 罗思群.基于XML技术的数据转换[D].北京:中国科学院软件研究所，2001
[8] 李世国.AutoCAD高级开发技术ARX编程及应用[M].北京:机械工业出版社，1999
