郑岘,张晓章,蒋胜华,薛卫星,2

(1．武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022; 2．武汉大学测绘学院,湖北武汉 430079)

道路纵横断面数据采集程序化研究

郑岘1∗,张晓章1,蒋胜华1,薛卫星1,2

(1．武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022; 2．武汉大学测绘学院,湖北武汉 430079)

在城市道路工程实践和理论推导的基础上总结出纵横断面数据采集的自动生成方法,然后利用AutoLISP语言进行二次开发,实现了道路纵断面数据自动采集、横断面数据半自动采集等功能的程序化。道路纵横断面数据采集程序在保证质量和精度的前提下,提高了工作效率,适应了现代城市经济建设健康快速发展的要求。

AutoLISP;纵横断面;数据采集;工作效率;程序设计

1　引 言

城市的快速发展变迁,伴随着许多道路的建设和改造。在道路工程设计规划的审批流程中,一般需要测量道路纵断面图和道路横断面图。道路纵断面图是沿道路中心线纵向垂直剖切的一个立面,它表达了道路沿线起伏变化的状况[1]。道路横断面图是垂直于道路中心线方向的断面,它主要是用来计算平整路面所需的土方量[2]。在纵横断面的成图过程中有大量的坐标、里程采集工作,而传统的工作方法需要的测量人员多、断面测量采点数量大、工作周期长、人工记录输入容易出错等[3]。2002年,吴浩等人[4]提出采用整体积分模型建立轨道交通中线测设的统一数学模型,并用该模型设计了软件应用于武汉市轨道交用一号线的中线测设。因此,本文在学习整体积分模型的基础上利用AutoLISP进行二次开发,实现了道路纵断面数据自动采集、横断面数据半自动采集等功能,提高了绘制断面成图工作的效率。

2　道路纵横断面数据采集程序的设计与实现

2．1AutoLISP简介及其特点

AutoLISP语言是嵌入在AutoCAD内部的具有独特的语言结构及执行方式的一种人工智能绘图语言[5]。首先,AutoLISP语言既继承了LISP语言擅长处理各种结构的数据表的特点,又扩充了许多适用于CAD应用的特殊功能而形成的一种以解释方式运行于AutoCAD内部的程序设计语言[6]。其次,AutoLISP语言中的一切成分都是以函数[7]的形式给出的,没有语句、过程等这类程序概念,方便易懂。最后,AutoLISP擅长描述人机交互操作的过程,对于各种用户输入的接收、错误识别与恢复等方面的优秀功能[8]。

2．2道路纵横断面数据采集程序的设计与实现

本程序利用AutoLISP二次开发,通过AutoCAD平台上的一系列交互式操作,逐点捕捉纵横断面线上的高程点,实现道路纵断面数据自动采集、横断面数据半自动采集等功能,充分满足设计施工的需求。道路纵横断面数据采集程序中最基础的工作是指定点(中桩、地物地类特征点)坐标和高程的提取;有了点位的坐标后,就可以用不同的算法计算距离和角度等;最后,根据实际道路工程需要,将道路里程统计信息成果保存到指定位置。

一般而言,道路的形状包括直线、缓和曲线和圆曲线三部分[9]。图1中给出了道路纵断面数据采集程序直线段的具体实现思路,图1中第一行为需要输入的数据。

图1　直线段道路纵断面数据采集程序算法流程图

圆曲线部分和直线部分不同的地方在于道路里程的计算方法。同样,我们需要首先拾取或输入已知数据:圆曲线的起点(X0,Y0)、终点(X2,Y2)和设计半径R。然后,根据式(1)计算圆曲线的弧长L,即为圆曲线部分的里程长度。

然后,根据整数道路里程所需的圆曲线弧长l按式(2)反算出其对应的圆心角θ,再根据圆心角θ和设计半径R确定圆曲线部分的按中桩间距累加的整数道路里程点的坐标,即为横断面位置。横断面的方向为该点的法线方向。

而圆曲线部分的纵横断面数据采集除了整数道路里程的数据采集外,还包括圆曲线的起点、曲中点和终点的数据采集。

缓和曲线部分是本程序设计的难点。缓和曲线[10]是直线与圆曲线、圆曲线与圆曲线之间设置的曲率连续变化的曲线,主要包括回旋曲线型、三次抛物线型、双扭线型和多心复曲线型。其中,回旋曲线是一种曲率随曲线长度成比例变化的曲线,不仅可以使线性更加安全美观,而且与驾驶员匀速转动方向盘由圆曲线驶入直线或由直线驶入圆曲线的轨迹线相符合,是我国《标准》明确规定的缓和曲线线性[11],也是最友好型的缓和曲线。因此,我们程序中的缓和曲线采用回旋曲线型。根据廖日辉等人[12,13]的推算结果,当缓和曲线左转(相对于道路前进方向)时,坐标转换公式如式(3)所示。

其中,α是与缓和曲线连接的直线段的方位角, (XZH,YZH)为直缓点的坐标,(X,Y)为缓和曲线上的点转换后的测量坐标,(x,y)由式(5)计算。

当缓和曲线右转时,坐标转换公式如式(4)所示。

将整数道路里程所需的缓和曲线弧长l和直线段的方位角α(需要说明的是:在程序中计算时为避免取位误差的累积,我们并没有计算出α的具体数值,而是直接用直线起点和直缓点的坐标计算cosα和sinα)代入对应的公式就可算得其测量坐标,即得到其对应里程的横断面位置。而横断面的方向则为回旋曲线上该点的切线角β的垂线方向。

最后,如果缓和曲线位于两个圆曲线之间,则首先在半径较大的圆曲线处作回旋曲线的延长线,推算出延长所得的“虚拟直缓点”的坐标,计算里程所需缓和曲线弧长时减掉延长线的长度,再按照上述公式计算缓和曲线上点的坐标及其对应的横断面的方向。

3　道路纵横断面数据采集程序的应用

在道路工程的勘测生产服务中,往往需要测量道路的纵横断面图供规划设计使用;在道路工程竣工后,又需要测定道路的竣工纵横断面图供规划设计部门验收对比。使用道路纵横断面数据采集程序时,在“工具”中加载AutoLISP程序即可。其具体功能应用介绍如下。

3．1道路纵断面数据采集程序

运行“zdm”命令,按程序提示依次输入成果文件名、绘图比例尺、道路中线编号、起始里程、中桩间距、左断面宽度、右断面宽度(不输入默认同左)。接着,进入三个选择项:捕捉线段起点和端点,or拾取圆曲线(右键),or拾取缓和曲线(回车)。本程序可以实现直线-缓和曲线-圆曲线、圆曲线-缓和曲线-圆曲线、直线-圆曲线-直线等在道路工程中所有可能用到的衔接的顺利进行,道路中线初步绘制横断面线如图2所示。

图2　某工程道路中线的初步绘制横断面线的整体(左)与细部(右)

道路中线绘制横断面线结束时,相应的∗．txt坐标成果文件也就保存在了指定的路径下。若在以后的工作中继续增加数据采集,输入相同的成果文件名,增加的数据信息就会自动追加到该文件中,并以“中桩里程xyz”文字标示分行隔开。这样就方便了成果的更新和完善。

本文的道路纵断面数据采集程序不仅实现了在CAD中分割缓和曲线的功能,而且充分利用了AutoLISP交互式的特点,巧妙的通过鼠标左右键和回车键的切换进行功能的灵活选择,操作简单迅速,几乎不需要手工输入命令,具有很高的工作效率。

3．2道路横断面数据采集程序

运行“hdm”命令。首先选择道路中桩线的起点和道路的前进方向,然后按道路前进方向逐条拾取横断面的数据或在中桩地物地类特征点处添加横断面后拾取其数据。横断面的数据采集按从左到右的方向进行,需要拾取该横断面上所有地物地类特征点的位置坐标和高程(高程文件平差拟合后)。

横断面数据采集过程中可能遇到的地物地类特征点主要有:陡坎(坎上、坎下),斜坡(坡顶、坡底),公路(路边、路中、路边),池塘(塘上、塘底、塘底、塘上),沟渠(沟顶、沟中、沟顶),河堤(河上、河下、河上、堤下、堤上、堤上、堤下)等。在这些特征点的数据采集过程中,有些特征点的点位或高程的拾取可以利用巧妙的键盘鼠标操作代替,从而提高数据采集的工作效率。下面我们将具体介绍本文程序道路横断面数据采集的方法与技巧。

①一点法,以陡坎为例。由于陡坎的坎上和坎下的平面位置是相同的,如图3(a)所示,我们在拾取坎上的点(平面位置和高程)后,无需再次拾取坎下位置,直接“回车”后输入坎下的高程即可。

②直角法,以池塘为例。如图3(b)所示,首先拾取左边塘上(点1)的平面位置和高程,无需拾取第一个塘底位置(点2),然后点击鼠标右键,选取“坎下/塘底/堤下”,拾取第二个塘底的平面位置(点3)和高程,“回车”,直接输入右边塘上(点4)的高程(如果点4和点1的高程相同,可以再次“回车”),即可得到该点的平面位置和高程数据。

③梯田法,以河堤为例。如图3(c)所示,假设点1、4、5高程相同,点2、3高程相同,点6、7高程相同。按和②中相同的步骤采集点1、2、3的平面位置和高程数据后,“回车”后再“回车”,选取“坎下/塘底/堤下”,拾取点5的平面位置和高程,“回车”后再“回车”,选取“坎下/塘底/堤下”,拾取点7的平面位置和高程,“回车”,直接输入点8的高程,得到点8的平面位置和高程数据。

图3　道路横断面中点典型地物地类特征点示意图

道路横断面数据采集结束时,相应的∗．txt成果文件也就保存在了指定的路径下,成果文件的具体格式如图4所示。若在以后的工作中继续增加数据采集,输入相同的成果文件名,增加的数据信息同样会自动追加到该文件中,并以“横断面xyz”文字标示分行隔开,方便了成果的更新和完善。本文的道路横断面数据采集程序同样充分利用了AutoLISP交互式的特点,巧妙的通过鼠标左右键和回车键的切换进行功能的灵活选择,提高了数据采集的工作效率。

图4　纵横断面数据采集成果文件图

本程序纵横断面采集的数据生成的成果文件格式都是文本格式,统计成果经过简单的处理即可转化成不同设计院所需格式并绘制出道路纵断面图和横断面图。

4　结 语

道路设计直接关系到工程建设投资、规模、施工难易、行车安全、运行成本管理等多方面的内容。测量单位为设计院提供准确的纵横断面数据是确保道路设计科学、经济、合理的前提,对区域经济发展具有重大意义。本文在对道路工程的直线和圆曲线、特别是缓和曲线横断面里程确定的原理和算法进行深入分析的基础上,用AutoLISP二次开发了纵横断面数据采集程序。该程序充分利用了AutoLISP语言的交互式特点,通过鼠标左右键和回车键的切换进行功能的灵活选择,操作简单迅速,几乎不需要手工输入命令,具有显著的效率提高效应。而文本文件的统计成果只需要简单的处理即可绘制成道路纵断面图和横断面图。纵横断面数据采集程序由于具有完善的(包含了缓和曲线)功能、较高的精度和高效的工作效率,在实际道路工程中有着广泛的用途和较高的经济效益。

[1] 刘宗平,杨宏．利用AutoCAD快速设计道路纵断面[J]．重庆交通大学学报·自然科学版,2007(S1):99～101, 109．

[2] 潘春梅．城市道路横断面优化设计理论与方法研究[D]．西安:长安大学,2012．

[3] 邹进贵,田径,刘卫平．基于AutoCAD二次开发的道路纵断面自动绘制[J]．测绘通报,2013(S1):219～221．

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[10] 贺挨宽．缓和曲线线型及长度标准的研究[J]．铁道标准设计,2007(1):1～3,6．

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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

郑岘(1970—),男,高级工程师,主要从事的工作:城市勘测技术管理。

薛卫星(1990—),男,硕士研究生,研究方向:精密工程测量与数据处理理论。

国家自然基金(41174010);长江科学院开放研究基金资助项目(CKWV2014217/KY)