基于Python的縱橫斷面自動提取軟件

中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000

1 縱橫斷面概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)效率不斷提高。利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)不斷優(yōu)化工程實踐是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，也是促進(jìn)社會發(fā)展、創(chuàng)造美好生活的必由之路。

縱橫斷面測量的目的是確定工程所在地的地面情況，主要包括地表的形狀和變化等，可為道路的建設(shè)或修整提供有效信息。在進(jìn)行縱橫斷面測量的過程中，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相對煩瑣，人為計算不僅耗時而且錯誤率較高。考慮到縱橫斷面工程測量工作數(shù)據(jù)數(shù)量大，而且數(shù)據(jù)具有規(guī)律性的特點，為提高生產(chǎn)效率，文章設(shè)計開發(fā)了HAV縱橫斷面自動化提取軟件，實現(xiàn)了外業(yè)測量數(shù)據(jù)的自動檢查和提取。

2 斷面自動提取軟件開發(fā)

斷面自動提取軟件基于Windows平臺，利用Python編程語言編譯，具體版本為Python3.5，可直接在Windows系統(tǒng)計算機運行。

2.1 軟件主要功能

該軟件主要用于縱橫斷面的自動計算與提取。該軟件能夠自動讀取GNSS、全站儀、三維激光點云所測得的高程點數(shù)據(jù)，完成縱橫斷面數(shù)據(jù)的計算、檢查，并根據(jù)設(shè)置的長度和寬度閾值自動提取所測地形的縱橫斷面數(shù)據(jù)。

該軟件適應(yīng)于不同的地形和不同形狀的設(shè)計中樁線，得出的數(shù)據(jù)成果可自行選擇保存為其他軟件能夠讀取使用的格式，例如公路設(shè)計軟件緯地能夠識別的格式和CASS軟件能夠讀取的通用斷面數(shù)據(jù)格式。

該軟件實地應(yīng)用于縱橫斷面的測量工作中，既能夠擺脫人工數(shù)據(jù)計算的重復(fù)操作性，節(jié)省時間，又能夠有效避免人為錯誤，提高工作效率。

2.2 軟件技術(shù)特點

在道路勘測過程中，直觀顯示道路的縱橫斷面信息并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)是非常有必要的。對于道路縱橫斷面測量工作，很多單位都相應(yīng)地改進(jìn)過生產(chǎn)方式，開發(fā)了一些用于縱橫斷面提取的軟件，但多數(shù)只是為了內(nèi)部使用，所開發(fā)的計算軟件僅針對具體工程或單位涉及的某類業(yè)務(wù)，通用性并不好，且軟件的自動化程度較低，仍然需要大量人為操作。該軟件對縱橫斷面數(shù)據(jù)能夠批量讀取、計算，按有效信息排列展示，實現(xiàn)縱橫段數(shù)據(jù)的自動提取，并生成其他軟件能夠使用的成果文件。該軟件具有如下技術(shù)特點：

（1）真實性。利用測繪設(shè)備（全站儀、GNSS等）采集的數(shù)據(jù)可直接復(fù)制到計算機上進(jìn)行處理，只需確定提取閾值，其他計算均由計算機完成，無須人為干預(yù)，確保了數(shù)據(jù)成果的真實可靠。

（2）靈活性。觀測數(shù)據(jù)對方向和次序的要求不高，數(shù)據(jù)處理時僅需要記錄測站的點號或點名便可；采用測站虛擬模式，采集的數(shù)據(jù)可以是同一個樁上的多個測站以不同采點方式觀測的結(jié)果；可以從任意里程進(jìn)行斷面繪制。任意里程的斷面樁和斷面點都能夠作為起點，軟件可遵循“左負(fù)右正”的原則重新計算起點距。

（3）直觀性。斷面繪制以測站為單位逐一處理，且運算進(jìn)度可視，可及時提醒錯誤。

（4）易推廣性。軟件設(shè)計從操作的簡潔性和實用性出發(fā)，各項功能均能夠便捷完成，非該專業(yè)人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)也能夠?qū)W會并迅速進(jìn)行實際生產(chǎn)。

（5）兼容性。軟件兼容性較強，可自主設(shè)置提取的閾值，不受設(shè)計線路形狀及復(fù)雜性的影響，且效率高，可迅速提取大量數(shù)據(jù)，可滿足CASS軟件、緯地軟件格式標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 軟件開發(fā)流程

縱橫斷面測量工作測得的原始數(shù)據(jù)主要為測量區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，外業(yè)測量工作一般會在觀測區(qū)域內(nèi)采集大量高程點，然后對采集的數(shù)據(jù)按樁號進(jìn)行歸納整理，整理成各軟件能夠識別的格式并可視化，按照每個樁號形成直觀的截面數(shù)據(jù)。

該軟件選擇Python編程語言，在Windows系統(tǒng)下編譯完成。開發(fā)流程主要包括文件的讀取、數(shù)據(jù)的計算、數(shù)據(jù)的篩選以及成果的規(guī)范化輸出這四個部分。文件的讀取主要包括對設(shè)計中樁線數(shù)據(jù)的讀取和對外業(yè)測得的原始數(shù)據(jù)的讀取，該過程需要完成數(shù)據(jù)的歸納整理，最終的成果需要按照設(shè)計要求也就是中樁線的位置和里程規(guī)范化輸出，因此需要對設(shè)計中樁數(shù)據(jù)和采集的原始高程數(shù)據(jù)規(guī)范化輸入。然后是關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算，根據(jù)成果數(shù)據(jù)的需要，所需高程點屬性信息需包含偏距和里程，以方便對斷面進(jìn)行直觀顯示。接著是對高程點的篩選，根據(jù)各里程下斷面的需要，對質(zhì)量高的高程點進(jìn)行篩選排序。最后是數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)不同軟件的要求，對生成的數(shù)據(jù)規(guī)范輸出，以符合應(yīng)用要求。該軟件還可以根據(jù)不同軟件的需要進(jìn)行成果數(shù)據(jù)格式的調(diào)整，輸出不同格式要求的成果，從而滿足工程需要。軟件的主要開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 軟件算法流程圖

2.4 關(guān)鍵算法設(shè)計

線路的形狀不僅是直線，往往會出現(xiàn)各種尺度的緩和曲線，直線部分?jǐn)嗝嫣崛∠鄬唵?，文章針對線路為緩和曲線部分的復(fù)雜性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使程序能夠準(zhǔn)確、高效地獲得縱橫斷面數(shù)據(jù)。

由于車速較快，道路轉(zhuǎn)彎處往往要設(shè)計得比較緩直，直線與直線交接的位置和直線與圓曲線交接的位置會有緩和曲線作為補充。但是緩和曲線切線、法線的計算具有較高的復(fù)雜性，為解決縱橫斷面繪制中緩和曲線計算復(fù)雜的問題，文章提出了一種近似計算方式，具有良好的操作性，既能提高精度，又能夠快速直觀地獲得緩和曲線上點的橫斷面。根據(jù)里程文件獲得需要繪制橫斷面的中樁點坐標(biāo)，若該點在緩和曲線上，則將該里程分別前進(jìn)和后退0.001m，并利用緩和曲線坐標(biāo)計算公式獲得兩點坐標(biāo)，分別稱為前位點和后位點；連接前位點和后位點，計算其中垂線，該方向即為橫斷面方向；通過查找該方向附近高程點并進(jìn)行線性內(nèi)插，便可獲得橫斷線上高程點的坐標(biāo)，最后利用坐標(biāo)展繪繪制出橫斷面。

3 工程概況

以新建赤峰至喀左客專CFSG-4標(biāo)項目為例，項目涉及路基的填挖土方量，過程中需要測量地面線標(biāo)高，用來檢驗工程設(shè)計中的工作量是否與實際相符。道路縱橫斷面數(shù)據(jù)為該工程的必要參考數(shù)據(jù)。此次工程原始數(shù)據(jù)是在現(xiàn)場按鐵路中樁線于道路兩側(cè)采集高程數(shù)據(jù)，整個采集區(qū)域位于道路及道路兩側(cè)，呈條帶狀。

測量工作隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，特別是GNSS技術(shù)的不斷成熟與運用，使傳統(tǒng)的測量手段在一些領(lǐng)域被逐漸取代，外業(yè)測繪工作的勞動強度大幅度降低。此次工程外業(yè)測量工作使用GNSS完成，在鐵路范圍內(nèi)利用GPS-RTK的方法共采集高程點28542個，作為工作的原始數(shù)據(jù)，然后利用編寫的軟件進(jìn)行實際生產(chǎn)實驗。

4 軟件應(yīng)用

軟件界面簡潔明了，主要功能展示在主界面，軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件主界面圖

軟件界面分為三個部分：一是軟件讀取窗口，位于界面頂部，包括對縱斷文件的讀取和橫斷文件的讀取；二是參數(shù)設(shè)置窗口，包含用戶想要提取的縱橫斷面數(shù)據(jù)的搜索閾值，中間部分為功能按鍵，包含“提取斷面數(shù)據(jù)”“清空日志”“保存緯地文件”和“保存CASS文件”四個按鍵；三是軟件運行窗口，位于界面底部，可實時顯示提取過程。

根據(jù)實際需要，此次工程設(shè)置寬度閾值為2m，長度閾值為100m，軟件自動提取的道路橫斷面數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)成果展示圖

數(shù)據(jù)成果格式：第一行是點名和該點高程，點名即里程，下方為該里程下各點的偏距和高差，2個數(shù)為1組，前者為該點偏距，后者為該點與中樁點的高差。導(dǎo)入CASS中可生成不同里程的斷面圖，400m里程斷面圖如圖4所示。

圖4 道路橫斷面圖（單位：m）

5 數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過外業(yè)GPS采集路面高程點，該軟件直接處理獲得了原始數(shù)據(jù)，并分別輸出了兩種格式的成果文件，一種是緯地軟件可以直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)，一種是CAD軟件可以打開的數(shù)據(jù)，生成了直觀的斷面圖。成果數(shù)據(jù)包含一組沿中樁線測得的斷面數(shù)據(jù)和按里程提取的879個橫斷面數(shù)據(jù)。

此次工程測量縱橫斷面的主要目的是核驗填挖土方量，確定具體工作量，為后期實際工作安排提供數(shù)據(jù)參考。土方量主要結(jié)合實測值與所給設(shè)計值的差值確定。將所得實測斷面圖與設(shè)計斷面疊加，繪制出新的斷面圖，可直觀看出所需挪動的土方，實地高于設(shè)計高程的位置需要挖除，低于設(shè)計高程的位置則需要填充。利用其高程差值可計算得到需要挪動土方的橫截面積，相鄰兩個斷面間需要填充或挖除的土方可近似看作棱臺或圓臺，已知頂面和底面的面積便可利用體積公式計算斷面間需要填挖的土方。以K72+500～K72+600為例，制作設(shè)計值與實際值疊加后的斷面圖，根據(jù)圖上差值計算該路段的填挖土方量，如表1所示。

表1 填挖土方量統(tǒng)計表

對總體數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與評估可知，該路段統(tǒng)計所得共需填方14630.063m3，與所給設(shè)計值相符，說明數(shù)據(jù)可靠。利用該方法可驗證并得出整條路段的填挖土方量，確定所需的工作量，能夠保證后續(xù)工作的順利實施。

6 結(jié)束語

文章結(jié)合工程實踐，考慮具體測量工作中遇到的問題，針對不同場景下縱橫斷面的提取工作，無論測區(qū)是否規(guī)則，軟件均可對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，檢查去掉不合適的點，提取所需高程點并將數(shù)據(jù)輸出為其他軟件可識別的文件格式。該斷面自動繪制軟件大幅度提高了縱橫斷面數(shù)據(jù)提取的效率，避免了人為錯誤，實現(xiàn)了縱橫斷面的自動繪制。與人工繪制相比，其具有如下優(yōu)勢：（1）人工繪制斷面需要大量的計算，而且極易出現(xiàn)人為錯誤，而該軟件能夠避免人工繪制斷面圖過程中的各類錯誤，減少人工繪制斷面圖過程中的大量重復(fù)性工作，提高了效率，降低了人力、物力的成本。（2）該軟件繪制的斷面圖簡潔、準(zhǔn)確、快速，具有計算機自動化真實、高效等優(yōu)點，符合工程施工用圖要求。（3）該軟件提出了一種高效的緩和曲線橫斷面繪制算法，兼容性較強，運行簡單，對于不同質(zhì)量的外業(yè)數(shù)據(jù)適應(yīng)性高，可方便運用到實際生產(chǎn)工作中。在新建赤峰至喀左客專CFSG-4標(biāo)項目中，將該軟件應(yīng)用于實際工作中，最終取得了縱橫斷面數(shù)據(jù)，為鐵路建設(shè)提供了可靠的成果，并節(jié)省了時間和人力成本，驗證了該軟件在實際工作中的應(yīng)用價值。