基于Python的縱橫斷面自動提取軟件

中鐵一局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000

1 縱橫斷面概述

隨著科學技術的發展，人們的生產效率不斷提高。利用先進的科學技術不斷優化工程實踐是提高生產效率的關鍵，也是促進社會發展、創造美好生活的必由之路。

縱橫斷面測量的目的是確定工程所在地的地面情況，主要包括地表的形狀和變化等，可為道路的建設或修整提供有效信息。在進行縱橫斷面測量的過程中，內業數據處理相對煩瑣，人為計算不僅耗時而且錯誤率較高。考慮到縱橫斷面工程測量工作數據數量大，而且數據具有規律性的特點，為提高生產效率，文章設計開發了HAV縱橫斷面自動化提取軟件，實現了外業測量數據的自動檢查和提取。

2 斷面自動提取軟件開發

斷面自動提取軟件基于Windows平臺，利用Python編程語言編譯，具體版本為Python3.5，可直接在Windows系統計算機運行。

2.1 軟件主要功能

該軟件主要用于縱橫斷面的自動計算與提取。該軟件能夠自動讀取GNSS、全站儀、三維激光點云所測得的高程點數據，完成縱橫斷面數據的計算、檢查，并根據設置的長度和寬度閾值自動提取所測地形的縱橫斷面數據。

該軟件適應于不同的地形和不同形狀的設計中樁線，得出的數據成果可自行選擇保存為其他軟件能夠讀取使用的格式，例如公路設計軟件緯地能夠識別的格式和CASS軟件能夠讀取的通用斷面數據格式。

該軟件實地應用于縱橫斷面的測量工作中，既能夠擺脫人工數據計算的重復操作性，節省時間，又能夠有效避免人為錯誤，提高工作效率。

2.2 軟件技術特點

在道路勘測過程中，直觀顯示道路的縱橫斷面信息并將其用于指導生產是非常有必要的。對于道路縱橫斷面測量工作，很多單位都相應地改進過生產方式，開發了一些用于縱橫斷面提取的軟件，但多數只是為了內部使用，所開發的計算軟件僅針對具體工程或單位涉及的某類業務，通用性并不好，且軟件的自動化程度較低，仍然需要大量人為操作。該軟件對縱橫斷面數據能夠批量讀取、計算，按有效信息排列展示，實現縱橫段數據的自動提取，并生成其他軟件能夠使用的成果文件。該軟件具有如下技術特點：

（1）真實性。利用測繪設備（全站儀、GNSS等）采集的數據可直接復制到計算機上進行處理，只需確定提取閾值，其他計算均由計算機完成，無須人為干預，確保了數據成果的真實可靠。

（2）靈活性。觀測數據對方向和次序的要求不高，數據處理時僅需要記錄測站的點號或點名便可；采用測站虛擬模式，采集的數據可以是同一個樁上的多個測站以不同采點方式觀測的結果；可以從任意里程進行斷面繪制。任意里程的斷面樁和斷面點都能夠作為起點，軟件可遵循“左負右正”的原則重新計算起點距。

（3）直觀性。斷面繪制以測站為單位逐一處理，且運算進度可視，可及時提醒錯誤。

（4）易推廣性。軟件設計從操作的簡潔性和實用性出發，各項功能均能夠便捷完成，非該專業人員經過簡單培訓也能夠學會并迅速進行實際生產。

（5）兼容性。軟件兼容性較強，可自主設置提取的閾值，不受設計線路形狀及復雜性的影響，且效率高，可迅速提取大量數據，可滿足CASS軟件、緯地軟件格式標準。

2.3 軟件開發流程

縱橫斷面測量工作測得的原始數據主要為測量區域的高程數據，外業測量工作一般會在觀測區域內采集大量高程點，然后對采集的數據按樁號進行歸納整理，整理成各軟件能夠識別的格式并可視化，按照每個樁號形成直觀的截面數據。

該軟件選擇Python編程語言，在Windows系統下編譯完成。開發流程主要包括文件的讀取、數據的計算、數據的篩選以及成果的規范化輸出這四個部分。文件的讀取主要包括對設計中樁線數據的讀取和對外業測得的原始數據的讀取，該過程需要完成數據的歸納整理，最終的成果需要按照設計要求也就是中樁線的位置和里程規范化輸出，因此需要對設計中樁數據和采集的原始高程數據規范化輸入。然后是關鍵數據的計算，根據成果數據的需要，所需高程點屬性信息需包含偏距和里程，以方便對斷面進行直觀顯示。接著是對高程點的篩選，根據各里程下斷面的需要，對質量高的高程點進行篩選排序。最后是數據的輸出，根據不同軟件的要求，對生成的數據規范輸出，以符合應用要求。該軟件還可以根據不同軟件的需要進行成果數據格式的調整，輸出不同格式要求的成果，從而滿足工程需要。軟件的主要開發流程如圖1所示。

圖1 軟件算法流程圖

2.4 關鍵算法設計

線路的形狀不僅是直線，往往會出現各種尺度的緩和曲線，直線部分斷面提取相對簡單，文章針對線路為緩和曲線部分的復雜性進行了優化設計，使程序能夠準確、高效地獲得縱橫斷面數據。

由于車速較快，道路轉彎處往往要設計得比較緩直，直線與直線交接的位置和直線與圓曲線交接的位置會有緩和曲線作為補充。但是緩和曲線切線、法線的計算具有較高的復雜性，為解決縱橫斷面繪制中緩和曲線計算復雜的問題，文章提出了一種近似計算方式，具有良好的操作性，既能提高精度，又能夠快速直觀地獲得緩和曲線上點的橫斷面。根據里程文件獲得需要繪制橫斷面的中樁點坐標，若該點在緩和曲線上，則將該里程分別前進和后退0.001m，并利用緩和曲線坐標計算公式獲得兩點坐標，分別稱為前位點和后位點；連接前位點和后位點，計算其中垂線，該方向即為橫斷面方向；通過查找該方向附近高程點并進行線性內插，便可獲得橫斷線上高程點的坐標，最后利用坐標展繪繪制出橫斷面。

3 工程概況

以新建赤峰至喀左客專CFSG-4標項目為例，項目涉及路基的填挖土方量，過程中需要測量地面線標高，用來檢驗工程設計中的工作量是否與實際相符。道路縱橫斷面數據為該工程的必要參考數據。此次工程原始數據是在現場按鐵路中樁線于道路兩側采集高程數據，整個采集區域位于道路及道路兩側，呈條帶狀。

測量工作隨著科學技術的發展而不斷進步，特別是GNSS技術的不斷成熟與運用，使傳統的測量手段在一些領域被逐漸取代，外業測繪工作的勞動強度大幅度降低。此次工程外業測量工作使用GNSS完成，在鐵路范圍內利用GPS-RTK的方法共采集高程點28542個，作為工作的原始數據，然后利用編寫的軟件進行實際生產實驗。

4 軟件應用

軟件界面簡潔明了，主要功能展示在主界面，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面圖

軟件界面分為三個部分：一是軟件讀取窗口，位于界面頂部，包括對縱斷文件的讀取和橫斷文件的讀取；二是參數設置窗口，包含用戶想要提取的縱橫斷面數據的搜索閾值，中間部分為功能按鍵，包含“提取斷面數據”“清空日志”“保存緯地文件”和“保存CASS文件”四個按鍵；三是軟件運行窗口，位于界面底部，可實時顯示提取過程。

根據實際需要，此次工程設置寬度閾值為2m，長度閾值為100m，軟件自動提取的道路橫斷面數據結果如圖3所示。

圖3 數據成果展示圖

數據成果格式：第一行是點名和該點高程，點名即里程，下方為該里程下各點的偏距和高差，2個數為1組，前者為該點偏距，后者為該點與中樁點的高差。導入CASS中可生成不同里程的斷面圖，400m里程斷面圖如圖4所示。

圖4 道路橫斷面圖（單位：m）

5 數據成果

經過外業GPS采集路面高程點，該軟件直接處理獲得了原始數據，并分別輸出了兩種格式的成果文件，一種是緯地軟件可以直接應用的數據，一種是CAD軟件可以打開的數據，生成了直觀的斷面圖。成果數據包含一組沿中樁線測得的斷面數據和按里程提取的879個橫斷面數據。

此次工程測量縱橫斷面的主要目的是核驗填挖土方量，確定具體工作量，為后期實際工作安排提供數據參考。土方量主要結合實測值與所給設計值的差值確定。將所得實測斷面圖與設計斷面疊加，繪制出新的斷面圖，可直觀看出所需挪動的土方，實地高于設計高程的位置需要挖除，低于設計高程的位置則需要填充。利用其高程差值可計算得到需要挪動土方的橫截面積，相鄰兩個斷面間需要填充或挖除的土方可近似看作棱臺或圓臺，已知頂面和底面的面積便可利用體積公式計算斷面間需要填挖的土方。以K72+500～K72+600為例，制作設計值與實際值疊加后的斷面圖，根據圖上差值計算該路段的填挖土方量，如表1所示。

表1 填挖土方量統計表

對總體數據進行整合與評估可知，該路段統計所得共需填方14630.063m3，與所給設計值相符，說明數據可靠。利用該方法可驗證并得出整條路段的填挖土方量，確定所需的工作量，能夠保證后續工作的順利實施。

6 結束語

文章結合工程實踐，考慮具體測量工作中遇到的問題，針對不同場景下縱橫斷面的提取工作，無論測區是否規則，軟件均可對數據進行計算處理，檢查去掉不合適的點，提取所需高程點并將數據輸出為其他軟件可識別的文件格式。該斷面自動繪制軟件大幅度提高了縱橫斷面數據提取的效率，避免了人為錯誤，實現了縱橫斷面的自動繪制。與人工繪制相比，其具有如下優勢：（1）人工繪制斷面需要大量的計算，而且極易出現人為錯誤，而該軟件能夠避免人工繪制斷面圖過程中的各類錯誤，減少人工繪制斷面圖過程中的大量重復性工作，提高了效率，降低了人力、物力的成本。（2）該軟件繪制的斷面圖簡潔、準確、快速，具有計算機自動化真實、高效等優點，符合工程施工用圖要求。（3）該軟件提出了一種高效的緩和曲線橫斷面繪制算法，兼容性較強，運行簡單，對于不同質量的外業數據適應性高，可方便運用到實際生產工作中。在新建赤峰至喀左客專CFSG-4標項目中，將該軟件應用于實際工作中，最終取得了縱橫斷面數據，為鐵路建設提供了可靠的成果，并節省了時間和人力成本，驗證了該軟件在實際工作中的應用價值。