基于AutoCAD平臺的線路橫斷面線提取系統的設計與實現

林春峰　黃華平　閔世平

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都　610031)

在線路勘察設計階段，橫斷面圖主要用于路基設計和土石方數量計算。一般的橫斷面圖由現場實測繪制，但是其勘測工期、成本、質量，受測區天氣、交通、地形困難程度等自然條件的限制較大，易造成測繪精度不高，工期難以保證，勘測成本加大。王智[1]研究了利用航測技術制作橫斷面圖的方法，使得作業人員能夠根據線路的位置在室內計算機上任意繪制橫斷面，不僅可保證勘測設計工期，而且能降低勘測成本。由于利用航測技術繪制的橫斷面圖誤差較大，因此需要勘測外業人員到現場進行地形點的采集，用以修正地形，利用修正之后的地形得到準確的橫斷面成果。本文設計并實現了一個線路橫斷面線提取軟件，以AutoCAD平臺進行橫斷面的快速提取，從而在一定條件下取代人工測量橫斷面，可減少野外測繪工作量，保證勘測設計工期。

1　技術流程

采用航測成果結合實測的外業高程點進行橫斷面提取，涉及到的技術流程如下：利用航測制圖成果和勘測成果建立地形模型，根據中樁位置確定橫斷面線；利用橫斷面線和地形模型進行變坡點的提取。

1.1　地形建模

航測制圖成果中包含等高線、高程點、坎、斜坡等數據，這些數據能夠表示實際的地形地貌，但航測制圖成果中地形地貌位置與實際位置存在誤差，需要外業勘測數據進行數據修測，使得航測制圖成果更符合實際情況。為了將修測之后的制圖成果作為橫斷面提取的數據源，需要進行地形建模。

地形建模即利用修測之后的地形地貌數據進行三維數字地表建模，常用的三維數字地表模型有不規則三角網模型(TIN)和數字高程模型(DEM)[2]，為了計算方便，本文采用TIN模型進行地形建模[3]。

1.2　橫斷面確定

線位上某里程處的橫斷面必須與線位嚴格垂直[4]，如圖1所示。

圖1　橫斷面示意

線路中線某里程CK處的坐標為(x0,y0),該里程處的切線斜率為k,橫斷面線上離CK點距離為d的p點坐標為(x1,y1),經過嚴密的數學公式推導計算得到

b=y0-kx0

m=k2+1.0

r1=2kb-2x0-2ky0

或

(1)

其中k、x0、y0、d為已知參數,b、m、r1、r2為中間變量。得到兩組結果是因為橫斷面線上距中樁點距離為d處的點有兩個。

1.3　變坡點尋找

通過公式(1)就能得到線位上某里程處橫斷面上任意一點的平面位置(x,y),通過構建好的地形模型就能計算得到該平面位置處的高程值z。在橫斷面上采用一定的間距進行采樣,計算采樣點的x,y,z坐標,并按照一定的順序連接起來，即可得到該里程處的橫斷面線。然而，上述方法會造成橫斷面線上節點過多,因此需要利用簡化算法尋找變坡點。

道格拉斯-普克算法能夠準確的刪除線段上小彎曲的節點,在整體上有效的保持線要素的形態特征[5],因此采用該算法對初步提取的橫斷面線進行簡化,尋找變坡點,得到最終結果。

道格拉斯-普克法的流程如下:

①將一條曲線首末頂點虛連一條直線，求出其余各頂點到該直線的距離；

②選其最大者與規定的限差相比較，若小于等于限差，則將直線兩端間各點全部刪去；

③若大于限差，則離該直線距離最大的頂點保留，并以此為界，把曲線分為兩部分，對這兩部分重復使用上述方法，直至無法做進一步的壓縮。

2　系統的設計

橫斷面提取軟件設計的總體目標如下：

能夠加載修測改正之后的地形圖，快速進行地形建模。

提供用戶可選擇的橫斷面提取方法，包括能夠自動提取線路上任意里程處的橫斷面、交互式的提取指定里程處的橫斷面等。

能夠將提取的橫斷面數據以一定的數據結構保存。

按照系統設計的目標，將系統分為數據層、服務層和用戶層，系統結構如圖2所示。

圖2　系統結構

其中，數據層提供構建地形的等高線數據、高程點數據及其他地形地貌數據；服務層包括提供地形建模、橫斷面確定、變坡點尋找、橫斷面線繪制和橫斷面成果保存等計算服務；用戶層通過調用服務層的服務訪問并計算數據，得到或保存橫斷面線結果。

橫斷面提取的整體流程如圖3所示。

圖3　整體流程

為了使提取的橫斷面線結果在不同專業之間轉換、應用，設計了一個橫斷面線成果的數據結構。該數據結構包括了橫斷面線的幾何信息(中樁里程、中樁坐標、節點坐標)和屬性信息(節點屬性)，以擴展標記文本格式存儲[6，7]。

文件格式為：

<橫斷面集>

<橫斷面 index=”1” >

<左節點集 total=value>

<節點 index="1">

<節點 index="2">

……

……

<右節點集 total=value>

<節點 index="1">

<節點 index="2">

……

……

<橫斷面 index=”2” >

……

……

……

……

3　系統的實現

系統采用AutoCAD軟件為基礎平臺，這樣能夠方便的加載、顯示、管理修測之后的地形圖數據，同時其強大的二次開發接口能夠方便開發人員訪問、繪制數據等[8]。橫斷面提取軟件被當作功能插件加載到AutoCAD軟件中使用。

軟件分為兩種操作模式：一種是選擇已有的線位進行橫斷面采集；另一種是自定義線位進行橫斷面采集，如圖4所示。

圖4　橫斷面提取設置

選擇了相應的橫斷面采集模式之后，按照系統設計的流程進行橫斷面提取，圖5為修測之后等高線、高程點構建的三維地形圖。圖6為提取得到橫斷面結果圖。

圖5　構建的三維地形

圖6　橫斷面結果

4　結束語

地形橫斷面提取軟件綜合了計算機、地理信息系統、測繪等技術，基于AutoCAD平臺，實現了數據快速管理、加載、顯示和地形橫斷面快速提取等功能，取代人工測量橫斷面，從而減少野外測繪工作量，保證勘測設計工期，提高生產效率。

[1]王智. 用航測方法測繪數字化橫斷面圖的研究[J].測繪通報，2004(4):24-27

[2]李志林，朱慶.數字高程模型[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社，2000(3)

[3]武曉波，王世新.Delaunay三角網的生成算法研究[J].測繪學報，2004(6)

[4]譙生有，王善高，周建東.應用線路實時坐標系測設線路橫斷面[J].測繪通報，2001(6)

[5]彭認燦，董箭，鄭義東，等.垂距法與道格拉斯-普克法刪除冗余頂點效率的比較[J].測繪通報，2010(3):66-67

[6]柳忠杰.數字橫斷面的標準化處理[J].鐵道勘察，2004(6)

[7]羅思群.基于XML技術的數據轉換[D].北京:中國科學院軟件研究所，2001

[8]李世國.AutoCAD高級開發技術ARX編程及應用[M].北京:機械工業出版社，1999