基于CAD 的地形圖自動質量檢測軟件研發

胡 玥

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

目前，主流的鐵路航測地形圖繪編系統多為基于AutoCAD 基礎平臺自主研發，其制圖成果的檢驗主要依靠人工判別、手工檢查的方式，在檢查方式、檢查內容、檢查效率等方面存在諸多弊端，極大地影響了航測制圖效率[1-2]。

已有許多學者對測繪生產自動化進行了相關研究:如楊元喜等研究了地圖數字化的精度評定與控制[3-4];王嬌等利用C#語言開發了基于多文件批量檢查的鐵路航測地形圖質檢軟件[5];蔡建德等基于VBA語言，進行了數字地形圖精度自動檢查統計系統的開發[6];何丹丹等利用清華山維軟件，進行了地形圖數據質量控制研究[7-8]。 以下在前人研究的基礎上，結合鐵路航測生產實際需求，基于現有的Mapedit 平臺，對地形圖制圖質量控制的主要內容、原理和實現方法進行分析，梳理出能采用計算機進行判別及程序自動檢查的質檢內容，開發符合應用實際、集成多種地形圖自動質量檢測功能的軟件。

1 地形圖主要質檢內容

1.1 地形圖質量檢查依據

在實際生產中，數字地形圖的質量檢查主要參照依據以下的規范和規定[9-11]:

①《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖圖式》GB/T 20257.1—2007。

②《 測 繪 成 果 質 量 檢 查 與 驗 收》 GB/T 24356—2009。

③《數字測繪成果質量檢查與驗收》 GB/T 18316—2008。

1.2 地形圖質量檢查的內容

航測地形圖質量檢查主要涉及三個方面:①結合外業數據評價地形圖高程精度;②地形圖邏輯問題檢查，包括點線矛盾、等高線注記不符等;③地形圖圖面表征質量問題檢查，包括地物壓蓋、地物與等高線相交、注記屬性不符等。 地形圖的質量控制主要包括制圖員自查、技術室審圖員查圖兩個環節。 搜集部分項目的地形圖圖面審圖結果，對日常生產中較為常見的地形圖質量問題類別和錯誤頻率進行了分類、歸納、總結和分析(見表1)。

表1 常見地形圖質量問題統計 個

由表1 可知，人工檢查、目視解譯生產實踐過程中主要存在以下問題:

(1)地形圖制圖容易出現的錯誤類型與地形密切相關。 山區地形圖的點線矛盾較難控制;平地地形圖的植被壓蓋問題不可避免;而丘陵地區因為植被類型比較瑣碎，需要大量人工干預。 另一方面，人工判識僅依靠作業員的眼力和經驗，在工期緊張、數據量大的情況下，審圖員也很難做到客觀全面，存在一定的誤判及漏判現象，并且費時費力，不利于數據生產效率的提高。

(2)隨著對設計、施工管理的細化量化，對土石方量計算提出了更嚴格的要求[12]。

而目前采取的地形圖精度統計方法，需要人工判識、逐點內插來獲取檢測點的高程并進行統計。 外業檢測點數據量大時，人工計算的工作量大，耗時較長，且精度難以保證，嚴重影響工期和質量。 例如一幅面積約2 km2的地形圖，包含外業散點個數為282，檢查統計時間為6～8 h。

2 質檢軟件需求分析

基于以上分析，總結出能夠通過計算機程序實現的功能(見表2)。

表2 擬實現的自動檢測功能

模塊功能需求如表3。

表3 具體模塊功能需求

3 軟件研發與實現

3.1 開發工具與語言

從生產實際出發，充分融合現有軟件及工具，在AutoCAD 平臺下，應用ObjectARX 和. NET 開發技術[13]，實行按需、分步的研究開發策略，完成了AutoCAD 作業平臺與既有MAPEDIT 軟件及工具的無縫對接，方便制圖人員和質檢人員的使用[14]。

3.2 關鍵技術

(1)思路與方案比選

以下對兩種主流的檢測方法(讀取三角網文件內插高程方法;等高線節點構三角網方法)進行對比[12]。考慮到五個檢查項功能模塊的易用性，最終選擇了等高線節點構三角網方法。 該方法使用簡便，運行速度較快，可較為真實地反映地形走勢。

由于程序僅根據三角網內插高程進行高差計算，無法顧及陡坎、陡壁等高差較大的實際地形。 此時，可將程序首次運行過程中發現的較大粗差點進行人工判斷剔除，從而得到較為準確的地形圖精度評價。 完整的算法流程如圖1 所示。

圖1 高程精度統計算法流程

(2)點線矛盾檢測

等高線和高程點是地形圖數據的重要組成部分，針對點線矛盾產生的原因和表現形式，結合等高線的特性，總結了三種可應用于地形圖點線矛盾自動檢測的方法[13]:等高線節點構TIN 方法、高程點構TIN 方法、放射檢查法。

以上三種方法從理論和實際上都是可行的，根據實際情況，以效率優先為目標進行比選，選擇了放射檢查法。 該方法使用簡便，運行速度較快，特別對于地形坡度較大、等高線密集的山區等地形效果較好。

4 工程實踐及成果分析

(1) 地形圖高程精度統計

檢查點的來源為外業實測點(從現勢性較好的1 ∶10 000 圖中提取的地面點，相關專業提供的實測橫、縱斷面點等)。 以某線路的縱斷面檢查為例:面積約2 km2的地形圖，其外業散點個數為282，程序運行時間小于2 s，結果輸出為文本格式，并對誤差超過0.7 m 的點進行了標識(見圖2)。

將其精度評定結果與點云軟件Microstation 獲取的結果進行比對，結果表明:兩者差值較小，效果穩定可靠。 與人工目視解譯相比，能夠提高工作效率50 倍以上，效率提升顯著。

(2)點線矛盾檢查

點線矛盾檢查包括高程點檢查與注記一致性檢查，以及高程注記點與等高線之間的檢查(見圖3)。

圖2 自動高程精度統計功能

圖3 自動點線矛盾檢測功能

通過人為設置錯誤，經過目視檢查和自動檢測，將軟件檢測與人工判識進行比對，結果如表4。

表4 點線矛盾檢測結果

點線矛盾檢查的原則是“將疑似錯誤提交人工檢查”，所以存在一定的錯檢率。 如檢測點位于鞍部或者地勢突變地區，還需要人機互動來進行判定。 在平地和丘陵區域，由于等高線較為稀疏，點線矛盾錯檢率較山區上升明顯。 因此，等高線數量較少的平坦地區不宜使用點線矛盾自動檢測功能。

(3)地形圖圖面質量自動檢查

利用開發的自動質量檢測軟件對地形圖進行檢測，其檢測時間均小于10 s(見圖4)。 并將結果與人工審查圖結果進行了比對(見表5)。

圖4 自動圖面質量檢測功能

表5 自動圖面檢測功能結果統計 個

由表5 可知，程序檢出率、效率和正確率均較高;使用程序自動檢測，可以將一些因放大倍數不夠而被人工忽略的錯誤輕松剔除，極大地提高了檢測質量。

5 結束語

基于CAD 的地形圖自動質量檢測軟件，借助程序計算代替傳統的人工判讀、手工計算，可以優化目前地形圖制作中一些效率低、質量控制薄弱的環節，減少地形圖中的差、漏、錯、碰現象，有效地提高了航測制圖效率及制圖質量。

數字地形圖質量檢查部分算法的執行速度還可以進一步提高。 對于過于復雜的地形、地貌，質量檢測效果還有一定的改進空間，擬在后續研究中進行攻關與改進。