計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用分析

田海燕 陳鵬 劉娜

1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司；2.北京飛馬航遙科技有限公司；3.河南中緯地理信息科技有限公司

為了給計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用提供一些參考，文章簡單介紹了工程測量方法突破創(chuàng)新現(xiàn)狀，論述了測繪工程制圖中存在的困境，并對計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用進行了研究。得出：在測繪工程制圖中存在效率低、消隱不當?shù)壤Ь?，制圖人員應(yīng)合理利用計算機技術(shù)，發(fā)揮計算機技術(shù)優(yōu)勢，提高測繪工程制圖效率。

在我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展進程中，測繪工程事業(yè)被提上了日程，測繪工程測量方法不斷升級，以三維激光掃描技術(shù)、建筑信息模型為代表的工程測量方法不斷涌現(xiàn)，為測繪工程開展提供了充足支持。但是，當前測繪工程制圖仍然存在效率低下問題，利用計算機技術(shù)有望解決這一問題。因此，探究計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 工程測量方法突破創(chuàng)新

三維激光掃描技術(shù)是工程測量方法突破創(chuàng)新的代表。三維激光掃描技術(shù)源于工程與技術(shù)科學基礎(chǔ)學科領(lǐng)域，主要具有大長度精密測量與三維位置精密測繪功能，最短測距范圍為3m，最大測程為1500m，定值精度為8mm，模型化精度為3mm。數(shù)字化三維激光掃描技術(shù)可以高精度記錄測繪工程各種信息，以三維點云正射影像圖展示測繪工程特征，為工程開展提供支持[1]。

除了三維激光掃描技術(shù)外，BIM技術(shù)（Building Information Modeling，建筑信息模型）、測量機器人也為工程測量提供了支持，具有信息化、智能化特點，可以直觀指導現(xiàn)場作業(yè)，為工程測量功效大幅度提升提供依據(jù)[2]。BIM技術(shù)是建筑學、工程學的新工具，以三維圖形為主，以物件為導向，為施工測量提供實質(zhì)性輔助。BIM技術(shù)多與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合，在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從1個垂直、4個傾斜角度采集影響，后期處理為傾斜攝影模型，在Acute 3D Viewer端直接瀏覽；測量機器人含有超級目標捕捉系統(tǒng)，由可發(fā)射扇形光束的遙控器、測站段全站儀光束探測器組成，可以敏銳感知遙控器發(fā)出瞬時光信號，并驅(qū)動全站儀精準測量。測量機器人可以在短時間內(nèi)判別目標，鎖定目標后進行自動找準，滿足大范圍高精度測量要求。

2 測繪工程制圖中存在的困境

2.1 非規(guī)則圖形測繪效率低

傳統(tǒng)測繪工程CAD制圖方法需要先采集必要測量點，再構(gòu)造直線與規(guī)則曲線，方可完成地物空間、形狀表達。雖然可以借助少量特征點完成多數(shù)規(guī)則地形要素的空間特征表達，但是，無法滿足彎曲小路、等高線等不規(guī)則要素表達，且會增加內(nèi)外業(yè)測繪工作量，導致測繪工程制圖效率下降。

2.2 忽略三維坐標分量

傳統(tǒng)測繪工程制圖中，主要遵循以數(shù)據(jù)為中心的原則，以CAD平面圖標識數(shù)據(jù)為主體，進行圖形繪制與查看、現(xiàn)場應(yīng)用，在一定程度上忽略了三維模型特別是帶有準確坐標信息、高程信息的三維模型分量，導致制圖精度不高，對控制測量作業(yè)也提出了較大難題。

2.3 存在較多隱面隱線

在測繪工程制圖中，用人眼觀察三維圖形時，極易被部分面（或線條）遮擋，相關(guān)面（或線條）被稱之為隱面（或隱線），對計算機顯示測繪工程圖形真實感具有較大的影響。加之測繪工程中曲面立體空間僅含有離散的空間曲線，無法為消除隱面隱線提供參照物，若全部顯示可見與不可見線、面，將會對測繪制圖視覺造成多義性[3]。

3 計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用

3.1 提高非規(guī)則圖形測繪效率

在測繪工程制圖中，樣條曲線是借助給定的一組控制點而繪制的一條曲線，曲線形狀可以通過插值樣條法控制，也可以通過逼近樣條法控制。根據(jù)不規(guī)則地圖測繪要求，可以利用基于Catmull-Rom算法的樣條曲線，立足Catmull-Rom樣條曲線的數(shù)學基礎(chǔ)，在AutoCAD軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)上開發(fā)閉合面和非閉合面的樣條曲線，提高非規(guī)則圖形測繪工作效率。

Catmull-Rom算法是由三次曲線方程演變而來的分段式連續(xù)平滑曲線，可以經(jīng)過每一個控制點，并在控制點切線位置與前面的控制點、后面控制點的連線平行，增加控制點后，每一個分段都可以分別計算并實現(xiàn)連續(xù)平滑，滿足測量點位不足時平滑連續(xù)不規(guī)則地形要素擬合要求，如等高線、彎曲小路、地類界等。為順利在測繪工程制圖中生成Catmull-Rom曲線，可以根據(jù)Catmull-Rom樣條曲線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，定義4個基礎(chǔ)控制點（或特征點）與浮點，在計算機端計算其中兩個特征點之間的插值點坐標，生成分段曲線。若需生成覆蓋4個控制點的曲線，需要新增其他測量點，并從閉合面、非閉合面兩個方面，進行分別處理。一方面，閉合面內(nèi)全部測量點具有循環(huán)、連續(xù)的特點，在不添加新測量控制點的情況下可以生成任意相鄰兩點之間的樣條曲線，曲線生成算法為Catmull-Rom基礎(chǔ)插值算法——PointOnCatmullRomCurve；另一方面，非閉合面全部測量點樣條曲線生成需要分別在以往起點、終點外添加2個虛擬控制點。并根據(jù)測量比例尺推算2個特征點之間插值數(shù)，插值數(shù)大小與制圖曲線平滑度成正相關(guān)。獲得全部插值點坐標后，進行測量點與插值點、插值點與插值點連線，形成覆蓋全部測量點的Catmull-Rom樣條曲線[4]。

以Catmull-Rom樣條曲線在帶弧度不規(guī)則草坪測繪制圖中的應(yīng)用為例，可以直接沿著草坪外沿轉(zhuǎn)折位置、頂點，提取特征點。特征點提取后，在AutoCAD內(nèi)生成多類型樣條曲線，包括插入點數(shù)為10的Catmull-Rom樣條曲線、步分為0.01的貝塞爾曲線和分割為10的樣條曲線等，其中Catmull-Rom樣條曲線與真實地形差距較小。在樣條曲線確定后，根據(jù)Catmull-Rom樣條曲線通過已知等高點情況以及節(jié)點位置平滑度（曲線不與自身相交），按照等高線自動生成步驟，先進行各高程點展點再根據(jù)高程點坐標、高程進行TIN（數(shù)據(jù)地面高程）的構(gòu)建。進而利用Catmull-Rom樣條算法擬合方式，生成相交情況較少且平滑度高的等高線，減少后期調(diào)整工作量，提高測繪工程制圖效率。

3.2 注重三維坐標分量繪制

計算機三維制圖技術(shù)已在大多數(shù)領(lǐng)域使用，為測繪工程制圖工作提供了充足支持。在計算機三維制圖技術(shù)應(yīng)用于測繪工程制圖初期，應(yīng)明確測繪目標、任務(wù)以及待解決問題，梳理技術(shù)路線，簡化相對復(fù)雜的計算機三維坐標分量繪制過程，順利獲得三維圖紙。測繪工程中，地形的三維現(xiàn)實是計算機圖形學與地理信息系統(tǒng)、數(shù)字攝影測量技術(shù)集成的結(jié)果，需要在獲得測繪工程地形三維可視化所需多類別地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將DE細分為若干子網(wǎng)格，將每一個子網(wǎng)格細分為若干三角形面素。同時，考慮到傳統(tǒng)按照測量碎部點插值求解正方形網(wǎng)格高程的方法以及利用已有等高線采樣計算網(wǎng)格節(jié)點高程的方法存在一些誤差，可以直接利用平面上隨機分布的離散點——碎部點，將其相互連接為無交叉、無空漏、無重疊的三角形網(wǎng)格，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點高程可構(gòu)成保留全部地形特征點的數(shù)字地面模型[5]。

在計算機技術(shù)支持下，測繪工程三維圖形顯示離不開VC++編寫程序，程序顯示屏幕為二維屏幕，以屏幕為投影面將測繪工程中物體空間三維坐標變換為平面二維坐標（透視變換），再由平面二維坐標轉(zhuǎn)換為屏幕坐標，可以獲得三維立體視覺。一般在獲得三角形面素的基礎(chǔ)上，還需要在計算機內(nèi)建立DEM節(jié)點（地面點）、三維圖像點之間的透視關(guān)系，這一關(guān)系受視角、視點、三維圖形大小參數(shù)的直接影響。進而根據(jù)地形表面明暗與顏色變化反映要求，建立光照模型，進行每一個測量點像素顏色、灰度的計算，并消去不可視部分以及尺寸范圍以外的部分。最終依據(jù)紋理映射、模擬灰度等繪制三維地形圖，保存為TIFF格式或PCX格式、BMP格式。保存后，根據(jù)需要添加測繪工程所需的多種地物符號、注記并進行對比度調(diào)整，便于完成測繪工程空間信息查詢與分析。

3.3 消除隱面隱線

隱線隱面在計算機測繪工程制圖中較為常見，特別是利用平面拼合方法繪制的三維地形圖，在三角形較大且碎部點分布較為稀疏的情況下，全部地形圖中的山頭均為尖形，導致部分復(fù)雜曲面立體空間隱線無法順利消除[6]?；诖耍梢砸胗嬎銠C峰值線消隱算法，針對二元單值函數(shù)，利用空間擬合曲線代替切平面與函數(shù)曲面交叉線。在求解觀點較近的曲線后，逐次繪制相對視點遠離的曲線，順利消除隱線。即假定測繪工程立體模型平行于橫軸、縱軸兩個方向，面向縱軸、橫軸擬合空間曲線，計算全部擬合線并記錄擬合曲線上點坐標，完成雙向消隱，獲得精確的三維圖形。若測繪工程計算機制圖中全部被顯示物體均為凸形，計算機峰值線消隱算法無法滿足要求，需要利用Roberts算法，有序單獨考慮每一個測繪工程地形要素，尋找為要素遮擋的面、邊，將每一個要素留下的邊與其他要素邊逐一對比，確定其處于完全可見、部分可見、全部遮擋狀態(tài)，進行兩兩物要素隱線與隱面消除。必要時形成新的顯示邊（要素之間相互貫穿），促使被顯示要素與現(xiàn)實偏差更小。

除了計算機峰值線消隱算法、Roberts算法外，還可利用Edwin Catmull獨立開發(fā)的Z-Buffer算法，跟蹤計算機屏幕上每一個地形圖像素深度。根據(jù)跟蹤結(jié)果，先將緩沖器中各單元初始值設(shè)定為最小數(shù)值，同時幀緩存全部設(shè)置為背景色，掃描多邊地形圖所覆蓋的每一個像素，計算多邊地形圖在像素位置的深度值。進而檢查測繪工程中多邊地形圖深度值是否超出對應(yīng)像素初始深度值，若超出初始深度值，則表明多邊地形圖與觀察點更接近，可以利用當前測繪工程中多邊地形圖深度值代替像素原始顏色，并存入幀緩存，簡單且直觀地完成計算機測繪工程制圖中消隱任務(wù)，降低地形圖要素在計算機屏幕中出現(xiàn)順序?qū)ο[的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，制圖是測繪工程中至關(guān)重要的一項技術(shù)工作，對于施工結(jié)果也具有較大的影響。計算機技術(shù)支持下的測繪工程制圖，可以由制圖人員在線上進行操作，對工程測量數(shù)據(jù)進行立體分析，為施工項目提供指導。因此，制圖人員應(yīng)根據(jù)需要合理應(yīng)用計算機技術(shù)，充分發(fā)揮計算機在測繪工程制圖中的優(yōu)勢，提高測繪工程制圖效率。

引用

[1]鄧傳軍.場地精準化導向下的建筑工程測量方法運用[J].建筑結(jié)構(gòu),2022(20):165.

[2]朱善美.基于BIM技術(shù)和測量機器人的橋梁工程測量方法研究[J].安徽建筑,2020(4):176-177.

[3]李婷婷.基于數(shù)字化制圖技術(shù)的礦山地質(zhì)測繪精準定位系統(tǒng)[J].世界有色金屬,2021(18):22-23.

[4]賀衛(wèi)中,陳昀.基于Catmull-Rom算法的樣條曲線在測繪CAD制圖軟件中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代測繪,2022(3):50-52.

[5]王振霖,劉天波.淺談計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用[J].電腦迷,2018(8):156.

[6]竇華軍,馬亮.探討計算機技術(shù)在測繪工程制圖中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2019(3):49-50.