一種地形斷面信息提取的智能化解決方案

費先明 湯發(fā)樹

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司, 北京 100101)

0 引言

在線性工程勘測過程中,斷面信息必不可少[1-2],其成果是設(shè)計、施工及土方量計算的重要依據(jù)。斷面測量一般采用兩種方法：直接測量法和利用已有數(shù)字地形圖借助軟件系統(tǒng)(如計算機輔助測量系統(tǒng)(computer aided surveying system,CASS)進行斷面生成的純內(nèi)業(yè)法[3]。前者是根據(jù)實測點進行斷面繪制,雖可保證成果精度,但由于受復(fù)雜地物、地貌條件(如地形突變、溝渠、坑塘、高大樹木及茂密的植被等因素)限制,作業(yè)難度,工作量大,不能充分利用既有成果,效率極低;后者直接利用數(shù)字地形圖批量生成斷面成果,效率極高,但由于地形局部區(qū)域精細化程度不足,再加上因處理軟件中斷面點按等間距選取,無法顧及斷面線輪廓突變因素影響(若縮小取點間距,則數(shù)據(jù)量龐大,無法滿足使用要求),可能導(dǎo)致斷面圖不能準確反映實際情況[4-5]，很多學者利用其他方法嘗試在不增加外業(yè)工作量的情況下盡可能獲取準確的斷面成果[6-10]。

在東黃山基礎(chǔ)設(shè)施項目山區(qū)道路及河道斷面測量實踐中,本文在斷面測量的流程及方法優(yōu)化方面進行了深入研究。通過實地補測,加密斷面區(qū)域地形點,在保證地形圖上能準確反映輪廓特征情況下,無須要求斷面測點準確位置,最終借助既有CASS成圖系統(tǒng),通過加密插值點(縮小插值間距)方式生成高精度、大數(shù)據(jù)量的里程文件,然后通過開發(fā)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽稀,最終獲取滿足使用需求的斷面成果,所有內(nèi)業(yè)流程全部實現(xiàn)智能化處理。本方法不僅充分利既有地形成果,而且通過放寬外業(yè)點位要求,降低了外業(yè)作業(yè)難度;在內(nèi)業(yè)方面,不僅充分利用既有軟件條件,而且通過開發(fā)實現(xiàn)全流程的智能化處理。

綜合利用現(xiàn)有地形資料、軟件及開發(fā)技術(shù)等條件,通過反復(fù)研究與實踐,提出了一種具有普遍應(yīng)用價值的最優(yōu)化解決方案,完美地解決了生產(chǎn)效率與成果精度之間的矛盾。

1 研究思路

東黃山基礎(chǔ)設(shè)施項目山區(qū)道路及河道斷面測量作業(yè)區(qū)地形復(fù)雜,工期緊,為充分利用既有地形圖成果,加快進度,并借助CASS系統(tǒng)斷面繪制功能批量生成等間距斷面數(shù)據(jù)。由于既有地形圖局部地形精度無法完全滿足使用要求,故對地形點稀疏區(qū)域及輪廓特征點進行適當外業(yè)補測并展點,保證地形圖達到斷面成圖精度要求。在利用CASS系統(tǒng)自動生成斷面時發(fā)現(xiàn),如果取點間距偏大(如5 m),則斷面結(jié)果無法準確反映地形變化細節(jié),其精度無法滿足使用要求;如果取點間距偏小(如0.1 m),則數(shù)據(jù)量龐大,同樣無法滿足使用要求。事實上,采用等間距采點時,無法找到一個合適的取點間距值使精度和數(shù)據(jù)量同時滿足要求。

基于上述原因,經(jīng)過對斷面線變化特征進行反復(fù)研究與實踐,提出了一個可以剔除冗余數(shù)據(jù)、保留細部突變信息的指標,即絕對坡度差指標,利用此指標,通過自研軟件完美實現(xiàn)斷面點抽稀,最終得到完全滿足使用要求的數(shù)據(jù)。總體流程如圖1所示。

圖1 總體實施步驟

2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 里程文件(hdm文件)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

將CASS繪圖軟件生成的具有冗余數(shù)據(jù)的里程文件導(dǎo)入excel,作為程序的輸入數(shù)據(jù),斷面數(shù)據(jù)格式如下：

BEGIN,斷面里程mileage1：斷面序號n

-20.000,271.945 ‘左側(cè)第1個斷面點至中樁平距,該點高程

-19.900,271.945 ’左側(cè)第2個斷面點至中樁平距,該點高程

……

0.000,272.700 ’中樁測點高程數(shù)據(jù)

0.100,272.700 ’右側(cè)第1個斷面點至中樁平距,該點高程

0.200,272.696 ’右側(cè)第2個斷面點至中樁平距,該點高程

……

BEGIN,斷面里程mileage2：斷面序號n+1 ’下一個斷面數(shù)據(jù)

……

2.1.2設(shè)計要求數(shù)據(jù)格式

設(shè)計要求的斷面數(shù)據(jù)：沿線路從小里程到大里程依次排列,每個斷面3行數(shù)據(jù),第1行為斷面里程,第2行為左側(cè)斷面數(shù)據(jù),第3行為右側(cè)斷面數(shù)據(jù),左、右側(cè)斷面數(shù)據(jù)均由中心向兩側(cè)排列,每個測點用相對于前一點的平距與高差表示,具體格式如下：

第1行：第1個斷面里程

第2行：左側(cè)第1點距中心平距,該點與中心點高程差,左側(cè)第2點距第1點平距,該點與第1點高程差,…

第3行：右側(cè)第1點距中心平距,該點與中心點高程差,右側(cè)第2點距第1點平距,該點與第1點高程差,…

……

2.2 程序算法

通過在excel中開發(fā)Visual Basic宏語言(Visual Basic for applications,VBA)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理[11-13],核心思想是逐個對橫斷面數(shù)據(jù)分左、右兩部分進行處理,對相鄰3個插值點的前后兩段坡度進行對比,對坡度差在設(shè)置限差范圍內(nèi)的中間點進行剔除,并根據(jù)需要對距離中樁為輸出間距(d)值整數(shù)倍的數(shù)據(jù)予以保留,輸出數(shù)據(jù)格式與輸入一致。主要算法流程如圖2、圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 子程序流程圖注：ABS是絕對值函數(shù)(absolute value)。

3 案例分析

3.1 工程背景

本文研究對象為東黃山基礎(chǔ)設(shè)施項目測區(qū)內(nèi)20條道路的縱橫斷面測量工作,測區(qū)內(nèi)地形變化大,樹木草地茂密,通視不佳,數(shù)字地形圖已經(jīng)測設(shè)完畢,工程任務(wù)是根據(jù)設(shè)計提供的線路設(shè)計要素,測量沿線縱、橫斷面,橫斷面間距為20 m,左右兩側(cè)橫斷面長均為20 m,設(shè)計單位要求提交斷面圖的同時,須按要求的數(shù)據(jù)格式提交斷面數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設(shè)計提供的線路設(shè)計要素,確定斷面線位置,輸入手簿,采用實時動態(tài)測量(real time kinematic,RTK)方法盡可能沿斷面線補測地形點[3,14-16],基本要求是地形圖能準確反映輪廓信息。由于本項目地處皖南山區(qū),植被茂密,可能會對RTK測量信號產(chǎn)生干擾,從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)精度不佳或出現(xiàn)非固定解類型數(shù)據(jù),故必須對外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢查,確認數(shù)據(jù)無誤后方可進行后續(xù)工作。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

3.3.1 不同插值間距斷面效果對比

以樞紐一路為例,通過不同插值間距分別成圖,K0+240處同一橫斷面插值間距分別為0.1 m、5 m生成斷面文件按同一比例尺繪制的斷面圖對比如圖4所示。

(a)0.1 m插值斷面

根據(jù)現(xiàn)場情況,K0+240處橫斷面右側(cè)12 m左右為河道垂直加固陡坎,通過圖4可以看出,利用5 m內(nèi)插獲得的里程文件未能精確反映現(xiàn)場斷面實際情況,0.1 m內(nèi)插數(shù)據(jù)文件最能反映現(xiàn)場情況,但數(shù)據(jù)冗余、斷面圖無法使用。

3.3.2斷面數(shù)據(jù)處理后成圖效果分析

利用二次開發(fā)程序?qū)?.1 m內(nèi)插數(shù)據(jù)文件處理后重新成圖,將新斷面輪廓疊加到上述0.1 m、5 m間距內(nèi)插的斷面圖上進行對比(圖5),結(jié)果表明,程序能夠準確地對斷面冗余數(shù)據(jù)進行自動剔除,結(jié)果精度與0.1 m內(nèi)插結(jié)果一致,準確地反映了現(xiàn)場地形起伏情況。通過程序處理,不但達到了高精度成圖,同時快速、準確地輸出了設(shè)計要求格式的斷面數(shù)據(jù)文件,減少了大量工作內(nèi)容并避免人為錯誤。

(a)處理后與0.1 m插值結(jié)果疊加

4 結(jié)束語

本文以山區(qū)復(fù)雜地形條件下道路斷面測量為背景,對地形斷面測量流程和方法進行優(yōu)化。充分利用既有成果和軟件,采用外業(yè)補測、加密內(nèi)插、自研軟件數(shù)據(jù)抽稀、成果生成等流程,實現(xiàn)了內(nèi)、外業(yè)最優(yōu)化解決方案。

本文思路解決了斷面測量生產(chǎn)效率與成果精度之間的矛盾,充分利用了既有成果,補測時對采集點位要求寬松,降低了外業(yè)工作難度;繪制橫斷面圖實現(xiàn)全自動和高精度,自動剔出冗余數(shù)據(jù),并可根據(jù)設(shè)計需求快速、準確地輸出對應(yīng)格式的斷面數(shù)據(jù)文件,極大地提高了成果的可靠性和工作效率,具有實用性、高效性和通用性。