一种地形断面信息提取的智能化解决方案

费先明 汤发树

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101)

0 引言

在线性工程勘测过程中,断面信息必不可少[1-2],其成果是设计、施工及土方量计算的重要依据。断面测量一般采用两种方法：直接测量法和利用已有数字地形图借助软件系统(如计算机辅助测量系统(computer aided surveying system,CASS)进行断面生成的纯内业法[3]。前者是根据实测点进行断面绘制,虽可保证成果精度,但由于受复杂地物、地貌条件(如地形突变、沟渠、坑塘、高大树木及茂密的植被等因素)限制,作业难度,工作量大,不能充分利用既有成果,效率极低;后者直接利用数字地形图批量生成断面成果,效率极高,但由于地形局部区域精细化程度不足,再加上因处理软件中断面点按等间距选取,无法顾及断面线轮廓突变因素影响(若缩小取点间距,则数据量庞大,无法满足使用要求),可能导致断面图不能准确反映实际情况[4-5]，很多学者利用其他方法尝试在不增加外业工作量的情况下尽可能获取准确的断面成果[6-10]。

在东黄山基础设施项目山区道路及河道断面测量实践中,本文在断面测量的流程及方法优化方面进行了深入研究。通过实地补测,加密断面区域地形点,在保证地形图上能准确反映轮廓特征情况下,无须要求断面测点准确位置,最终借助既有CASS成图系统,通过加密插值点(缩小插值间距)方式生成高精度、大数据量的里程文件,然后通过开发软件实现数据抽稀,最终获取满足使用需求的断面成果,所有内业流程全部实现智能化处理。本方法不仅充分利既有地形成果,而且通过放宽外业点位要求,降低了外业作业难度;在内业方面,不仅充分利用既有软件条件,而且通过开发实现全流程的智能化处理。

综合利用现有地形资料、软件及开发技术等条件,通过反复研究与实践,提出了一种具有普遍应用价值的最优化解决方案,完美地解决了生产效率与成果精度之间的矛盾。

1 研究思路

东黄山基础设施项目山区道路及河道断面测量作业区地形复杂,工期紧,为充分利用既有地形图成果,加快进度,并借助CASS系统断面绘制功能批量生成等间距断面数据。由于既有地形图局部地形精度无法完全满足使用要求,故对地形点稀疏区域及轮廓特征点进行适当外业补测并展点,保证地形图达到断面成图精度要求。在利用CASS系统自动生成断面时发现,如果取点间距偏大(如5 m),则断面结果无法准确反映地形变化细节,其精度无法满足使用要求;如果取点间距偏小(如0.1 m),则数据量庞大,同样无法满足使用要求。事实上,采用等间距采点时,无法找到一个合适的取点间距值使精度和数据量同时满足要求。

基于上述原因,经过对断面线变化特征进行反复研究与实践,提出了一个可以剔除冗余数据、保留细部突变信息的指标,即绝对坡度差指标,利用此指标,通过自研软件完美实现断面点抽稀,最终得到完全满足使用要求的数据。总体流程如图1所示。

图1 总体实施步骤

2 数据处理程序设计

2.1 数据结构分析

2.1.1 里程文件(hdm文件)数据结构

将CASS绘图软件生成的具有冗余数据的里程文件导入excel,作为程序的输入数据,断面数据格式如下：

BEGIN,断面里程mileage1：断面序号n

-20.000,271.945 ‘左侧第1个断面点至中桩平距,该点高程

-19.900,271.945 ’左侧第2个断面点至中桩平距,该点高程

……

0.000,272.700 ’中桩测点高程数据

0.100,272.700 ’右侧第1个断面点至中桩平距,该点高程

0.200,272.696 ’右侧第2个断面点至中桩平距,该点高程

……

BEGIN,断面里程mileage2：断面序号n+1 ’下一个断面数据

……

2.1.2设计要求数据格式

设计要求的断面数据：沿线路从小里程到大里程依次排列,每个断面3行数据,第1行为断面里程,第2行为左侧断面数据,第3行为右侧断面数据,左、右侧断面数据均由中心向两侧排列,每个测点用相对于前一点的平距与高差表示,具体格式如下：

第1行：第1个断面里程

第2行：左侧第1点距中心平距,该点与中心点高程差,左侧第2点距第1点平距,该点与第1点高程差,…

第3行：右侧第1点距中心平距,该点与中心点高程差,右侧第2点距第1点平距,该点与第1点高程差,…

……

2.2 程序算法

通过在excel中开发Visual Basic宏语言(Visual Basic for applications,VBA)程序实现数据处理[11-13],核心思想是逐个对横断面数据分左、右两部分进行处理,对相邻3个插值点的前后两段坡度进行对比,对坡度差在设置限差范围内的中间点进行剔除,并根据需要对距离中桩为输出间距(d)值整数倍的数据予以保留,输出数据格式与输入一致。主要算法流程如图2、图3所示。

图2 主程序流程图

图3 子程序流程图注：ABS是绝对值函数(absolute value)。

3 案例分析

3.1 工程背景

本文研究对象为东黄山基础设施项目测区内20条道路的纵横断面测量工作,测区内地形变化大,树木草地茂密,通视不佳,数字地形图已经测设完毕,工程任务是根据设计提供的线路设计要素,测量沿线纵、横断面,横断面间距为20 m,左右两侧横断面长均为20 m,设计单位要求提交断面图的同时,须按要求的数据格式提交断面数据。

3.2 数据采集

根据设计提供的线路设计要素,确定断面线位置,输入手簿,采用实时动态测量(real time kinematic,RTK)方法尽可能沿断面线补测地形点[3,14-16],基本要求是地形图能准确反映轮廓信息。由于本项目地处皖南山区,植被茂密,可能会对RTK测量信号产生干扰,从而导致测量数据精度不佳或出现非固定解类型数据,故必须对外业数据质量进行检查,确认数据无误后方可进行后续工作。

3.3 数据处理及成果分析

3.3.1 不同插值间距断面效果对比

以枢纽一路为例,通过不同插值间距分别成图,K0+240处同一横断面插值间距分别为0.1 m、5 m生成断面文件按同一比例尺绘制的断面图对比如图4所示。

(a)0.1 m插值断面

根据现场情况,K0+240处横断面右侧12 m左右为河道垂直加固陡坎,通过图4可以看出,利用5 m内插获得的里程文件未能精确反映现场断面实际情况,0.1 m内插数据文件最能反映现场情况,但数据冗余、断面图无法使用。

3.3.2断面数据处理后成图效果分析

利用二次开发程序对0.1 m内插数据文件处理后重新成图,将新断面轮廓叠加到上述0.1 m、5 m间距内插的断面图上进行对比(图5),结果表明,程序能够准确地对断面冗余数据进行自动剔除,结果精度与0.1 m内插结果一致,准确地反映了现场地形起伏情况。通过程序处理,不但达到了高精度成图,同时快速、准确地输出了设计要求格式的断面数据文件,减少了大量工作内容并避免人为错误。

(a)处理后与0.1 m插值结果叠加

4 结束语

本文以山区复杂地形条件下道路断面测量为背景,对地形断面测量流程和方法进行优化。充分利用既有成果和软件,采用外业补测、加密内插、自研软件数据抽稀、成果生成等流程,实现了内、外业最优化解决方案。

本文思路解决了断面测量生产效率与成果精度之间的矛盾,充分利用了既有成果,补测时对采集点位要求宽松,降低了外业工作难度;绘制横断面图实现全自动和高精度,自动剔出冗余数据,并可根据设计需求快速、准确地输出对应格式的断面数据文件,极大地提高了成果的可靠性和工作效率,具有实用性、高效性和通用性。