面向選線設(shè)計的AutoCAD大規(guī)模衛(wèi)航片自動加載技術(shù)

周 岳 王 銳 曾文勝

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510600）

0 引言

隨著勘測技術(shù)的發(fā)展，高精度衛(wèi)航片的獲取成本越來越低，開始廣泛應(yīng)用于鐵路選線設(shè)計[1-2]。將高精度衛(wèi)片、航片作為選線設(shè)計的底圖，可以形象、直觀、準(zhǔn)確地感知線路與周圍環(huán)境的空間關(guān)系，尤其是在居民區(qū)、既有路網(wǎng)、管線較多的復(fù)雜區(qū)域；同時還可以顯著提升線路方案的出圖、匯報、展示效果。

線路設(shè)計具有點多、線長、面廣的特點，研究范圍動輒萬平方公里級[3]。將沿線高精度衛(wèi)航片一次性全部加載到選線系統(tǒng)，目前的硬件條件難以滿足該要求。而且AutoCAD 本身對插入的參照圖片總大小有一定限制，只能加載少量的圖片。因此，現(xiàn)在的高清衛(wèi)片航片只能用于小范圍局部方案的調(diào)整；而且還需要不停地手動加載、卸載衛(wèi)航片，操作極為煩瑣。另外在大范圍選線時，設(shè)計人員需要感知宏觀層面的高山、河流、城鎮(zhèn)分布，高精度的衛(wèi)航片反而無法滿足要求。

為最大程度發(fā)揮高清衛(wèi)航片的作用，突破AutoCAD 平臺對參照圖片內(nèi)存的限制，該研究建立了多層次細(xì)節(jié)衛(wèi)航片模型，提出與視口相關(guān)的衛(wèi)航片調(diào)度方法，構(gòu)建自動加載、卸載模式，在選線過程中，能夠?qū)崟r、流暢、大規(guī)模地顯示衛(wèi)航片。

1 多層次細(xì)節(jié)衛(wèi)航片

選線設(shè)計過程中既需要反映宏觀特征的粗分辨率模型，也需要刻畫局部細(xì)節(jié)的高分辨率模型。單一細(xì)節(jié)層次的衛(wèi)航片顯然無法滿足需求，該研究借鑒Open Scene Graph中對地形的處理模式[3]，建立了多層次細(xì)節(jié)衛(wèi)航片模型。

假設(shè)大范圍高清衛(wèi)航片的大小為r0×c0像素的圖片M0，無法一次性加載到AutoCAD 中。而滿足在AutoCAD 中可快速加載和順暢交互的正方形圖片的像素為n×n。我們可將原始衛(wèi)航片M0分割為n×n一系列像素的小圖片陣列。該陣列的圖片數(shù)為R0行、C0列。

R0=[r0/n]

C0=[c0/n]

由于r0、c0極有可能無法被n整除，因此上述公式為商值向上取整，而對不能整除的像素則可用RGB（0，0，0）來填充。

該圖像陣列是由原始圖像無損分割而成，筆者稱其為第0 層圖像陣列，記為M0，其中的第i行，j列的圖像記為M0i,j。注意，該處的行、列號i,j從0 開始。該層圖像在選線設(shè)計需要最精細(xì)數(shù)據(jù)時加載到AutoCAD。在第0 層圖像陣列之上，該研究將采用圖像重采樣的方式，生成逐層粗糙的多細(xì)節(jié)層次圖像陣列,具體方法如下。

如圖1，從圖像陣列的左下角開始，至下而上，自左往右，逐行掃描，每2×2 個圖像合并成一個新圖像且新圖像像素數(shù)量n×n保持不變，即：第0 層的M00，0，M00，1，M01，0，M01，1合并為第1 層的M10，0；M10，0，M10，1，M11，0，M11，1，再合并成第2 層的M20，0；最終第2 層的4 個圖像合并成M30，0。需要注意的是，如果行、列數(shù)不是偶數(shù)，可以在最上面或者最右側(cè)增加一行或者一列RGB（0，0，0）的空白圖像。設(shè)第k層i行，j列的圖像Mk i，j，則第k+1 層，j列的圖像Mk+1i，j的函數(shù)如下。

圖1 多層次細(xì)節(jié)圖像

F為像素重采樣函數(shù)。該研究采用圖像處理中計算速度與圖像質(zhì)量較為均衡的雙線性插值法[4]來計算重采樣后的每個像素RGB值。

采樣上述方法不斷對圖像進(jìn)行重采樣，每次采樣圖片數(shù)量都只剩下1/4，每個圖片都增大到上一層的4 倍，經(jīng)過L層的重采樣，最終形成一張分辨率低的可以快速調(diào)入AutoCAD 的n×n像素圖像ML。此時，可以將所有的分層圖像采用如圖2 的四叉樹進(jìn)行存儲，每個節(jié)點內(nèi)存儲一個圖像，并記錄下該圖像的層級k，圖像陣列中的行號i，列號j。每個父節(jié)點的范圍剛好完全包括下屬4 個子節(jié)點且精細(xì)程度增加一倍，從而形成了一個多層次的細(xì)節(jié)模型。

圖2 多層次四叉樹結(jié)構(gòu)

2 衛(wèi)航片視相關(guān)調(diào)度方法

在AutoCAD 內(nèi)定線時，當(dāng)需要進(jìn)行宏觀線位規(guī)劃時，設(shè)計人員通常會將視口拉遠(yuǎn)，希望從衛(wèi)航片中看到高山、河流、城市邊界；而在進(jìn)行細(xì)部的曲線半徑、緩長調(diào)整時，通常會將視口拉近，希望看到細(xì)節(jié)的房屋、道路等。不同層次細(xì)節(jié)的模型前面已經(jīng)建立，為滿足上述需求，還需要建立一套視相關(guān)調(diào)度方法。

在實時瀏覽和縮放AutoCAD 繪圖窗口過程中，筆者可以通過ObjectARX 開發(fā)包獲取AutoCAD 繪圖窗口的大地坐標(biāo)及在屏幕上的像素坐標(biāo)。設(shè)左下角PLB點的大地坐標(biāo)、屏幕像素坐標(biāo)分別為（xLB，yLB），（HLB，HLB）；右上角點PRU的大地坐標(biāo)、屏幕像素坐標(biāo)分別為（xRU，yRU），（HRU，HRU）。則屏幕上1 個像素代表的AutoCAD 中圖形的實際長度如下。

dpp=（xRU-xLB）/（HRU-HLB）

如果要完全無損地在AutoCAD 中展現(xiàn)衛(wèi)航圖像，dpp應(yīng)大于當(dāng)前加載的衛(wèi)航片的圖像的精度。設(shè)衛(wèi)航片的原始測繪精度為d0，第k級時衛(wèi)航片精度為d0×2k，應(yīng)滿足以下條件。

d0×2k

考慮到實際選線設(shè)計過程中，設(shè)計人員并不會分辨平面上每個像素點，往往2×2 個甚至4×4 個像素點范圍內(nèi)有1 個衛(wèi)航片像素點即可滿足要求。因此可在上述公式的dpp前乘以1 個容許模糊系數(shù)f。

3 衛(wèi)航片自適應(yīng)動態(tài)加卸載

通過上述的視相關(guān)調(diào)度方法，可以計算出與用戶AutoCAD 視口相關(guān)的且最少數(shù)量的圖像文件。在真正的定線過程中，還需要一套自適應(yīng)動態(tài)調(diào)度機制來管理這些圖像文件的加載、卸載，使AutoCAD 的圖像占用內(nèi)存始終處于一個合理的范圍，從而保證在各類交互式定線過程中能夠流暢地顯示與刷新圖像。

該研究在動態(tài)加載機制中記錄了上次已載入AutoCAD的所有圖像集合UPre，圖像的層級k，該視口變化需要增加和刪除的圖像集合UAdd，UDel，AutoCAD 最大容許加載圖像數(shù)量Nmax，并對AutoCAD 的視口進(jìn)行實時監(jiān)控，只要視口發(fā)生變化就將進(jìn)入以下流程：1）如果視口只進(jìn)行了平移，表明無須更改圖像層級，此時可根據(jù)平移量與第kk層圖像大小之間的關(guān)系，只遍歷UM附近的圖像，計算與新視口是否存在交集，可快速確定需要增加的圖像集合UAdd和可刪除的圖像集合UDel，轉(zhuǎn)步驟3）；2）如果視口發(fā)生縮放，此時需根據(jù)視相關(guān)調(diào)度算法計算新的圖像層級k以及需要增加的圖像集合UAdd和可刪除的圖像集合UDel；轉(zhuǎn)步驟3）；3）考慮到圖像的加載和刪除需要申請和釋放資源，速度較慢，因此優(yōu)先使用更新圖像的方法，分以下幾種情況處理。①當(dāng)UPre+UAdd的圖像數(shù)量，Nmax表明載入UAdd后超過可用資源上限，此時再判斷UPre+UAdd-UDel是否超過Nmax，如果不超過，則先用UAdd中的圖像替換掉UDel，如果UDel

通過上述自適應(yīng)動態(tài)加載機制，可以用較小的代價將實時定線過程中最關(guān)心的衛(wèi)航片加載到AutoCAD。

4 程序開發(fā)與應(yīng)用

基于上述的原理與方法，該研究采用Visual Studio 2012、ObjectARXARX2016 開發(fā)了運行于AutoCAD2016 的大規(guī)模衛(wèi)航片自適應(yīng)動態(tài)加載程序，可對高精度衛(wèi)航片進(jìn)行自動分割、重采樣，建立多層次細(xì)節(jié)的圖像模型；在定線過程中，可以根據(jù)用戶的視角、視口自動加載定線關(guān)系的衛(wèi)航片資源（如圖3），幫助設(shè)計人員形象直觀地判定線路與周圍環(huán)境的關(guān)系，提高選線設(shè)計效率。

圖3 自適應(yīng)動態(tài)加載的選線衛(wèi)航片

5 結(jié)語

將高精度衛(wèi)片、航片作為選線設(shè)計的底圖，可以形象、直觀、準(zhǔn)確地感知線路與周圍環(huán)境的空間關(guān)系，顯著提升線路方案的出圖、匯報、展示效果。但選線設(shè)計常用的AutoCAD平臺無法直接加載大規(guī)模的衛(wèi)航片資源。為破解該難題，該文建立多層次細(xì)節(jié)衛(wèi)航片模型，提出視相關(guān)的圖像調(diào)度方法，構(gòu)建自適應(yīng)動態(tài)加卸載模式，編制了AutoCAD 衛(wèi)航片自動加載插件，在選線過程中，可以大規(guī)模、實時、流暢地顯示衛(wèi)航片，輔助提升了選線設(shè)計的效率與質(zhì)量。該技術(shù)不僅可用于鐵路選線設(shè)計，也適用于在AutoCAD 平臺上開展的公路、電力、管道等設(shè)計，具有廣闊的應(yīng)用前景。