道路縱橫斷面數據采集程序化研究

鄭峴,張曉章,蔣勝華,薛衛星,2

(1．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079)

道路縱橫斷面數據采集程序化研究

鄭峴1?,張曉章1,蔣勝華1,薛衛星1,2

(1．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079)

在城市道路工程實踐和理論推導的基礎上總結出縱橫斷面數據采集的自動生成方法,然后利用AutoLISP語言進行二次開發,實現了道路縱斷面數據自動采集、橫斷面數據半自動采集等功能的程序化。道路縱橫斷面數據采集程序在保證質量和精度的前提下,提高了工作效率,適應了現代城市經濟建設健康快速發展的要求。

AutoLISP;縱橫斷面;數據采集;工作效率;程序設計

1　引 言

城市的快速發展變遷,伴隨著許多道路的建設和改造。在道路工程設計規劃的審批流程中,一般需要測量道路縱斷面圖和道路橫斷面圖。道路縱斷面圖是沿道路中心線縱向垂直剖切的一個立面,它表達了道路沿線起伏變化的狀況[1]。道路橫斷面圖是垂直于道路中心線方向的斷面,它主要是用來計算平整路面所需的土方量[2]。在縱橫斷面的成圖過程中有大量的坐標、里程采集工作,而傳統的工作方法需要的測量人員多、斷面測量采點數量大、工作周期長、人工記錄輸入容易出錯等[3]。2002年,吳浩等人[4]提出采用整體積分模型建立軌道交通中線測設的統一數學模型,并用該模型設計了軟件應用于武漢市軌道交用一號線的中線測設。因此,本文在學習整體積分模型的基礎上利用AutoLISP進行二次開發,實現了道路縱斷面數據自動采集、橫斷面數據半自動采集等功能,提高了繪制斷面成圖工作的效率。

2　道路縱橫斷面數據采集程序的設計與實現

2．1AutoLISP簡介及其特點

AutoLISP語言是嵌入在AutoCAD內部的具有獨特的語言結構及執行方式的一種人工智能繪圖語言[5]。首先,AutoLISP語言既繼承了LISP語言擅長處理各種結構的數據表的特點,又擴充了許多適用于CAD應用的特殊功能而形成的一種以解釋方式運行于AutoCAD內部的程序設計語言[6]。其次,AutoLISP語言中的一切成分都是以函數[7]的形式給出的,沒有語句、過程等這類程序概念,方便易懂。最后,AutoLISP擅長描述人機交互操作的過程,對于各種用戶輸入的接收、錯誤識別與恢復等方面的優秀功能[8]。

2．2道路縱橫斷面數據采集程序的設計與實現

本程序利用AutoLISP二次開發,通過AutoCAD平臺上的一系列交互式操作,逐點捕捉縱橫斷面線上的高程點,實現道路縱斷面數據自動采集、橫斷面數據半自動采集等功能,充分滿足設計施工的需求。道路縱橫斷面數據采集程序中最基礎的工作是指定點(中樁、地物地類特征點)坐標和高程的提取;有了點位的坐標后,就可以用不同的算法計算距離和角度等;最后,根據實際道路工程需要,將道路里程統計信息成果保存到指定位置。

一般而言,道路的形狀包括直線、緩和曲線和圓曲線三部分[9]。圖1中給出了道路縱斷面數據采集程序直線段的具體實現思路,圖1中第一行為需要輸入的數據。

圖1　直線段道路縱斷面數據采集程序算法流程圖

圓曲線部分和直線部分不同的地方在于道路里程的計算方法。同樣,我們需要首先拾取或輸入已知數據:圓曲線的起點(X0,Y0)、終點(X2,Y2)和設計半徑R。然后,根據式(1)計算圓曲線的弧長L,即為圓曲線部分的里程長度。

然后,根據整數道路里程所需的圓曲線弧長l按式(2)反算出其對應的圓心角θ,再根據圓心角θ和設計半徑R確定圓曲線部分的按中樁間距累加的整數道路里程點的坐標,即為橫斷面位置。橫斷面的方向為該點的法線方向。

而圓曲線部分的縱橫斷面數據采集除了整數道路里程的數據采集外,還包括圓曲線的起點、曲中點和終點的數據采集。

緩和曲線部分是本程序設計的難點。緩和曲線[10]是直線與圓曲線、圓曲線與圓曲線之間設置的曲率連續變化的曲線,主要包括回旋曲線型、三次拋物線型、雙扭線型和多心復曲線型。其中,回旋曲線是一種曲率隨曲線長度成比例變化的曲線,不僅可以使線性更加安全美觀,而且與駕駛員勻速轉動方向盤由圓曲線駛入直線或由直線駛入圓曲線的軌跡線相符合,是我國《標準》明確規定的緩和曲線線性[11],也是最友好型的緩和曲線。因此,我們程序中的緩和曲線采用回旋曲線型。根據廖日輝等人[12,13]的推算結果,當緩和曲線左轉(相對于道路前進方向)時,坐標轉換公式如式(3)所示。

其中,α是與緩和曲線連接的直線段的方位角, (XZH,YZH)為直緩點的坐標,(X,Y)為緩和曲線上的點轉換后的測量坐標,(x,y)由式(5)計算。

當緩和曲線右轉時,坐標轉換公式如式(4)所示。

將整數道路里程所需的緩和曲線弧長l和直線段的方位角α(需要說明的是:在程序中計算時為避免取位誤差的累積,我們并沒有計算出α的具體數值,而是直接用直線起點和直緩點的坐標計算cosα和sinα)代入對應的公式就可算得其測量坐標,即得到其對應里程的橫斷面位置。而橫斷面的方向則為回旋曲線上該點的切線角β的垂線方向。

最后,如果緩和曲線位于兩個圓曲線之間,則首先在半徑較大的圓曲線處作回旋曲線的延長線,推算出延長所得的“虛擬直緩點”的坐標,計算里程所需緩和曲線弧長時減掉延長線的長度,再按照上述公式計算緩和曲線上點的坐標及其對應的橫斷面的方向。

3　道路縱橫斷面數據采集程序的應用

在道路工程的勘測生產服務中,往往需要測量道路的縱橫斷面圖供規劃設計使用;在道路工程竣工后,又需要測定道路的竣工縱橫斷面圖供規劃設計部門驗收對比。使用道路縱橫斷面數據采集程序時,在“工具”中加載AutoLISP程序即可。其具體功能應用介紹如下。

3．1道路縱斷面數據采集程序

運行“zdm”命令,按程序提示依次輸入成果文件名、繪圖比例尺、道路中線編號、起始里程、中樁間距、左斷面寬度、右斷面寬度(不輸入默認同左)。接著,進入三個選擇項:捕捉線段起點和端點,or拾取圓曲線(右鍵),or拾取緩和曲線(回車)。本程序可以實現直線-緩和曲線-圓曲線、圓曲線-緩和曲線-圓曲線、直線-圓曲線-直線等在道路工程中所有可能用到的銜接的順利進行,道路中線初步繪制橫斷面線如圖2所示。

圖2　某工程道路中線的初步繪制橫斷面線的整體(左)與細部(右)

道路中線繪制橫斷面線結束時,相應的?．txt坐標成果文件也就保存在了指定的路徑下。若在以后的工作中繼續增加數據采集,輸入相同的成果文件名,增加的數據信息就會自動追加到該文件中,并以“中樁里程xyz”文字標示分行隔開。這樣就方便了成果的更新和完善。

本文的道路縱斷面數據采集程序不僅實現了在CAD中分割緩和曲線的功能,而且充分利用了AutoLISP交互式的特點,巧妙的通過鼠標左右鍵和回車鍵的切換進行功能的靈活選擇,操作簡單迅速,幾乎不需要手工輸入命令,具有很高的工作效率。

3．2道路橫斷面數據采集程序

運行“hdm”命令。首先選擇道路中樁線的起點和道路的前進方向,然后按道路前進方向逐條拾取橫斷面的數據或在中樁地物地類特征點處添加橫斷面后拾取其數據。橫斷面的數據采集按從左到右的方向進行,需要拾取該橫斷面上所有地物地類特征點的位置坐標和高程(高程文件平差擬合后)。

橫斷面數據采集過程中可能遇到的地物地類特征點主要有:陡坎(坎上、坎下),斜坡(坡頂、坡底),公路(路邊、路中、路邊),池塘(塘上、塘底、塘底、塘上),溝渠(溝頂、溝中、溝頂),河堤(河上、河下、河上、堤下、堤上、堤上、堤下)等。在這些特征點的數據采集過程中,有些特征點的點位或高程的拾取可以利用巧妙的鍵盤鼠標操作代替,從而提高數據采集的工作效率。下面我們將具體介紹本文程序道路橫斷面數據采集的方法與技巧。

①一點法,以陡坎為例。由于陡坎的坎上和坎下的平面位置是相同的,如圖3(a)所示,我們在拾取坎上的點(平面位置和高程)后,無需再次拾取坎下位置,直接“回車”后輸入坎下的高程即可。

②直角法,以池塘為例。如圖3(b)所示,首先拾取左邊塘上(點1)的平面位置和高程,無需拾取第一個塘底位置(點2),然后點擊鼠標右鍵,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取第二個塘底的平面位置(點3)和高程,“回車”,直接輸入右邊塘上(點4)的高程(如果點4和點1的高程相同,可以再次“回車”),即可得到該點的平面位置和高程數據。

③梯田法,以河堤為例。如圖3(c)所示,假設點1、4、5高程相同,點2、3高程相同,點6、7高程相同。按和②中相同的步驟采集點1、2、3的平面位置和高程數據后,“回車”后再“回車”,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取點5的平面位置和高程,“回車”后再“回車”,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取點7的平面位置和高程,“回車”,直接輸入點8的高程,得到點8的平面位置和高程數據。

圖3　道路橫斷面中點典型地物地類特征點示意圖

道路橫斷面數據采集結束時,相應的?．txt成果文件也就保存在了指定的路徑下,成果文件的具體格式如圖4所示。若在以后的工作中繼續增加數據采集,輸入相同的成果文件名,增加的數據信息同樣會自動追加到該文件中,并以“橫斷面xyz”文字標示分行隔開,方便了成果的更新和完善。本文的道路橫斷面數據采集程序同樣充分利用了AutoLISP交互式的特點,巧妙的通過鼠標左右鍵和回車鍵的切換進行功能的靈活選擇,提高了數據采集的工作效率。

圖4　縱橫斷面數據采集成果文件圖

本程序縱橫斷面采集的數據生成的成果文件格式都是文本格式,統計成果經過簡單的處理即可轉化成不同設計院所需格式并繪制出道路縱斷面圖和橫斷面圖。

4　結 語

道路設計直接關系到工程建設投資、規模、施工難易、行車安全、運行成本管理等多方面的內容。測量單位為設計院提供準確的縱橫斷面數據是確保道路設計科學、經濟、合理的前提,對區域經濟發展具有重大意義。本文在對道路工程的直線和圓曲線、特別是緩和曲線橫斷面里程確定的原理和算法進行深入分析的基礎上,用AutoLISP二次開發了縱橫斷面數據采集程序。該程序充分利用了AutoLISP語言的交互式特點,通過鼠標左右鍵和回車鍵的切換進行功能的靈活選擇,操作簡單迅速,幾乎不需要手工輸入命令,具有顯著的效率提高效應。而文本文件的統計成果只需要簡單的處理即可繪制成道路縱斷面圖和橫斷面圖。縱橫斷面數據采集程序由于具有完善的(包含了緩和曲線)功能、較高的精度和高效的工作效率,在實際道路工程中有著廣泛的用途和較高的經濟效益。

[1] 劉宗平,楊宏．利用AutoCAD快速設計道路縱斷面[J]．重慶交通大學學報·自然科學版,2007(S1):99～101, 109．

[2] 潘春梅．城市道路橫斷面優化設計理論與方法研究[D]．西安:長安大學,2012．

[3] 鄒進貴,田徑,劉衛平．基于AutoCAD二次開發的道路縱斷面自動繪制[J]．測繪通報,2013(S1):219～221．

[4] 吳浩,花向紅,王新洲等．軌道交通中線測設統一數學模型的建立[J]．武漢大學學報·信息科學版,27(5),478～482．

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[6] 屠志煒．基于Visual Lisp的AutoCAD的二次開發[D]．長春:吉林大學,2008．

[7] 許克根．基于AutoLISP的測量導線計算、繪圖程序設計與實現[J]．礦山測量,2014(1):85～87．

[8] 周浪,趙勝其,楊春燕等．基于AutoLISP的數字地形圖塔基斷面自動提取程序設計[J]．測繪工程,2014(11):74～77．

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[10] 賀挨寬．緩和曲線線型及長度標準的研究[J]．鐵道標準設計,2007(1):1～3,6．

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[12] 廖日輝,童斌．回旋線一般表達式的推導及應用[J]．水運工程,2007(10):23～25．

[13] 唐爭氣,吳爭鳴．道路曲線中樁和邊樁的3維坐標的一體化計算[J]．測繪通報,2006(12):20～23．

Research on the Data Acquisition Program of Road-Section

Zheng Xian1,Zhang Xiaozhang1,Jiang Shenghua1,Xue Weixing1,2
(1．Wuhan Research Institute of Surveying and Mapping,Wuhan 430022,China; 2．School of Geodesy&Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,China)

The data acquisition method of road-section is summarized by the practice of urban road engineering and theoretical deduction．Then,we have developed a procedure with AutoLISP,which has functions of the longitudinal section’automatic sampling and the cross section’semiautomatic sampling．This procedure has improved work efficiency with the guarantee of its quality and premise,suiting the healthy and rapid development of modern urban．

AutoLISP;road-section;data collection;work efficiency;program design

1672-8262(2016)01-113-04

P208．1

B

?2015—10—13

鄭峴(1970—),男,高級工程師,主要從事的工作:城市勘測技術管理。

薛衛星(1990—),男,碩士研究生,研究方向:精密工程測量與數據處理理論。

國家自然基金(41174010);長江科學院開放研究基金資助項目(CKWV2014217/KY)