基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統設計與實現

2014-04-18 07:19:28柯廣恒

地理空間信息 2014年3期

柯廣恒,李莉

（1.長江航道測量中心，湖北武漢 430000）

柯廣恒1,李莉1

（1.長江航道測量中心，湖北武漢 430000）

介紹了基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統的設計思路，實現了從讀取CAD數據文件，到建立DEM三角網，再到計算采樣點水深，最后在指定位置自動化批量繪制標準格式斷面圖的一體化解決方案，大幅度減少了人工操作，提高了斷面圖繪制效率。

AutoCAD；斷面圖；批量繪制

傳統的斷面圖繪制方法是采用圖紙上量取，然后讀取數據并手工繪制，或使用軟件先讀取水深數據，再通過水深及距離的對應關系繪制斷面圖。在實際測量中，觀測點位和設計斷面線不可避免地存在一定偏差，需要對所測水深數據進行手動過濾或修正，整個斷面圖繪制過程復雜，重復操作多，生產效率低下，難以滿足長江航道生產用圖的需要。本文提出基于AutoCAD的斷面圖批量繪制系統的設計思路與實現方案，提高了斷面圖繪制效率。

1 總體思路

Autodesk公司的AutoCAD軟件數據編輯功能強大，許多測繪生產單位都把它作為數字化測圖和繪圖的主要工具。AutoCAD采用文件方式存儲地理空間實體位置數據，數據的維護和更新比較復雜。本文提出了從讀取CAD數據文件，到建立DEM三角網，再到計算采樣點水深，最后在指定位置自動化批量繪制標準格式斷面圖的一體化解決方案，并基于VC++程序集成開發環境，通過ObjectARX二次開發函數庫進行系統開發與研制[1]。總體架構設計如圖1所示。

2 關鍵技術研究

2.1 水深點對象的提取

在AutoCAD中，存在多種形式表示的水深數據，例如點對象、文字對象、塊對象、復合對象等。本系統的數據源是文字形式的水深數據，即水深數據的屬性信息中并不含有水深值，而是用文本信息描述水深，同時用文本中特殊字符表示水深點真實位置（如小數點）。因此，通過ObjectARX得到的文本位置屬性并非直接的水深點真實位置，需要對其進行換算修正。

提取文字對象的第一步是對當前AutoCAD中所有對象進行過濾，僅保留文本對象。獲取到全部的文本對象水深數據后，逐個提取水深坐標及相應的水深值。本文以一個文字形式的水深數據為例，描述對其提取水深信息的方法。

圖1 系統總體架構

圖2 文字形式水深數據提取示意圖

如圖2所示，存在一個文本形式表示的水深點，水深值為13．8，坐標為小數點所在位置。H表示字高，W表示字寬，P1表示文字左下角，即通過ObjectARX獲取到文本水深對象的坐標，P2表示小數點所在位置，P3為垂足與P1和P2構成直角三角形。P2（x,y）即為需要的水深點平面坐標。研究得出：

其中，P1P3表示點P1到點P3的距離，n表示小數點前面的數字個數，k1和k2為與字體、字寬相對應的固定經驗系數。

其中， k3為與字體、字高相對應的固定經驗系數。由公式（1）和（2）可以求得：

進而求得P2（x,y）：

對于P2點對應的水深數值，只需用函數“tstof”對文本進行簡單轉換即可。

2.2 離散水深點的三角網構建

經過提取過濾得到的水深點信息是離散的，僅含有平面坐標位置和水深信息的獨立點，它們之間沒有關聯信息。為了能利用這些離散點擬合指定斷面的水下地形情況，需要對其建立不規則三角網，即TIN（triangulated irregular network）。

本系統采用地形擬合方面運用的較普遍的Delaunay三角網，采用Lawson算法實現。其基本步驟為：

1）構造一個超級三角形，包含所有散點，放入三角形鏈表；

2）將點集中的散點依次插入，在三角形鏈表中找出其外接圓包含插入點的三角形（稱為該點的影響三角形），刪除影響三角形的公共邊，將插入點同影響三角形的全部頂點連接起來，從而完成一個點在Delaunay三角形鏈表中的插入。如圖3所示。

3）根據優化準則對局部新形成的三角形進行優化，將形成的三角形放入Delaunay三角形鏈表；

4）循環執行上述第2步，直到所有散點插入完畢。

經過實際測試發現，在ObjectARX開發環境下，棧內存由AutoCAD控制，不能自定義，一般可支持10 000個水深點構建Delaunay三角網而不會發生棧溢出情況。如果需要支持更大數量的離散點建網，需要劃分區域分割處理，最后組合并網。本文采用緩沖區方案解決該問題，即針對每條斷面線，擴展生成足夠范圍的緩沖區，將對此斷面線產生影響的離散水深點全部囊括在緩沖區內。最終，僅需要對緩沖區內的離散水深點進行三角網構建即可滿足斷面線地形擬合的需要。通過這個方案，一方面解決了過多層次迭代造成棧溢出的問題，另一方面大幅提高了計算速度。如圖4所示，圖4a中間的線段為設定的斷面線，矩形框為通過該斷面線擴展得到的緩沖區范圍。在計算三角網的時候，僅將納入該范圍內的水深點進行考慮。圖4b為緩沖區內離散水深點構建好的三角網效果。

圖3 Lawson算法關鍵步驟

圖4 緩沖區示意圖

2.3 斷面線上水深數據擬合

對于已經確定的斷面線，根據設定好的采樣間隔，可以確定每個采樣點的坐標。將采樣點坐標納入三角網，即可擬合出它的水深。

1）確認水深點所屬三角形

遍歷三角網中所有的三角形，采用經典的射線法判斷水深點是否在三角形內。其積分思路是，設三角形頂點分別為A、B、C，待判斷點為P，在右側無窮遠的地方找一點Q，作射線PQ，計算PQ和線段AB、BC、CA的交點個數，個數為奇數則P在三角形內，為偶數則在三角形外。為了避免PQ通過A或B或C時產生誤判，需要減去重合的交點。該方法可以擴展到任意多邊形，且在實際計算中，為了便于計算一般會讓PQ為水平線。

圖5 點與多邊形拓撲關系判斷示意圖

圖5a中，水平射線與多邊形各邊累計有1個（奇數）交點，因此在多邊形內；圖5b中，水平射線與多邊形各邊累計有0個（偶數）交點，因此在多邊形外；圖5c中，水平射線與多邊形各邊累計有2個（偶數）交點，因此在多邊形外；圖5d中，水平射線與多邊形各邊累計有2個交點，但是有一個重復，只能算作1個（奇數）交點，因此在多邊形內。

通過這個方法，可以查看采樣點是否在某個三角形內，如果在則認為該采樣點隸屬于這個三角形。如果采樣點不在任何三角形內，則放寬隸屬檢測條件，不再要求點必須在三角形內，而是通過計算采樣點與各個三角形幾何中心的距離，來找出幾何中心與采樣點最近的三角形。同時，認為該采樣點隸屬于這個三角形。

2）根據三角形確定的平面擬合計算水深

經過步驟1）可以確定采樣點P對應的三角形ABC。為方便描述，設點A的坐標為（Ax，Ay，Az），點B的坐標為（Bx，By，Bz），點C的坐標為（Cx，Cy，Cz），點P的坐標為（Px，Py，Pz），其中Pz為待求水深值，其他為已知。

利用空間解析幾何的方法，推導出Pz的計算公式如下：

2.4 斷面圖繪制

單個斷面圖主要分成坐標軸、斷面線、注記三個部分。為了便于查看，坐標軸用縱橫的網格線表示，根據指定的比例尺來調整間隔。格網范圍中，橫向范圍和斷面線長度相關，縱向范圍和水深極值有關；斷面線用折線來表示，將采樣點展點到斷面圖上后，用折線連接起來即可，無需擬合；注記用于描述斷面圖的名稱、橫軸縱軸含義、比例尺等信息。單張斷面圖實例如圖6所示。