基于CAD 的地形图自动质量检测软件研发

胡 玥

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

目前，主流的铁路航测地形图绘编系统多为基于AutoCAD 基础平台自主研发，其制图成果的检验主要依靠人工判别、手工检查的方式，在检查方式、检查内容、检查效率等方面存在诸多弊端，极大地影响了航测制图效率[1-2]。

已有许多学者对测绘生产自动化进行了相关研究:如杨元喜等研究了地图数字化的精度评定与控制[3-4];王娇等利用C#语言开发了基于多文件批量检查的铁路航测地形图质检软件[5];蔡建德等基于VBA语言，进行了数字地形图精度自动检查统计系统的开发[6];何丹丹等利用清华山维软件，进行了地形图数据质量控制研究[7-8]。 以下在前人研究的基础上，结合铁路航测生产实际需求，基于现有的Mapedit 平台，对地形图制图质量控制的主要内容、原理和实现方法进行分析，梳理出能采用计算机进行判别及程序自动检查的质检内容，开发符合应用实际、集成多种地形图自动质量检测功能的软件。

1 地形图主要质检内容

1.1 地形图质量检查依据

在实际生产中，数字地形图的质量检查主要参照依据以下的规范和规定[9-11]:

①《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形图图式》GB/T 20257.1—2007。

②《 测 绘 成 果 质 量 检 查 与 验 收》 GB/T 24356—2009。

③《数字测绘成果质量检查与验收》 GB/T 18316—2008。

1.2 地形图质量检查的内容

航测地形图质量检查主要涉及三个方面:①结合外业数据评价地形图高程精度;②地形图逻辑问题检查，包括点线矛盾、等高线注记不符等;③地形图图面表征质量问题检查，包括地物压盖、地物与等高线相交、注记属性不符等。 地形图的质量控制主要包括制图员自查、技术室审图员查图两个环节。 搜集部分项目的地形图图面审图结果，对日常生产中较为常见的地形图质量问题类别和错误频率进行了分类、归纳、总结和分析(见表1)。

表1 常见地形图质量问题统计 个

由表1 可知，人工检查、目视解译生产实践过程中主要存在以下问题:

(1)地形图制图容易出现的错误类型与地形密切相关。 山区地形图的点线矛盾较难控制;平地地形图的植被压盖问题不可避免;而丘陵地区因为植被类型比较琐碎，需要大量人工干预。 另一方面，人工判识仅依靠作业员的眼力和经验，在工期紧张、数据量大的情况下，审图员也很难做到客观全面，存在一定的误判及漏判现象，并且费时费力，不利于数据生产效率的提高。

(2)随着对设计、施工管理的细化量化，对土石方量计算提出了更严格的要求[12]。

而目前采取的地形图精度统计方法，需要人工判识、逐点内插来获取检测点的高程并进行统计。 外业检测点数据量大时，人工计算的工作量大，耗时较长，且精度难以保证，严重影响工期和质量。 例如一幅面积约2 km2的地形图，包含外业散点个数为282，检查统计时间为6～8 h。

2 质检软件需求分析

基于以上分析，总结出能够通过计算机程序实现的功能(见表2)。

表2 拟实现的自动检测功能

模块功能需求如表3。

表3 具体模块功能需求

3 软件研发与实现

3.1 开发工具与语言

从生产实际出发，充分融合现有软件及工具，在AutoCAD 平台下，应用ObjectARX 和. NET 开发技术[13]，实行按需、分步的研究开发策略，完成了AutoCAD 作业平台与既有MAPEDIT 软件及工具的无缝对接，方便制图人员和质检人员的使用[14]。

3.2 关键技术

(1)思路与方案比选

以下对两种主流的检测方法(读取三角网文件内插高程方法;等高线节点构三角网方法)进行对比[12]。考虑到五个检查项功能模块的易用性，最终选择了等高线节点构三角网方法。 该方法使用简便，运行速度较快，可较为真实地反映地形走势。

由于程序仅根据三角网内插高程进行高差计算，无法顾及陡坎、陡壁等高差较大的实际地形。 此时，可将程序首次运行过程中发现的较大粗差点进行人工判断剔除，从而得到较为准确的地形图精度评价。 完整的算法流程如图1 所示。

图1 高程精度统计算法流程

(2)点线矛盾检测

等高线和高程点是地形图数据的重要组成部分，针对点线矛盾产生的原因和表现形式，结合等高线的特性，总结了三种可应用于地形图点线矛盾自动检测的方法[13]:等高线节点构TIN 方法、高程点构TIN 方法、放射检查法。

以上三种方法从理论和实际上都是可行的，根据实际情况，以效率优先为目标进行比选，选择了放射检查法。 该方法使用简便，运行速度较快，特别对于地形坡度较大、等高线密集的山区等地形效果较好。

4 工程实践及成果分析

(1) 地形图高程精度统计

检查点的来源为外业实测点(从现势性较好的1 ∶10 000 图中提取的地面点，相关专业提供的实测横、纵断面点等)。 以某线路的纵断面检查为例:面积约2 km2的地形图，其外业散点个数为282，程序运行时间小于2 s，结果输出为文本格式，并对误差超过0.7 m 的点进行了标识(见图2)。

将其精度评定结果与点云软件Microstation 获取的结果进行比对，结果表明:两者差值较小，效果稳定可靠。 与人工目视解译相比，能够提高工作效率50 倍以上，效率提升显著。

(2)点线矛盾检查

点线矛盾检查包括高程点检查与注记一致性检查，以及高程注记点与等高线之间的检查(见图3)。

图2 自动高程精度统计功能

图3 自动点线矛盾检测功能

通过人为设置错误，经过目视检查和自动检测，将软件检测与人工判识进行比对，结果如表4。

表4 点线矛盾检测结果

点线矛盾检查的原则是“将疑似错误提交人工检查”，所以存在一定的错检率。 如检测点位于鞍部或者地势突变地区，还需要人机互动来进行判定。 在平地和丘陵区域，由于等高线较为稀疏，点线矛盾错检率较山区上升明显。 因此，等高线数量较少的平坦地区不宜使用点线矛盾自动检测功能。

(3)地形图图面质量自动检查

利用开发的自动质量检测软件对地形图进行检测，其检测时间均小于10 s(见图4)。 并将结果与人工审查图结果进行了比对(见表5)。

图4 自动图面质量检测功能

表5 自动图面检测功能结果统计 个

由表5 可知，程序检出率、效率和正确率均较高;使用程序自动检测，可以将一些因放大倍数不够而被人工忽略的错误轻松剔除，极大地提高了检测质量。

5 结束语

基于CAD 的地形图自动质量检测软件，借助程序计算代替传统的人工判读、手工计算，可以优化目前地形图制作中一些效率低、质量控制薄弱的环节，减少地形图中的差、漏、错、碰现象，有效地提高了航测制图效率及制图质量。

数字地形图质量检查部分算法的执行速度还可以进一步提高。 对于过于复杂的地形、地貌，质量检测效果还有一定的改进空间，拟在后续研究中进行攻关与改进。