Research on a Method for Automatically Generating Railway Construction Organization Plane Graph
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摘要: 目前铁路施工组织平面图的绘制以人工为主，存在绘制周期长、精度不高、工作量大等问题。为此，提出一种应用国产CAD控件和GDAL开源软件库自动生成铁路施工组织平面图的方法：依据铁路线路数据计算平面图出图范围，利用GDAL处理出图范围内的地图底图和矢量数据，使用CAD控件完成铁路施工组织平面图所有数据的绘制。基于该方法完成了软件开发，并以某铁路工程为例，分析不同铁路里程、不同地图层级下生成平面图的耗时情况；结果表明：该方法出图效率高，便于绘制铁路工程项目不同设计阶段所需的施工组织平面图，极大地减轻了设计人员工作量。Abstract: At present, the drawing of railway construction organization plane graph is mainly manual, which has some problems such as long drawing cycle, low precision and heavy workload. For this, this paper puts forward a method for automatically generating railway construction organization plane graph by using a domestic CAD control and the GDAL open source software library. Firstly, the scope of the railway construction organization plane graph is derived from railway line data. Then, all the map tiles and vector data within the scope of the plane graph are properly processed by using the GDAL. Finally, all the data of plane graph are drawed by using the CAD control. Based on this method, the design software is developed and a railway project is taken as an example to analyze the time-consumtion for generating the construction organization plane graphs for the railway within different mileage and at different map levels. The results show that this method has high efficiency in drawing and is convenient for drawing the construction organization plane graphs required at different design stages of a railway engineering project, thus greatly reducing the workload of the designers.
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铁路施工组织平面图（简称：施组平面图）是铁路施工组织方案的重要成果文件。施组平面图在出图时，需要将铁路线路横向置于施组平面图中央，并使铁路施工组织要素数据均匀地分布于铁路线路两侧，以便于直观展示铁路线路位置以及大型临时工程、砂石场料源地、材料运输线路等重要施工组织设计要素的布置信息[1]。
现有的施组平面图绘制主要靠设计人员手动整理地图素材和施组要素数据，并将这些数据叠加整合到一起，再添加一些必要的附加信息，最终绘制出完整的施组平面图。然而，在铁路工程项目的不同设计阶段，所需施组平面图的详细程度不同，采用传统方法绘制施组平面图灵活性较差，改动工作量较大。
目前，计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）技术已非常成熟，已广泛应用于铁路工程设计领域，如铁路站场平面图计算机辅助设计系统[2-3]。在铁路施工组织设计方面，李昌友等开发了铁路施工组织设计CAD系统，为铁路施工管理提供资源优化、工期进度动态控制的工具[4]。
国产的梦想CAD控件稳定可靠，可同时处理50万级实体，图形显示和处理效率较高，无需安装Auto CAD，即可使用该控件在B/S、C/S程序及手机App中浏览和编辑DWG文件，既能快速绘制地图底图，还能精确地绘制铁路施工组织要素数据。GDAL（Geospatial Data Abstraction Library）是一个性能优秀的处理栅格图片和矢量地理空间数据的开源软件库[5-7]，主要采用C和C++语言开发，支持跨平台，已广泛应用于多种工程软件。使用SWIG（Simplified Wrapper and Interface Generator）库，能将GDAL转换为其它开发语言（如JAVA/C#/Python等）可使用的软件开发库，从而进一步扩展GDAL的应用范围。
鉴于此，本文提出一种采用梦想CAD控件和GDAL开源软件库自动生成施组平面图的方法。
1 施组平面图数据构成
施组平面图主要由栅格地图瓦片、等高线、铁路线路、施组要素以及附属数据依次自下而上叠加而成，如图1所示。
其中，地图底图描述铁路线路周围的地物信息基础信息，等高线描述铁路线路周围的地形条件，铁路线路是线路专业设计的铁路线路信息，施组要素主要包括大型临时工程、施工便道、砂石料场地等数据，附属数据则是对施组平面图的补充描述。
施组平面图的数据种类包含栅格和矢量2种数据类型；地图底图是由一张张地图瓦片拼接而成的栅格数据，而等高线、铁路线路、施组要素、附属数据均为矢量数据。
2 自动生成施组平面图方法
采用GDAL开源软件库和梦想CAD控件，自动生成施组平面图的处理流程为：（1）依据铁路线路数据计算出施组平面图的出图范围；（2）使用GDAL处理施组平面图出图范围内的地图底图和矢量数据；（3）按栅格地图瓦片、等高线、铁路线路、施组要素、附属数据的顺序，使用国产CAD控件自下而上逐层绘制，完成施组平面图的自动生成。
2.1 计算施组平面图的出图范围
铁路线路数据是由铁路线路专业提供的，主要为kml、kmz文件格式的数据，其中包含铁路线路的路径、走向、桩号、桥隧分布等信息。
桩号由一系列DK1、DK2格式的数据组成，DK为铁路线路设计阶段采用的里程前缀，桩号中的数字表示线路的公里数，DK0代表铁路线路的起点，而桩号中数字最大的则为铁路线路的终点；每个桩号中都包含经纬度位置信息，可用于计算施组平面图的出图范围。考虑到施组平面图的出图效果和用户的浏览习惯，在绘制平面图时，一般将线路起点和终点中经度较小者作为绘图的实际起点A（lng1，lat1），经度较大者作为实际终点B（lng2，lat2），但不管选择哪个点作为线路的实际起点A和终点B，对计算施组平面图的出图范围都没有影响。
施组平面图的出图范围需要囊括所有桩号，且还需多预留一些距离，以便于展示更多信息。施组平面图出图范围的计算过程为：
（1）连接实际起点A和终点B桩号的经纬度，生成线段L，其他桩号可能会不均匀地分布在L的两侧；分别计算其他桩号到线段L的垂直距离D1、D2、···，求得距线段L的最远距离Dmax，并将距离最远的桩号记为点C，如图2所示。
（2）设定预留空白距离为d，则需将直线M1向远离L的方向平移距离d，得到直线M2，将直线M2做关于线段L对称，得到直线N2；过起点A做垂直于线段L的直线O1，并将直线O1向远离A点的方向平移距离d，得到直线O2，同理得到终点B外的直线P2，如图3所示。
（3）4条直线M2、O2、N2、P2两两相交，分别得到经纬度交点W、X、Y、Z，将W、X、Y、Z依次相连，即可得到一个矩形，该矩形所围合的范围就是施组平面图的出图范围，记作Rect，如图4所示。
其中，距离d可根据实际需要进行设定，d越大则出图范围越广。
2.2 整理地图数据
2.2.1 经纬度与地图瓦片关系
地图底图数据由分层的海量栅格地图瓦片组成，不同地图层级对应不同详细程度的地图瓦片。地图层级越大，对应的地图瓦片所承载的信息越精细，地图瓦片的数量会呈指数级增长。地图层级采用四叉树结构进行表达，即层级每增加一级，则地图数量增长4倍，如图5所示。
由于随着地图层级的增大，对应的地图瓦片数量会急剧增长，地图下载和拼接所消耗的时间也会显著增大。综合考虑性能和地理信息详细情况，地图底图的层级通常选择13级或14级。施组平面图的长宽比通常为4∶1，对于一条长度100 km的直线铁路线路，13级底图约50×13张地图瓦片，14级约100×25张地图瓦片。
施组平面图的出图范围是由4个经纬度坐标（W, X, Y, Z）构成的矩形Rect，而地图瓦片则是由地图层级（level）、列号（col）、行号（row）来表达，获取地图地图时需要将经纬度坐标转换成地图瓦片行号和列号。根据开源地理基金会OSGeo（Open Source Geospatial Foundation）提出的地图瓦片计算规则，计算经纬度坐标对应地图瓦片的行列号。
经度（lng）和地图层级（level）可计算出地图瓦片行（col）号具体公式为
$$ col=\frac{lng+180}{360}\times {2}^{\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{l}} $$ (1) 纬度（lat）和地图层级（level）可计算出地图瓦片列号（row）具体公式为
$$ row={2}^{\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{l}}\times \dfrac{1-\dfrac{\mathrm{l}\mathrm{n}\left[\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(lat\times \dfrac{{{\text{π}} }}{180}\right)+\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{c}\left(lat\times \dfrac{{{\text{π}} }}{180}\right)\right]}{{{\text{π}} }}}{2} $$ (2) 2.2.2 拼接地图底图
选择某一地图软件提供商的地图数据接口下载地图瓦片数据。下载后的地图瓦片数据由一系列256×256像素的离散地图瓦片组成，直接绘制在施组平面图中会存在地图瓦片数量多、计算绘制坐标点复杂、绘制效率低、不利于管理等问题。因此，需要将离散地图瓦片整合后拼接为一张大尺寸图片。
使用GDAL可较为容易地拼接万级尺寸的图片，且拼接出的图片中每个像素点都包含经纬度/跨度、图片尺寸、左上角基点经纬度等地理描述信息。
2.2.3 裁剪地图底图
使用GDAL可按照顺序拼接众多离散地图瓦片，但在拼接图片的边缘会存在明显锯齿，从而影响施组平面图的出图效果。GDAL对此也提供了根据矢量图形对裁剪栅格图片的接口，调用该接口按照施组平面图出图范围Rect裁剪合成后的栅格图片，可获得边缘较为光滑的大尺寸栅格图片，提升了地图底图的显示效果，如图6所示。
2.2.4 切割矢量数据
相对于栅格数据，矢量数据的处理则简单很多。矢量数据不会出现不同地图层级下数据量会变化的问题。等高线、铁路线路、施组要素等矢量数据可直接在GDAL库的支持下，切割出Rect范围内的所有矢量数据，在Rect范围外的数据则会被舍弃。等高线、施工便道、改扩建便道等线性数据可能会被切割成为两段，只会保留Rect范围内的数据，范围外的矢量数据则不会在施组平面图中保留，一些重要施组要素可能会被切割掉。这种情况下，可以通过增加预留空白距离d，得到更大的施组平面图出图范围Rect，以此范围重新切割即可。
2.3 绘制施组平面图
施组平面图按照栅格地图瓦片、等高线、铁路线路、施组要素以及附属数据的顺序依次绘制。
2.3.1 计算旋转角度
一般情况下，由铁路线路数据计算得到的施组平面图出图范围Rect往往不是正矩形。为保证出图效果，需要对在Rect范围内所包含的施组数据做旋转处理。选择Rect的几何中心作为旋转中心，既便于计算，也易于旋转。旋转角度θ则需要计算出实际起点A（lng1，lat1）与实际终点B（lng2，lat2）连线后在A点位置的方位角α来确定，方位角[8-10]计算公式为
$$ \mathrm{\alpha }=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left[\frac{\left(lng_{2}-lng_{1}\right)\times \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(lat_{2}\right)}{lat_{2}-lat_{1}}\right] $$ (3) 其中，α的取值在0～π之间，旋转角度θ为α−π/2；如果A在0～π/2范围内，则θ<0，负号表示旋转方向为顺时针；如果α在π/2～π范围内，则θ>0，旋转方向为逆时针。
2.3.2 绘制数据
（1）绘制底图图片
使用CAD控件绘制底图图片时，需要设置底图图片左下角的绘制基点和缩放倍数，在确定底图图片左下角基点和缩放倍数后，就能够确定整张图片的空间范围。使用GDAL完成地图底图图片的拼接和裁剪后，得到的出图范围矩形Rect一般情况下是斜矩形，所以整张图片是Rect的最小外接矩形。整张底图图片中只在Rect范围内有地图内容数据，Rect范围与最小外接正矩形之间则完全透明无数据，若以Rect的左下角坐标作为底图图片的绘制基点会出现偏移。
调用GDAL完成地图底图图片的裁剪后会保留地理描述信息，即每个像素代表的经纬度跨度范围、图片左上角经纬度坐标及图片尺寸信息。由此可推算出底图图片左下角的经纬度坐标，以此坐标作为绘制底图图片的左下角基点则不会出现偏移。
（2）绘制矢量数据
等高线、铁路线路、施组要素等数据均为矢量数据，每类数据中都含有经纬度坐标，在CAD控件中按照各自数据的经纬度绘制即可。在完成绘制后，将CAD控件中的所有数据以出图范围矩形Rect的几何中心点为基点，旋转θ后，可使所有矢量数据均正确地放置于底图图片之上，且位置精准无偏差。
（3）绘制附属数据
附属数据包含标题、图例、边框及相关其他基本信息等。在完成底图图片、等高线、铁路线路、施组要素等数据的绘制后，此时底图图片、等高线和施组要素数据均已旋转在视图正矩形中，附属数据直接计算出对应坐标绘制即可，不需要旋转。在完成附属数据绘制后，即可生成最终的施组平面图。
3 性能分析
以某条铁路为例，采用本文提出的方法，对不同里程铁路线路、不同地图层级的施组平面图自动生成所需时间进行统计分析。
作为分析实例的铁路线路总里程为450 km，分别统计100 km、200 km和400 km铁路里程在12、13、14、15地图层级下生成施组平面图的耗时，统计结果如图7所示。
根据耗时统计可知：
（1）地图层级越大，绘制施组平面图的耗时越长，但其中所包含的地理信息也越丰富；线路越长，绘制施组平面图的耗时越长。铁路线路里程长度和地图层级对自动生成施工组织平面图耗时有直接影响，近似成线型倍数关系。
（2）经分析，对于100 km以内的铁路线路，可将地图层级设置为14级；对于100 km以上的铁路线路，地图层级设置为13级则性能更优。
4 结束语
基于施组平面图的数据构成分析，提出一种铁路施工组织平面图自动生成方法：（1）依据铁路线路数据计算出图范围；（2）使用GDAL整理施组平面图出图范围内的地图底图和矢量数据；（3）使用国产CAD控件完成施组平面图的绘制。本文详细描述了出图范围的计算过程、地图底图拼接和裁剪及矢量数据切割算法，以及绘制施组平面图时旋转角度的计算方法。
基于该方法开发了铁路施工组织平面图自动生成软件，并以某铁路工程为例，对不同里程铁路线路、不同地图层级的施组平面图自动生成所需时间进行统计分析。分析表明：使用GDAL和国产CAD控件自动生成施组平面图的方法极大地提高了出图效率，减少了设计人员整理和制作施组平面图的工作量，为铁路工程施工组织提供了强有力的工具。
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