道路數(shù)據(jù)采集程序化探究范文

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摘要:

在城市道路工程實(shí)踐和理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上總結(jié)出縱橫斷面數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)生成方法,然后利用AutoLISP語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了道路縱斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、橫斷面數(shù)據(jù)半自動(dòng)采集等功能的程序化。道路縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序在保證質(zhì)量和精度的前提下,提高了工作效率,適應(yīng)了現(xiàn)代城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)健康快速發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞:

AutoLISP;縱橫斷面;數(shù)據(jù)采集;工作效率;程序設(shè)計(jì)

1引言

城市的快速發(fā)展變遷,伴隨著許多道路的建設(shè)和改造。在道路工程設(shè)計(jì)規(guī)劃的審批流程中,一般需要測(cè)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(xiàn)縱向垂直剖切的一個(gè)立面,它表達(dá)了道路沿線(xiàn)起伏變化的狀況[1]。道路橫斷面圖是垂直于道路中心線(xiàn)方向的斷面,它主要是用來(lái)計(jì)算平整路面所需的土方量[2]。在縱橫斷面的成圖過(guò)程中有大量的坐標(biāo)、里程采集工作,而傳統(tǒng)的工作方法需要的測(cè)量人員多、斷面測(cè)量采點(diǎn)數(shù)量大、工作周期長(zhǎng)、人工記錄輸入容易出錯(cuò)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(xiàn)測(cè)設(shè)的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型,并用該模型設(shè)計(jì)了軟件應(yīng)用于武漢市軌道交用一號(hào)線(xiàn)的中線(xiàn)測(cè)設(shè)。因此,本文在學(xué)習(xí)整體積分模型的基礎(chǔ)上利用AutoLISP進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了道路縱斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、橫斷面數(shù)據(jù)半自動(dòng)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(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1AutoLISP簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)AutoLISP語(yǔ)言是嵌入在A(yíng)utoCAD內(nèi)部的具有獨(dú)特的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)及執(zhí)行方式的一種人工智能繪圖語(yǔ)言[5]。首先,AutoLISP語(yǔ)言既繼承了LISP語(yǔ)言擅長(zhǎng)處理各種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表的特點(diǎn),又?jǐn)U充了許多適用于CAD應(yīng)用的特殊功能而形成的一種以解釋方式運(yùn)行于A(yíng)utoCAD內(nèi)部的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[6]。其次,AutoLISP語(yǔ)言中的一切成分都是以函數(shù)[7]的形式給出的,沒(méi)有語(yǔ)句、過(guò)程等這類(lèi)程序概念,方便易懂。最后,AutoLISP擅長(zhǎng)描述人機(jī)交互操作的過(guò)程,對(duì)于各種用戶(hù)輸入的接收、錯(cuò)誤識(shí)別與恢復(fù)等方面的優(yōu)秀功能[8]。

2．2道路縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本程序利用AutoLISP二次開(kāi)發(fā),通過(guò)AutoCAD平臺(tái)上的一系列交互式操作,逐點(diǎn)捕捉縱橫斷面線(xiàn)上的高程點(diǎn),實(shí)現(xiàn)道路縱斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、橫斷面數(shù)據(jù)半自動(dòng)采集等功能,充分滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工的需求。道路縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序中最基礎(chǔ)的工作是指定點(diǎn)(中樁、地物地類(lèi)特征點(diǎn))坐標(biāo)和高程的提取;有了點(diǎn)位的坐標(biāo)后,就可以用不同的算法計(jì)算距離和角度等;最后,根據(jù)實(shí)際道路工程需要,將道路里程統(tǒng)計(jì)信息成果保存到指定位置。一般而言,道路的形狀包括直線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)和圓曲線(xiàn)三部分[9]。圖1中給出了道路縱斷面數(shù)據(jù)采集程序直線(xiàn)段的具體實(shí)現(xiàn)思路,圖1中第一行為需要輸入的數(shù)據(jù)。 圓曲線(xiàn)部分和直線(xiàn)部分不同的地方在于道路里程的計(jì)算方法。同樣,我們需要首先拾取或輸入已知數(shù)據(jù):圓曲線(xiàn)的起點(diǎn)(X0,Y0)、終點(diǎn)(X2,Y2)和設(shè)計(jì)半徑R。然后,根據(jù)式(1)計(jì)算圓曲線(xiàn)的弧長(zhǎng)L,即為圓曲線(xiàn)部分的里程長(zhǎng)度。緩和曲線(xiàn)部分是本程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。緩和曲線(xiàn)[10]是直線(xiàn)與圓曲線(xiàn)、圓曲線(xiàn)與圓曲線(xiàn)之間設(shè)置的曲率連續(xù)變化的曲線(xiàn),主要包括回旋曲線(xiàn)型、三次拋物線(xiàn)型、雙扭線(xiàn)型和多心復(fù)曲線(xiàn)型。其中,回旋曲線(xiàn)是一種曲率隨曲線(xiàn)長(zhǎng)度成比例變化的曲線(xiàn),不僅可以使線(xiàn)性更加安全美觀(guān),而且與駕駛員勻速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)由圓曲線(xiàn)駛?cè)胫本€(xiàn)或由直線(xiàn)駛?cè)雸A曲線(xiàn)的軌跡線(xiàn)相符合,是我國(guó)《標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定的緩和曲線(xiàn)線(xiàn)性[11],也是最友好型的緩和曲線(xiàn)。因此,我們程序中的緩和曲線(xiàn)采用回旋曲線(xiàn)型。根據(jù)廖日輝等人[12,13]的推算結(jié)果,當(dāng)緩和曲線(xiàn)左轉(zhuǎn)(相對(duì)于道路前進(jìn)方向)時(shí),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如式(3)所示。最后,如果緩和曲線(xiàn)位于兩個(gè)圓曲線(xiàn)之間,則首先在半徑較大的圓曲線(xiàn)處作回旋曲線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn),推算出延長(zhǎng)所得的“虛擬直緩點(diǎn)”的坐標(biāo),計(jì)算里程所需緩和曲線(xiàn)弧長(zhǎng)時(shí)減掉延長(zhǎng)線(xiàn)的長(zhǎng)度,再按照上述公式計(jì)算緩和曲線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的橫斷面的方向。

3道路縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序的應(yīng)用

在道路工程的勘測(cè)生產(chǎn)服務(wù)中,往往需要測(cè)量道路的縱橫斷面圖供規(guī)劃設(shè)計(jì)使用;在道路工程竣工后,又需要測(cè)定道路的竣工縱橫斷面圖供規(guī)劃設(shè)計(jì)部門(mén)驗(yàn)收對(duì)比。使用道路縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序時(shí),在“工具”中加載AutoLISP程序即可。其具體功能應(yīng)用介紹如下。

3．1道路縱斷面數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)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(xiàn)編號(hào)、起始里程、中樁間距、左斷面寬度、右斷面寬度(不輸入默認(rèn)同左)。接著,進(jìn)入三個(gè)選擇項(xiàng):捕捉線(xiàn)段起點(diǎn)和端點(diǎn),or拾取圓曲線(xiàn)(右鍵),or拾取緩和曲線(xiàn)(回車(chē))。本程序可以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)-緩和曲線(xiàn)-圓曲線(xiàn)、圓曲線(xiàn)-緩和曲線(xiàn)-圓曲線(xiàn)、直線(xiàn)-圓曲線(xiàn)-直線(xiàn)等在道路工程中所有可能用到的銜接的順利進(jìn)行,道路中線(xiàn)初步繪制橫斷面線(xiàn)如圖2所示。本文的道路縱斷面數(shù)據(jù)采集程序不僅實(shí)現(xiàn)了在CAD中分割緩和曲線(xiàn)的功能,而且充分利用了Au-toLISP交互式的特點(diǎn),巧妙的通過(guò)鼠標(biāo)左右鍵和回車(chē)鍵的切換進(jìn)行功能的靈活選擇,操作簡(jiǎn)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(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行“hdm”命令。首先選擇道路中樁線(xiàn)的起點(diǎn)和道路的前進(jìn)方向,然后按道路前進(jìn)方向逐條拾取橫斷面的數(shù)據(jù)或在中樁地物地類(lèi)特征點(diǎn)處添加橫斷面后拾取其數(shù)據(jù)。橫斷面的數(shù)據(jù)采集按從左到右的方向進(jìn)行,需要拾取該橫斷面上所有地物地類(lèi)特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)和高程(高程文件平差擬合后)。橫斷面數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能遇到的地物地類(lèi)特征點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,有些特征點(diǎn)的點(diǎn)位或高程的拾取可以利用巧妙的鍵盤(pán)鼠標(biāo)操作代替,從而提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集的方法與技巧。①一點(diǎn)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?cè)谑叭】采系狞c(diǎn)(平面位置和高程)后,無(wú)需再次拾取坎下位置,直接“回車(chē)”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(diǎn)1)的平面位置和高程,無(wú)需拾取第一個(gè)塘底位置(點(diǎn)2),然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取第二個(gè)塘底的平面位置(點(diǎn)3)和高程,“回車(chē)”,直接輸入右邊塘上(點(diǎn)4)的高程(如果點(diǎn)4和點(diǎn)1的高程相同,可以再次“回車(chē)”),即可得到該點(diǎn)的平面位置和高程數(shù)據(jù)。③梯田法,以河堤為例。如圖3(c)所示,假設(shè)點(diǎn)1、4、5高程相同,點(diǎn)2、3高程相同,點(diǎn)6、7高程相同。按和②中相同的步驟采集點(diǎn)1、2、3的平面位置和高程數(shù)據(jù)后,“回車(chē)”后再“回車(chē)”,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取點(diǎn)5的平面位置和高程,“回車(chē)”后再“回車(chē)”,選取“坎下/塘底/堤下”,拾取點(diǎn)7的平面位置和高程，道路橫斷面數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí),相應(yīng)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(xù)增加數(shù)據(jù)采集,輸入相同的成果文件名,增加的數(shù)據(jù)信息同樣會(huì)自動(dòng)追加到該文件中,并以“橫斷面xyz”文字標(biāo)示分行隔開(kāi),方便了成果的更新和完善。本文的道路橫斷面數(shù)據(jù)采集程序同樣充分利用了AutoLISP交互式的特點(diǎn),巧妙的通過(guò)鼠標(biāo)左右鍵和回車(chē)鍵的切換進(jìn)行功能的靈活選擇,提高了數(shù)據(jù)采集的工作效率。本程序縱橫斷面采集的數(shù)據(jù)生成的成果文件格式都是文本格式,統(tǒng)計(jì)成果經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理即可轉(zhuǎn)化成不同設(shè)計(jì)院所需格式并繪制出道路縱斷面圖和橫斷面圖。

4結(jié)語(yǔ)

道路設(shè)計(jì)直接關(guān)系到工程建設(shè)投資、規(guī)模、施工難易、行車(chē)安全、運(yùn)行成本管理等多方面的內(nèi)容。測(cè)量單位為設(shè)計(jì)院提供準(zhǔn)確的縱橫斷面數(shù)據(jù)是確保道路設(shè)計(jì)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的前提,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。本文在對(duì)道路工程的直線(xiàn)和圓曲線(xiàn)、特別是緩和曲線(xiàn)橫斷面里程確定的原理和算法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,用AutoLISP二次開(kāi)發(fā)了縱橫斷面數(shù)據(jù)采集程序。該程序充分利用了AutoLISP語(yǔ)言的交互式特點(diǎn),通過(guò)鼠標(biāo)左右鍵和回車(chē)鍵的切換進(jìn)行功能的靈活選擇,操作簡(jiǎn)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(yīng)。而文本文件的統(tǒng)計(jì)成果只需要簡(jiǎn)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(shù)據(jù)采集程序由于具有完善的(包含了緩和曲線(xiàn))功能、較高的精度和高效的工作效率,在實(shí)際道路工程中有著廣泛的用途和較高的經(jīng)濟(jì)效益。

作者：鄭峴 張曉章 蔣勝華 薛衛(wèi)星 單位：武漢市測(cè)繪研究院 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院