基于CAD 的地形圖自動(dòng)質(zhì)量檢測軟件研發(fā)

胡 玥

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

目前，主流的鐵路航測地形圖繪編系統(tǒng)多為基于AutoCAD 基礎(chǔ)平臺(tái)自主研發(fā)，其制圖成果的檢驗(yàn)主要依靠人工判別、手工檢查的方式，在檢查方式、檢查內(nèi)容、檢查效率等方面存在諸多弊端，極大地影響了航測制圖效率[1-2]。

已有許多學(xué)者對(duì)測繪生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)行了相關(guān)研究:如楊元喜等研究了地圖數(shù)字化的精度評(píng)定與控制[3-4];王嬌等利用C#語言開發(fā)了基于多文件批量檢查的鐵路航測地形圖質(zhì)檢軟件[5];蔡建德等基于VBA語言，進(jìn)行了數(shù)字地形圖精度自動(dòng)檢查統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)[6];何丹丹等利用清華山維軟件，進(jìn)行了地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究[7-8]。 以下在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路航測生產(chǎn)實(shí)際需求，基于現(xiàn)有的Mapedit 平臺(tái)，對(duì)地形圖制圖質(zhì)量控制的主要內(nèi)容、原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析，梳理出能采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行判別及程序自動(dòng)檢查的質(zhì)檢內(nèi)容，開發(fā)符合應(yīng)用實(shí)際、集成多種地形圖自動(dòng)質(zhì)量檢測功能的軟件。

1 地形圖主要質(zhì)檢內(nèi)容

1.1 地形圖質(zhì)量檢查依據(jù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，數(shù)字地形圖的質(zhì)量檢查主要參照依據(jù)以下的規(guī)范和規(guī)定[9-11]:

①《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖圖式》GB/T 20257.1—2007。

②《 測 繪 成 果 質(zhì) 量 檢 查 與 驗(yàn) 收》 GB/T 24356—2009。

③《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》 GB/T 18316—2008。

1.2 地形圖質(zhì)量檢查的內(nèi)容

航測地形圖質(zhì)量檢查主要涉及三個(gè)方面:①結(jié)合外業(yè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)地形圖高程精度;②地形圖邏輯問題檢查，包括點(diǎn)線矛盾、等高線注記不符等;③地形圖圖面表征質(zhì)量問題檢查，包括地物壓蓋、地物與等高線相交、注記屬性不符等。 地形圖的質(zhì)量控制主要包括制圖員自查、技術(shù)室審圖員查圖兩個(gè)環(huán)節(jié)。 搜集部分項(xiàng)目的地形圖圖面審圖結(jié)果，對(duì)日常生產(chǎn)中較為常見的地形圖質(zhì)量問題類別和錯(cuò)誤頻率進(jìn)行了分類、歸納、總結(jié)和分析(見表1)。

表1 常見地形圖質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì) 個(gè)

由表1 可知，人工檢查、目視解譯生產(chǎn)實(shí)踐過程中主要存在以下問題:

(1)地形圖制圖容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤類型與地形密切相關(guān)。 山區(qū)地形圖的點(diǎn)線矛盾較難控制;平地地形圖的植被壓蓋問題不可避免;而丘陵地區(qū)因?yàn)橹脖活愋捅容^瑣碎，需要大量人工干預(yù)。 另一方面，人工判識(shí)僅依靠作業(yè)員的眼力和經(jīng)驗(yàn)，在工期緊張、數(shù)據(jù)量大的情況下，審圖員也很難做到客觀全面，存在一定的誤判及漏判現(xiàn)象，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率的提高。

(2)隨著對(duì)設(shè)計(jì)、施工管理的細(xì)化量化，對(duì)土石方量計(jì)算提出了更嚴(yán)格的要求[12]。

而目前采取的地形圖精度統(tǒng)計(jì)方法，需要人工判識(shí)、逐點(diǎn)內(nèi)插來獲取檢測點(diǎn)的高程并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 外業(yè)檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)量大時(shí)，人工計(jì)算的工作量大，耗時(shí)較長，且精度難以保證，嚴(yán)重影響工期和質(zhì)量。 例如一幅面積約2 km2的地形圖，包含外業(yè)散點(diǎn)個(gè)數(shù)為282，檢查統(tǒng)計(jì)時(shí)間為6～8 h。

2 質(zhì)檢軟件需求分析

基于以上分析，總結(jié)出能夠通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的功能(見表2)。

表2 擬實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)檢測功能

模塊功能需求如表3。

表3 具體模塊功能需求

3 軟件研發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)工具與語言

從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，充分融合現(xiàn)有軟件及工具，在AutoCAD 平臺(tái)下，應(yīng)用ObjectARX 和. NET 開發(fā)技術(shù)[13]，實(shí)行按需、分步的研究開發(fā)策略，完成了AutoCAD 作業(yè)平臺(tái)與既有MAPEDIT 軟件及工具的無縫對(duì)接，方便制圖人員和質(zhì)檢人員的使用[14]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)思路與方案比選

以下對(duì)兩種主流的檢測方法(讀取三角網(wǎng)文件內(nèi)插高程方法;等高線節(jié)點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng)方法)進(jìn)行對(duì)比[12]。考慮到五個(gè)檢查項(xiàng)功能模塊的易用性，最終選擇了等高線節(jié)點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng)方法。 該方法使用簡便，運(yùn)行速度較快，可較為真實(shí)地反映地形走勢。

由于程序僅根據(jù)三角網(wǎng)內(nèi)插高程進(jìn)行高差計(jì)算，無法顧及陡坎、陡壁等高差較大的實(shí)際地形。 此時(shí)，可將程序首次運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的較大粗差點(diǎn)進(jìn)行人工判斷剔除，從而得到較為準(zhǔn)確的地形圖精度評(píng)價(jià)。 完整的算法流程如圖1 所示。

圖1 高程精度統(tǒng)計(jì)算法流程

(2)點(diǎn)線矛盾檢測

等高線和高程點(diǎn)是地形圖數(shù)據(jù)的重要組成部分，針對(duì)點(diǎn)線矛盾產(chǎn)生的原因和表現(xiàn)形式，結(jié)合等高線的特性，總結(jié)了三種可應(yīng)用于地形圖點(diǎn)線矛盾自動(dòng)檢測的方法[13]:等高線節(jié)點(diǎn)構(gòu)TIN 方法、高程點(diǎn)構(gòu)TIN 方法、放射檢查法。

以上三種方法從理論和實(shí)際上都是可行的，根據(jù)實(shí)際情況，以效率優(yōu)先為目標(biāo)進(jìn)行比選，選擇了放射檢查法。 該方法使用簡便，運(yùn)行速度較快，特別對(duì)于地形坡度較大、等高線密集的山區(qū)等地形效果較好。

4 工程實(shí)踐及成果分析

(1) 地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)

檢查點(diǎn)的來源為外業(yè)實(shí)測點(diǎn)(從現(xiàn)勢性較好的1 ∶10 000 圖中提取的地面點(diǎn)，相關(guān)專業(yè)提供的實(shí)測橫、縱斷面點(diǎn)等)。 以某線路的縱斷面檢查為例:面積約2 km2的地形圖，其外業(yè)散點(diǎn)個(gè)數(shù)為282，程序運(yùn)行時(shí)間小于2 s，結(jié)果輸出為文本格式，并對(duì)誤差超過0.7 m 的點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)識(shí)(見圖2)。

將其精度評(píng)定結(jié)果與點(diǎn)云軟件Microstation 獲取的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明:兩者差值較小，效果穩(wěn)定可靠。 與人工目視解譯相比，能夠提高工作效率50 倍以上，效率提升顯著。

(2)點(diǎn)線矛盾檢查

點(diǎn)線矛盾檢查包括高程點(diǎn)檢查與注記一致性檢查，以及高程注記點(diǎn)與等高線之間的檢查(見圖3)。

圖2 自動(dòng)高程精度統(tǒng)計(jì)功能

圖3 自動(dòng)點(diǎn)線矛盾檢測功能

通過人為設(shè)置錯(cuò)誤，經(jīng)過目視檢查和自動(dòng)檢測，將軟件檢測與人工判識(shí)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表4。

表4 點(diǎn)線矛盾檢測結(jié)果

點(diǎn)線矛盾檢查的原則是“將疑似錯(cuò)誤提交人工檢查”，所以存在一定的錯(cuò)檢率。 如檢測點(diǎn)位于鞍部或者地勢突變地區(qū)，還需要人機(jī)互動(dòng)來進(jìn)行判定。 在平地和丘陵區(qū)域，由于等高線較為稀疏，點(diǎn)線矛盾錯(cuò)檢率較山區(qū)上升明顯。 因此，等高線數(shù)量較少的平坦地區(qū)不宜使用點(diǎn)線矛盾自動(dòng)檢測功能。

(3)地形圖圖面質(zhì)量自動(dòng)檢查

利用開發(fā)的自動(dòng)質(zhì)量檢測軟件對(duì)地形圖進(jìn)行檢測，其檢測時(shí)間均小于10 s(見圖4)。 并將結(jié)果與人工審查圖結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)(見表5)。

圖4 自動(dòng)圖面質(zhì)量檢測功能

表5 自動(dòng)圖面檢測功能結(jié)果統(tǒng)計(jì) 個(gè)

由表5 可知，程序檢出率、效率和正確率均較高;使用程序自動(dòng)檢測，可以將一些因放大倍數(shù)不夠而被人工忽略的錯(cuò)誤輕松剔除，極大地提高了檢測質(zhì)量。

5 結(jié)束語

基于CAD 的地形圖自動(dòng)質(zhì)量檢測軟件，借助程序計(jì)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工判讀、手工計(jì)算，可以優(yōu)化目前地形圖制作中一些效率低、質(zhì)量控制薄弱的環(huán)節(jié)，減少地形圖中的差、漏、錯(cuò)、碰現(xiàn)象，有效地提高了航測制圖效率及制圖質(zhì)量。

數(shù)字地形圖質(zhì)量檢查部分算法的執(zhí)行速度還可以進(jìn)一步提高。 對(duì)于過于復(fù)雜的地形、地貌，質(zhì)量檢測效果還有一定的改進(jìn)空間，擬在后續(xù)研究中進(jìn)行攻關(guān)與改進(jìn)。