城市规划CAD中道路网平面图形的自动绘制.pdf

第 9卷第 3 期 1 9 9 2年 l 2月 武汉城市建设学院学报 J W Uhan Ur ba n Co ns t r uc fio n I ns t i t ut e VoI 9 No 3 一 De c 19 92 J 7 城市规划 C A D中道路网平面图形的 自动绘制 钟 一 广州市 城市靓 盘 I 自动化 中心 Tu P 摘要本文提 出一种描述和 自动处理道路 同平 面图彤的算 法 同时 介绍基 于谊 算 法 的 一个 道 路 同平 面 自动 绘 图 程 序 关 键 词 城 壹 塑 l 建 萤 星 生 计 算 机 辅 助 设 计 图 形 处 理 自 动 绘 图 计 算 方 法已 q 中图法分类T U 9 8 4 l U t l 3 7 U i l 2 6 道路 网平面 图形 的绘制是城市规划 图形 设计的 一个 重要 组成 部分 也是建 立城 市地 理 信息系统尤其是大比例尺地理信息系统的一项重要内容 在计算机辅助城市规划设计中 如 何 自动处理 并绘 制 出符合 设计规范要求 的道路 网平 面图是 广大 规划 C A D研究 人员关心 的 问题 本文 提出了一种描 述和 自动处理道路 平面 图形 的算法 并介 绍基 于该 算法 的一个道 路 网平面 自动绘制程序 该 程序 用嵌 入在 微机绘图软件个人设计师软件 简称 P D 美国 C V公 司的产品 中的 UP L语言编制而成 在 P D绘图环境下运行 它作为本单位开发的 居住区详 细规划 C A D系统 t 1 的一部分 已投 入实 际运行 并取得 了良好的效果 l 道路网平面图形的数学描述 道路 网平面可看作是 由一个个 路段连接而成 的 路段 可通过其 走 向和 宽度 等几 何属性 数据来描述 路段交接点 路中心线交点 称为路 网结点 路网的连 接关 系可通过所连接的两 个路 网结点号来表示 为 了便于路 网的数学描述 和以统一 的数据结构进行处理 将路网端点 如图 1的 等 和道路转折点也当作结点进行 处理 绘制道路 网平面 图形 时 需要首先给 出各路段的几何属性 数据和路段的连接关系 路段 的几何属性 包括道路 走向 道路平面线 型和道路 宽度 等数据项 对 于现状道路 道 路走 向通过 路段 中心线两端点 桩 点 坐 标确定 而对于规 划道 路 道路走 向则通过实时绘制 的道路中心线确定 道路平面线型包括图 2 所示 的四种类型 道路宽度包括红线宽度和车行 道 宽度 对于 图 2所示 的 a b c三种类型 车行道宽度数据项 可置为零 路 网中各路段 的几 何属性 数据可用路段属性 数据表 数据库文件 来 描述 表 1 2 本 文 收穑日 期 1 9 9 2 0 7 1 0 维普资讯 l 8 武覆 城市建 设学院学 报 第 9告 a 道路 平面钱 型 l 2 8 24 2 5 26 3 3 3 4 O O 0 0 O O 0 0 l 0 0 0 b 路罔结点与路段编号 路殷连接关景矩阵 图 1 某居住珏道路平面及其描述 日 j Cj 图 2道路 乎面线 型 U 图 3 路网靖点参数解析 弛O 0 O 0 l O 一 一 一 3 0 0 l 0 O 0 2 O 0 l 0 O O n 维普资讯 第 3 4期 钟家 晖 城市规蛔C A D中道路罔平面朋形的自动绘制 1 9 路段之间的连接关系通过一个矩阵来描述 该矩阵的行表示结点号 列表示路段号 当 路段与结点相连 有连接关 系 时 对应 的矩 阵元素为 1 没有连 接关系时则为 0 这里定义这 一 矩阵为路段连 接关系矩阵 如图 l a中各路段 连接 关系可用图 1 c所示的矩 阵来描述 道路 的平 曲线半径 和交叉 口转 弯 半径根 据城市道路 规划设计 规范 确定 并以表 3所 示的结构存入 C A D系统的规范数据库中 供设计绘图时检索调用 道路 网平面图形的处理就是 根据 给定的各路段属 性 数据 连 接关 系和城 市道 路规划 设 计规 范 计算出各路段端点坐标 平 曲 线圆孤和交叉 口圆孤 参数 并绘 制图形 在 实际 的设 计 操作 中 如绘 制现 状路 网 只需建 立如 表 1所示的 路段属 性数据文 件和连 接关系矩 阵 而 绘 制规划道路网时 则可绘制出道路中心线并将表 2 所示的属性数据赋存于每个路段的中心 线上 程序可 自动生成连接关 系矩 阵计 算路 网的几 何参数和绘 制图形 表 1 路 段 属性 数 据表 对于现 状道 路 一 并 型 度 一 路 段 号 r T r 1 r 平 面 线 型 j 红 线 宽 度 1 车 行 道 宽 度 表 2 路 段属 性数 据表 对 于规划 道路 路段号 I 平面线型 l 红线宽度 l 车行遭宽度 表 3 道 路工 面规划 设计 规范 数据 表 2 路 网平 面几何参数的计算方法 2 1 路网端点坐标的计算 设图 3所示 为道路 阿的一个 路段的 中心 线 其 中 是路 网的一个端点 设 路段 红 线宽度为 2 L 有向线段 矢量 方向为从点 n 到 下同 与 轴正向的夹角为 m由图 3可求得路端 左 右红线 端点 V 的坐标 X V Y U 和 xD t Y D 如式 1 2 所示 如 路段含 有车行道线 宽 度 2 L 则 同样 可求 得左 右车行 道线 的端 点 坐标 X V z n 和 XD 2 y 见 式 3 4 一 X V 一 h 1 1 n in l 2 y Y Vl L c 0 s a J Y 1 l y l 一 C O S U j L l 3 D 一 n s in a 1 4 y 2 一 Y Vl Lz 帅 y 一 yn L 2 C 0 6 J 2 2 折线型道路转折点坐标的计算 如图 4所示 的两路 段折 线相 交 中心线分 别为 路段 宽度 分别为 2 L 和 2 沿 着 一n 方 向 记左 边线转 折点 为 右 边 线转折 点为 D 现 求解 两 点 的坐标 XV z y 和 X1 h y 维普资讯 武 汉城市 建设学 院学 报 第 9眷 设有 向线段4 矢量 i 和 与 轴正 向的夹角分 别 为 a 从 点 向 和 的左 右平行线作垂线 垂足分别记为U 和 如图 4所示 由图 4 b中的 玑P 和 4 V q D 可得到式 5 6 通过类 比可得到关系式 4 7 和 4 8 X U 2 一 L j 1 4 5 x 一 2 L s in a l 4 6 Y U YV Ll c o s 1 J y 一 l LI C O S T J 埘 X V z 一 工 幢 卢 1 7 x 一 s i 卢 I 8 利 用两点 式 可得 到 过 点 U D 且平 行 于 的 方 程分别为 y Y U 一 t g a 4 X XU 9 y y矾 一 t g a X XD 1 0 同 理 可得 到过 点 U D 且 平行 于 的 方 程 为 y Y Us t s p x XU 5 1 1 图 d 道路 转折 点参 数解析 一 yD 5一 t g p x XD s 4 1 2 联解方程 5 7 9 儿 得到左边折点 z 的坐标 联解 6 8 1 0 1 2 得到右 边折点 的坐标 分别见式 1 3 和 i 4 当 一 时 1 3 1 4 式 不成立 这种情况可 看成是同一 条路 分两个 路段 进行 处理 两 路段宽度相等 记 L 一L 2 一L 通过式 5 4 6 或 7 8 可计算 出对应 点的两边线端 点坐标 一 1L s i l 1 5 舶 1 1 6 Y U2 一 Y L c o s a J Y D z Y 一 L C C ff J 2 3 道路 平曲线圆孤参 数的计算 两行车路段相接时 需要以一定的平 曲线进 行过 渡 平 曲线 圆孤 的半径根据道路宽度从 规范数据库 中检索得到 程序的缺省值 为规 范下限值 可通过 人机交互实时给定 平 曲线圆 弧参数计算包括 圆心 坐标和 圆孤两端 点坐标 的计算 作 图 5示有 向折 线 的半径为 的 内圆角 设 圆孤起点为 B 终 点为 圆心为 C 如 图 5 a 所示 当 一 n 为顺 时针 走 向 即矢量积 n 0 0时 圆心 0相 当于平移量 为 的左平行 折线的一个 顶点 如图 5 b 所示 用与上 面同样 的方 法可以得 圆孤参 数 的计算 公式 如下 Xv2 F O s sin cos m y YV 1 2 0 vI 一 蹦 一 蹦 一 s i n 一 l c 0 c o s a 4 R cos一 a 4 sin J z2 R sin 一 sin l 一 当矢 量积 v ws O 0时 从圆孤起点 B到终点 是顺时 针方 向 当矢 量积 i 0 0时 从圆孤 起点 B到终 点 是逆时针走 向 利用式 1 7 1 8 1 9 或 2 0 2 1 2 2 可求得道 路中心线 左 右边线和行 车道线的平 曲线 圆孤参数 2 4道路交叉 口的处理 道路 交叉 口指 的是 由三 个以上路段相交接 的路 网结 点 如 图 6 b c d A f g 所 示 的三叉 结点 a i J 所示 的四叉点和 k 所示的多叉结点 交叉口的处理内容包括计算交叉 口转弯 半径 交叉 口转弯 圆孤参数 和与该交叉 口结点相连接的各路段的端点坐标 2 d 1 交叉 口转弯半径 的计算 图 6 a 和 b 所 示交叉路 口的画法 只指 5 m 以下的小路的情况 一般不作 圆角处理 维普资讯 武 汉城 市建设 学 院学 报 第 9卷 l l l L l 厂 C D E G H 川 J 图 6 路 网结点 交 叉 13 类 型 对于直交路 口 如图 6 中 c d e h等 转弯半径可根据道路级别 红线宽度 从规范数据 库 中检 索得 到 对于斜 交路 口 如图 6中的 f g j 等 锐角边转弯半径也是根 据道 路红线宽度 若相 邻道路宽 度不等 则取较小的宽度值 从规 范数据库 中得到 而钝角边转弯半径则通 过 计 算得 到 设道路红线宽度 为 2 L 从规 范数据库文件 中检索得到的交叉 口转弯半径 取下限 值 记 为 R 钝 角记 为 刚钝角边转弯半径 岛 可通过如下算式得到 L r 岛一 一 2 3 2 4 2交叉 口圆孤参数及路段端 点坐标 的计算 利用上面介绍的求平行折线 和求平 曲线参数 的算法 可以方便地求 出交叉 口圆孤参 数 及路段端点的坐标 交叉 口处理的基本 思想是 首先判别 与结 点相连 的各路段 问的相邻关 系 对于三叉结点不用进行 判别 因为连 接三叉结 点的路段 必然是两两相邻 的 然后逐 一计 算 相邻 路殷相邻边的圆孤参数 包括 圆心 坐标 圆孤起 点和终点 坐标及 圆孤走 向 和路端点 的 坐标 下面以图 荫所示 交叉 口为例 说 明交叉 口参数的计算方法 如 图 7所示 的四叉结 点 V 型交叉路 口 首先 求出有 向线段 矿 s 与 x 轴正 方 向的夹 角 分别 设 为 啦 d B 嘞 曲 可 排 出 At At 2 m 据 此 可 以 根 据 角 度值的相邻关系判断 出四路 段 间 的 相 邻 关 系 如 路 段 与 路 段 相 邻 而 与 r 不 相 邻 路 段 与 相 邻 而 与 不相 邻等等 根据道路 红线宽度 可从 道路设计规范数据库中检索 到锐角边的交叉 口转弯半径 R 钝 角边 交 叉 口转 弯半 径 图 7 四叉结点 型交叉1 3 参数解析 一 三 i 维普资讯 第 3 期 钟家霹 城市 规划C A D中 道 路网 平 面啕 形的自 动 培 I 岛 可根据式 2 3 计算得到 利 用 日 X V y 和式 C 1 3 可求得 点的座标 x M Y M 利用 XM Y M 和式 2 O 2 1 2 2 可求得 和 点 的坐标 利 用 a z a E L z L X V Y V 和 e 可 求得 点的座标 同样可求 得 D e 巩 P 口 j D 的座标 将 作 为路段 一个端 点的坐标存储 到数据库 中 同样 将 P e 点 的坐 标作 为路段 一端 的坐标存储到数据库 中 就完成 了对路 网结点 I 的处理 依此法依次对整个路 网的各结点 交叉 口 进行 处理 计 算出各交叉 口的 圆弧参 数和各 路段 的端 点坐标数据 并 以一定的数据结构存储到数据库 中 就完成了道路 网平面的处理 3 路 网几何参数 的数据组织及绘 图程序设计 经计算而得到的路网几何参数数据存储于三个数据库 文件 中 供绘图时检索调用 其 中 一 个 是圆孤数据文件 记录各平 曲线圆孤和 交叉 口圆孤参数 其结构如 表 4所示 第二 个是 路段 端点坐标数据 文件 记录各路段端点的坐标数据 其结构如表 5所示 第 三个 是路段端 点坐标数据的索引文件 记录各路段端点坐标数据的存储地址及端点坐标数量等索引信息 供检 索 路段端点坐标数据时引用 由于每处理一个路网结点 交叉 口 只能计 算出与其相连 接的路 段一端 的坐标数据 所 以每个 路段的端 点坐标数据需要经两次计算后得到 分两次存 储 为便于检 索 需将每组数据的存储地址 记录号 和坐标点数量 记录数 2或 4 记录到索 引文件中 供绘 图时检索调用 索引文件的结构 如表 6所示 表中路段号 同时也是记录号 路 段 端点的坐标数指的是路段一端 的坐 标点数量 即在坐标数 据文件 中的记录数 表 4 圆孤数 据文件 表 5 路 段瑞 点坐标 数据文 件 圆心坐标 起点 坐标 终点 坐标 圆弧转 向 r y 路段 端点 坐标 y 表 6 路 段端点坐标 数据 索引文 件 路 段号 端点 坐标 数量 端 点 l坐标数 据地址 端 点 2坐 标数据 地址 根据 以上算法和处 理思想 用 微机 绘图软件 P D中的 U P L语 言编制了道 路平面 自动绘 制程序 该程序包括九个子程序模块和一个总控程序模块 各子程序模块的功能如表 7 所 示 运行本程序 时 首先提示 建立 路段屑性数据文件和路 网连接关系矩阵 若 已经建立 则可 直接进入下一步 然后虎次对路网各结点进行处理并将计算结果存入数据库 最后由绘图 程 序检 索路 网几 何数据进行绘 同 程序进行流程如图 8 维普资讯 武祝 城市建 设学院 学报 第 9卷 衰 7 路网平面程序结构 程序名 功 能 F R O CR 1 建立路段属性数据文件和路段连接关系矩阵 P R O C R I 判断路 网结 点 交叉 口 类 型 P R O C R I 计算路网靖点坐标 l t I P R O C 计算道路转折点坐标或千曲线圈弧参数 l 磊 萄 P R O C R I 计算三叉结点的圈孤参数和路段靖点坐标 l 整据结翅 P R o CR 计算四 叉结点的圈孤参数和路段靖点坐标 l 人觳塑 P R O CR 计算多叉结点的圈孤参数和路段靖点坐标 l 厍 P R O CR 绘制道 路 网平面 图形 P R O CR 标注平曲线要素 交叉 r l 转弯半径和路网控1 6 j 点坐标辱 P R O CMR 主程 序 控制程 序运行 流程 及调 用各子 程序 图 B 路 网平 面 自动绘图 程序运行 瘴程 围 维普资讯 第 3 4 期 钟 家 晖 t 城市规期 c D中逋路罔平面圈形的 自 动绘制 4 结 束语 本文提 出的道 路 网平面 图形 的描述 和 自动处理算法 其 特点是概念 清晰 算 法 简烁 数 据结构紧凑 合理 节省内存 可以方便地利用微机绘图软件中的嵌入式绘图语言 如 A U T O C A D软 件中的 A U T O L I S P P D软件 中的 U P L等 实现 本文所提 出的道路网平面 自动绘图程序 虽然是针对城市详细规划图形设计需要而编 制的 但它用 于建 立城市地理信息 系统 中道 路网平面 图形 信息也是可 行和方便 的 此 外 由 于该 程序是用 结构类似 于 P a s c a l 的 U P L语言 写成 采用 模块化 程序结构 因而 可 以方 便地 移植到其它 图形 系统中 该程序的编制 和运行 实现 了道路平面图形 的 自动绘 制 有效地提高 了城市规划设计 中 道路 网图形 绘制 的效率 参考文献 1 钟家晖等 居住区详细规划C A D系统的开发研究 城市规划汇刊 1 9 9 2 年第三期 2 中华人民共和国行业标准 城市道路设计规范 C J J 3 7 9 0 北京 中国建筑工业出