基于Python的纵横断面自动提取软件

中铁一局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000

1 纵横断面概述

随着科学技术的发展，人们的生产效率不断提高。利用先进的科学技术不断优化工程实践是提高生产效率的关键，也是促进社会发展、创造美好生活的必由之路。

纵横断面测量的目的是确定工程所在地的地面情况，主要包括地表的形状和变化等，可为道路的建设或修整提供有效信息。在进行纵横断面测量的过程中，内业数据处理相对烦琐，人为计算不仅耗时而且错误率较高。考虑到纵横断面工程测量工作数据数量大，而且数据具有规律性的特点，为提高生产效率，文章设计开发了HAV纵横断面自动化提取软件，实现了外业测量数据的自动检查和提取。

2 断面自动提取软件开发

断面自动提取软件基于Windows平台，利用Python编程语言编译，具体版本为Python3.5，可直接在Windows系统计算机运行。

2.1 软件主要功能

该软件主要用于纵横断面的自动计算与提取。该软件能够自动读取GNSS、全站仪、三维激光点云所测得的高程点数据，完成纵横断面数据的计算、检查，并根据设置的长度和宽度阈值自动提取所测地形的纵横断面数据。

该软件适应于不同的地形和不同形状的设计中桩线，得出的数据成果可自行选择保存为其他软件能够读取使用的格式，例如公路设计软件纬地能够识别的格式和CASS软件能够读取的通用断面数据格式。

该软件实地应用于纵横断面的测量工作中，既能够摆脱人工数据计算的重复操作性，节省时间，又能够有效避免人为错误，提高工作效率。

2.2 软件技术特点

在道路勘测过程中，直观显示道路的纵横断面信息并将其用于指导生产是非常有必要的。对于道路纵横断面测量工作，很多单位都相应地改进过生产方式，开发了一些用于纵横断面提取的软件，但多数只是为了内部使用，所开发的计算软件仅针对具体工程或单位涉及的某类业务，通用性并不好，且软件的自动化程度较低，仍然需要大量人为操作。该软件对纵横断面数据能够批量读取、计算，按有效信息排列展示，实现纵横段数据的自动提取，并生成其他软件能够使用的成果文件。该软件具有如下技术特点：

（1）真实性。利用测绘设备（全站仪、GNSS等）采集的数据可直接复制到计算机上进行处理，只需确定提取阈值，其他计算均由计算机完成，无须人为干预，确保了数据成果的真实可靠。

（2）灵活性。观测数据对方向和次序的要求不高，数据处理时仅需要记录测站的点号或点名便可；采用测站虚拟模式，采集的数据可以是同一个桩上的多个测站以不同采点方式观测的结果；可以从任意里程进行断面绘制。任意里程的断面桩和断面点都能够作为起点，软件可遵循“左负右正”的原则重新计算起点距。

（3）直观性。断面绘制以测站为单位逐一处理，且运算进度可视，可及时提醒错误。

（4）易推广性。软件设计从操作的简洁性和实用性出发，各项功能均能够便捷完成，非该专业人员经过简单培训也能够学会并迅速进行实际生产。

（5）兼容性。软件兼容性较强，可自主设置提取的阈值，不受设计线路形状及复杂性的影响，且效率高，可迅速提取大量数据，可满足CASS软件、纬地软件格式标准。

2.3 软件开发流程

纵横断面测量工作测得的原始数据主要为测量区域的高程数据，外业测量工作一般会在观测区域内采集大量高程点，然后对采集的数据按桩号进行归纳整理，整理成各软件能够识别的格式并可视化，按照每个桩号形成直观的截面数据。

该软件选择Python编程语言，在Windows系统下编译完成。开发流程主要包括文件的读取、数据的计算、数据的筛选以及成果的规范化输出这四个部分。文件的读取主要包括对设计中桩线数据的读取和对外业测得的原始数据的读取，该过程需要完成数据的归纳整理，最终的成果需要按照设计要求也就是中桩线的位置和里程规范化输出，因此需要对设计中桩数据和采集的原始高程数据规范化输入。然后是关键数据的计算，根据成果数据的需要，所需高程点属性信息需包含偏距和里程，以方便对断面进行直观显示。接着是对高程点的筛选，根据各里程下断面的需要，对质量高的高程点进行筛选排序。最后是数据的输出，根据不同软件的要求，对生成的数据规范输出，以符合应用要求。该软件还可以根据不同软件的需要进行成果数据格式的调整，输出不同格式要求的成果，从而满足工程需要。软件的主要开发流程如图1所示。

图1 软件算法流程图

2.4 关键算法设计

线路的形状不仅是直线，往往会出现各种尺度的缓和曲线，直线部分断面提取相对简单，文章针对线路为缓和曲线部分的复杂性进行了优化设计，使程序能够准确、高效地获得纵横断面数据。

由于车速较快，道路转弯处往往要设计得比较缓直，直线与直线交接的位置和直线与圆曲线交接的位置会有缓和曲线作为补充。但是缓和曲线切线、法线的计算具有较高的复杂性，为解决纵横断面绘制中缓和曲线计算复杂的问题，文章提出了一种近似计算方式，具有良好的操作性，既能提高精度，又能够快速直观地获得缓和曲线上点的横断面。根据里程文件获得需要绘制横断面的中桩点坐标，若该点在缓和曲线上，则将该里程分别前进和后退0.001m，并利用缓和曲线坐标计算公式获得两点坐标，分别称为前位点和后位点；连接前位点和后位点，计算其中垂线，该方向即为横断面方向；通过查找该方向附近高程点并进行线性内插，便可获得横断线上高程点的坐标，最后利用坐标展绘绘制出横断面。

3 工程概况

以新建赤峰至喀左客专CFSG-4标项目为例，项目涉及路基的填挖土方量，过程中需要测量地面线标高，用来检验工程设计中的工作量是否与实际相符。道路纵横断面数据为该工程的必要参考数据。此次工程原始数据是在现场按铁路中桩线于道路两侧采集高程数据，整个采集区域位于道路及道路两侧，呈条带状。

测量工作随着科学技术的发展而不断进步，特别是GNSS技术的不断成熟与运用，使传统的测量手段在一些领域被逐渐取代，外业测绘工作的劳动强度大幅度降低。此次工程外业测量工作使用GNSS完成，在铁路范围内利用GPS-RTK的方法共采集高程点28542个，作为工作的原始数据，然后利用编写的软件进行实际生产实验。

4 软件应用

软件界面简洁明了，主要功能展示在主界面，软件界面如图2所示。

图2 软件主界面图

软件界面分为三个部分：一是软件读取窗口，位于界面顶部，包括对纵断文件的读取和横断文件的读取；二是参数设置窗口，包含用户想要提取的纵横断面数据的搜索阈值，中间部分为功能按键，包含“提取断面数据”“清空日志”“保存纬地文件”和“保存CASS文件”四个按键；三是软件运行窗口，位于界面底部，可实时显示提取过程。

根据实际需要，此次工程设置宽度阈值为2m，长度阈值为100m，软件自动提取的道路横断面数据结果如图3所示。

图3 数据成果展示图

数据成果格式：第一行是点名和该点高程，点名即里程，下方为该里程下各点的偏距和高差，2个数为1组，前者为该点偏距，后者为该点与中桩点的高差。导入CASS中可生成不同里程的断面图，400m里程断面图如图4所示。

图4 道路横断面图（单位：m）

5 数据成果

经过外业GPS采集路面高程点，该软件直接处理获得了原始数据，并分别输出了两种格式的成果文件，一种是纬地软件可以直接应用的数据，一种是CAD软件可以打开的数据，生成了直观的断面图。成果数据包含一组沿中桩线测得的断面数据和按里程提取的879个横断面数据。

此次工程测量纵横断面的主要目的是核验填挖土方量，确定具体工作量，为后期实际工作安排提供数据参考。土方量主要结合实测值与所给设计值的差值确定。将所得实测断面图与设计断面叠加，绘制出新的断面图，可直观看出所需挪动的土方，实地高于设计高程的位置需要挖除，低于设计高程的位置则需要填充。利用其高程差值可计算得到需要挪动土方的横截面积，相邻两个断面间需要填充或挖除的土方可近似看作棱台或圆台，已知顶面和底面的面积便可利用体积公式计算断面间需要填挖的土方。以K72+500～K72+600为例，制作设计值与实际值叠加后的断面图，根据图上差值计算该路段的填挖土方量，如表1所示。

表1 填挖土方量统计表

对总体数据进行整合与评估可知，该路段统计所得共需填方14630.063m3，与所给设计值相符，说明数据可靠。利用该方法可验证并得出整条路段的填挖土方量，确定所需的工作量，能够保证后续工作的顺利实施。

6 结束语

文章结合工程实践，考虑具体测量工作中遇到的问题，针对不同场景下纵横断面的提取工作，无论测区是否规则，软件均可对数据进行计算处理，检查去掉不合适的点，提取所需高程点并将数据输出为其他软件可识别的文件格式。该断面自动绘制软件大幅度提高了纵横断面数据提取的效率，避免了人为错误，实现了纵横断面的自动绘制。与人工绘制相比，其具有如下优势：（1）人工绘制断面需要大量的计算，而且极易出现人为错误，而该软件能够避免人工绘制断面图过程中的各类错误，减少人工绘制断面图过程中的大量重复性工作，提高了效率，降低了人力、物力的成本。（2）该软件绘制的断面图简洁、准确、快速，具有计算机自动化真实、高效等优点，符合工程施工用图要求。（3）该软件提出了一种高效的缓和曲线横断面绘制算法，兼容性较强，运行简单，对于不同质量的外业数据适应性高，可方便运用到实际生产工作中。在新建赤峰至喀左客专CFSG-4标项目中，将该软件应用于实际工作中，最终取得了纵横断面数据，为铁路建设提供了可靠的成果，并节省了时间和人力成本，验证了该软件在实际工作中的应用价值。