白少云

（1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021）

西南地區(qū)連續(xù)多年干旱，缺水矛盾日益突出，長線路引水工程是解決水資源不足的有效途徑。清水海供水及水源環(huán)境管理工程是將云南省尋甸縣境內(nèi)的石橋河、板橋河、新田河、清水海、金鐘山等相對獨立的水源點通過引水線路連通起來，最終通過金鐘山水庫對昆明市呈貢新區(qū)和大學(xué)城進行供水。工程線路總長70余km，工程的構(gòu)（建）筑物由26座隧洞、1座倒虹吸、25座渡槽組成，分布于山區(qū)、林區(qū)等交通條件極差的區(qū)域。

傳統(tǒng)的施工控制網(wǎng)優(yōu)化方法是：建網(wǎng)前利用收集到的1∶10 000或1∶50 000的地形圖結(jié)合實際踏勘進行控制網(wǎng)優(yōu)化，然后根據(jù)優(yōu)化方案結(jié)合實地進行選點布網(wǎng)。但由于云南省的1∶10 000或1∶50 000的地形圖大多數(shù)為80 a前的資料，這將導(dǎo)致優(yōu)化后點位難以落到實地，而實地調(diào)整的點位通常因為考慮實地環(huán)境欠妥而帶有一定的盲目性。為了解決以上問題，本文結(jié)合清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)（由154個三等點組成，控制面積超過150 km2，屬超大型施工控制網(wǎng)）的建立，探索了基于Google Earth 的水利水電工程施工控制網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法。

1 Google Earth軟件介紹

Google Earth是美國Google公司2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)和地圖搜索軟件。用戶利用Google Earth不僅可以瀏覽地形地貌，還可以直觀地在圖上進行量距、標(biāo)注、截取剖面、旋轉(zhuǎn)等工作，直觀地分析所關(guān)注點周圍的植被、交通、地物等信息，近似地獲得地球上某一位置的經(jīng)緯度和高度。Google Earth對全球開放了API，用戶可以通過API進行二次開發(fā)，在Google Earth上實現(xiàn)更多精彩的創(chuàng)意。

對于中國許多主要城市、著名景區(qū)、建筑物區(qū)域，Google Earth提供分辨率為1 m、視角高度約為500 m和分辨率為0.6 m 、視角高度約為350 m的高精度影像圖，在非主要居民地或山區(qū)，分辨率相對要低一些，即使這樣也可以清晰地判讀地形、地貌和地表植被。目前Google Earth在國內(nèi)地理教學(xué)、旅游交通、水利工程、林業(yè)調(diào)查、電力通信、建筑工程設(shè)計及工程測繪等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 常規(guī)優(yōu)化設(shè)計方法

目前施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法主要有解析法和模擬法，在實際工作中，由于模擬法易于編程、操作簡單、精度較高等特點被廣泛采用。模擬法一般采用蒙特卡洛法進行模擬優(yōu)化。

2.1 模擬法優(yōu)化設(shè)計的實施

以清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)為例，優(yōu)化設(shè)計的具體方法是：

1）在1∶10 000地形圖上采用圖切剖面方法，初步判定相鄰點之間通視情況，在保證圖形強度、方便施工放樣的前提下初步選點布網(wǎng)。

2）在1∶10 000地形圖上量取各點的坐標(biāo)，根據(jù)選定的控制網(wǎng)圖，確定控制網(wǎng)的觀測方案。

3）以觀測方案、控制點的圖解坐標(biāo)、擬投入使用的儀器精度指標(biāo)及儀器精度作為控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，利用蒙特卡洛方法生成模擬觀測量，并反映將來控制網(wǎng)觀測值的誤差分布特性。

4）以模擬觀測量作為平差元素，進行控制網(wǎng)平差計算，求出控制網(wǎng)的最弱點中誤差、相對誤差、誤差橢圓等參數(shù)，對控制網(wǎng)精度、強度、可靠性等進行綜合評價。

5）重復(fù)進行優(yōu)化試驗，選取最優(yōu)方案作為施工控制網(wǎng)布設(shè)、觀測的最終設(shè)計方案。

圖1為采用模擬法進行多次優(yōu)化后的清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)。

圖1 模擬法優(yōu)化后的施工控制網(wǎng)

2.2 模擬法優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)缺點

模擬法優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點是：操作簡單、易于實現(xiàn)，能最大限度地保證控制網(wǎng)的精度、強度、可靠性，在以往的優(yōu)化設(shè)計中得到了普遍認可。但這種方法設(shè)計的控制網(wǎng)很難準(zhǔn)確判斷點的通視情況，在實際工作中，由于地形變化、植被條件等客觀因素導(dǎo)致設(shè)計方案難以實現(xiàn)，現(xiàn)場改變點位往往存在盲目性和隨意性，改變了控制網(wǎng)圖形強度，使得整個控制網(wǎng)精度難以保證。同時，由于地形的變化，1∶10 000圖上不能反映點位附近的附著物，優(yōu)化設(shè)計方案不能客觀地對工作量和進度作出科學(xué)的判斷。

3 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計的方法

針對模擬法的缺陷，在保持模擬法優(yōu)點的前提下，結(jié)合清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)，開展了基于Google Earth軟件進行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法的研究。

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和疊加

利用KML Tools Pro軟件將模擬優(yōu)化設(shè)計的控制網(wǎng)圖、1∶10 000地形圖、引水線路布置圖、建筑物位置等已知信息的CAD格式文件轉(zhuǎn)換成KML文件，在Google Earth導(dǎo)入包含設(shè)計圖中點、線、文本或者多邊形的KML文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

如果使用MapInfo軟件，可用下面2種方式實現(xiàn)MapInfo與Google Earth的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

第1種方法是：首先打開MapInfo，工具管理器里點增加工具－瀏覽，將文件選中加載，打開需要轉(zhuǎn)換的tab圖層（可多個），圖層窗口不能最大化或最小化，不然會有警告不能轉(zhuǎn)換；然后輸入KML文件名，把得到的KML文件導(dǎo)入Google Earth，從而實現(xiàn)了MapInfo與Google Earth的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于MapInfo是GB編碼，Google Earth是UTF-8編碼，中文顯示存在一些問題，但可以通過一些編碼轉(zhuǎn)換工具解決，這里不作贅述。

第2種方法是利用GELink實現(xiàn)MapInfo到Google Earth的數(shù)據(jù)交換，具體操作如下：在MapInfo Professional的工具菜單→運行MapBasic程序菜單，打開對話框，找到GELink.mbx文件，單擊確定按鈕以運行這個程序，運行之后，在地圖菜單的最下方出現(xiàn)一個新的菜單項。從這個菜單項中可以看到3個子菜單項，其中Export to Google Earth就是主要功能的觸發(fā)點了。GELink軟件具有2個功能：①將當(dāng)前看到的地圖輸出為圖片，當(dāng)成貼圖貼到Google Earth上，這個功能可以在MapInfo Professional中制作各種地圖專題、布置各種數(shù)據(jù)、標(biāo)記甚至疊加新的衛(wèi)星或航拍影像；②輸出矢量數(shù)據(jù)，這需要在地圖上選中要輸出的圖元對象，選中之后點擊按鈕或者菜單項觸發(fā)功能，GELink會打開一個對話框，詢問是導(dǎo)出圖像還是導(dǎo)出選中的矢量對象，目標(biāo)會在Google Earth里面打開，實現(xiàn)了Google Earth數(shù)據(jù)交換后，把KML文件作為單獨的圖層疊加到Google Earth軟件中，結(jié)合Google Earth 的添加地標(biāo)和添加路徑功能，在圖上進行控制點的選點和調(diào)整，如圖2所示。Google Earth也可以和ArcGIS 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，這里不再贅述。

圖2 控制網(wǎng)設(shè)計圖

3.2 控制點通視優(yōu)化

利用Google Earth軟件改變視角和高度檢查布設(shè)控制點的通視情況，從而判斷設(shè)計方案所選定控制點是否滿足施工放樣的要求；對部分改變視角仍然不能確定是否通視的點，也可以利用Google Earth軟件添加路徑，選取剖面點的起點與終點，利用生成的剖面圖判斷點間通視情況，對確定不能通視的點，在Google Earth上根據(jù)虛擬三維影像，利用“標(biāo)注”功能進行調(diào)整，并利用“路徑”功能重新調(diào)整網(wǎng)圖，完成控制網(wǎng)的布設(shè)選點工作，如圖3所示。

也可下載所關(guān)注區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，如利用SRTM90、ASTERGDEM等數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維場景展示，基于Google Earth實現(xiàn)的DEM數(shù)據(jù)的影像三維展示，不但可以了解到所在區(qū)域的地形走勢，還可以準(zhǔn)確地量測出所在區(qū)域的高程，甚至可以得到任意路線的高程剖面，如圖4所示。

圖3 三維剖面圖直觀判斷通視條件示意圖

圖4 Google Earth中基于DEM的任意路線高程剖面

3.3 控制點環(huán)境優(yōu)化

控制點環(huán)境優(yōu)化主要包括控制點的交通、植被、居民地、建筑物分布、水源等與控制點建造、觀測條件等相關(guān)的優(yōu)化；在確?？刂泣c自然情況通視的情況下，利用縮放功能放大點位周圍的影像，分析點位周圍的植被、道路、水源等情況，針對所選點的地貌情況，制定相應(yīng)建墩方案和經(jīng)費預(yù)算，也可以通過三維場景圖分析點周圍的植被密集、障礙物等情況，準(zhǔn)確地判斷砍伐和補償工作量，實時進行點位調(diào)整，避開不必要的森林砍伐，有效地提高了選點效率并保護了環(huán)境，如圖5所示。

圖5 利用Google Earth判斷植被及地物示意圖

3.4 外業(yè)工作量優(yōu)化

傳統(tǒng)的模擬法或解析法優(yōu)化設(shè)計，主要是從控制網(wǎng)的數(shù)學(xué)精度、圖形強度和網(wǎng)的靈敏度等方面進行優(yōu)化設(shè)計，外業(yè)工作量優(yōu)化主要體現(xiàn)在保證圖形強度的前提下，適當(dāng)剔除不必要的觀測量，優(yōu)化相對薄弱。利用Google Earth聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法，秉承了常規(guī)優(yōu)化數(shù)學(xué)精度較好的優(yōu)勢，同時由于Google Earth提供了三維影像數(shù)據(jù)，設(shè)計者可以在Google Earth上清晰地判斷控制點周圍的交通、植被、地貌、水系等信息，根據(jù)各點具體情況進行合理性、工作量、補償經(jīng)費等評估，針對點的具體情況進行相應(yīng)的施工組織設(shè)計，進行外業(yè)工作量的優(yōu)化設(shè)計。例如，從影像圖上可以判斷點周圍的交通、水源、陡崖等信息，對于建墩或人員難以到達的點位，可以及時進行調(diào)整，特別是在GPS選點中，可盡可能考慮在交通方便的地方布點；對于植被條件較好點，可以初步判斷植被的類型、密度，并對清障補償經(jīng)費作出初步的判斷，盡可能避開大面積的砍伐。

3.5 優(yōu)化方案輸出

Google Earth選點完成后，把選好的網(wǎng)圖保存為KML文件，利用Global Mapper等軟件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并再次采用模擬法對調(diào)整后的控制網(wǎng)進行精度估算，得出最終的網(wǎng)圖設(shè)計方案。完成了控制網(wǎng)最終方案后，采用截圖方式對每個點的放大圖進行截圖打印，截圖時務(wù)必考慮盡可能地反映點周圍的地形、地貌和相關(guān)特征地物，以便實地定點時能準(zhǔn)確地把圖上位置落實到實地。保存優(yōu)化后的控制點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并導(dǎo)入手持GPS導(dǎo)航設(shè)備中，利用手持GPS進行外業(yè)實地選點，將大大提高外業(yè)選點的效率和準(zhǔn)確度，保證了優(yōu)化設(shè)計方案得以實施。

4 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢

1）提高了優(yōu)化設(shè)計的可靠性、可視化。采用Google Earth配合模擬法進行控制網(wǎng)優(yōu)化，充分發(fā)揮了模擬法優(yōu)化的優(yōu)點，保證控制網(wǎng)的精度、強度、可靠性，同時利用Google Earth影像對點周圍的地形、地貌進行判讀、分析，直觀地對控制點通視情況進行判斷，保證控制網(wǎng)設(shè)計方案能較好地實施，大大提高了控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的可靠性。

在Google Earth上布設(shè)控制網(wǎng)更直觀、更形象、更符合實際；用戶利用Google Earth不僅可以直觀地瀏覽感興趣區(qū)域內(nèi)的地物地貌和建筑物情況，而且可以方便地標(biāo)注、獲取剖面、改變視角和高度、判斷植被等情況，達到身臨其境的效果。設(shè)計者可以根據(jù)影像上的植被情況和建筑物分布情況，充分考慮實地埋點的通視情況和施工放樣方便，并可根據(jù)地形、地貌、交通等情況判斷實地布點的最佳路徑，保證設(shè)計方案能更好地落實，避免了模擬法優(yōu)化設(shè)計紙上談兵的尷尬，有效提高了外業(yè)工作效率。

2）制作三維多媒體匯報系統(tǒng)。Google Earth 具有圖片輸出和視頻錄制等功能，這對于匯報優(yōu)化后的方案非常直觀。在Google Earth上完成方案優(yōu)化設(shè)計后，優(yōu)化后的成果可以直接插入PowerPoint中進行直觀匯報，圖文并茂，既可以從空中俯視優(yōu)化后的全網(wǎng)，以全局的視角評判網(wǎng)形的合理性，直觀地介紹整個項目的總體思路和布置；又可以降低視點高度，觀察窗會自動“飛 ”到每一個地標(biāo)位置，停留一段時間，再“飛” 向下一個地點，在每個細節(jié)上介紹具體點位的布設(shè)，將點位細化到某一建筑的某一角。

3）三維地理信息影像資料現(xiàn)勢性較好。采用模擬法或解析法進行控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)常使用多年沒有更新的地形圖，這些圖紙現(xiàn)勢性差；如果單獨購買衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采購周期長，成本高。使用Google Earth影像，則彌補了以上不足，不僅能免費使用三維地理信息，而且影像相對較新（基本為近3 a左右的影像），結(jié)合1∶10 000地形圖，能最大程度地滿足控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的要求。

4）準(zhǔn)確把握外業(yè)工作量。Google Earth 配合模擬法進行控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，減少實地踏勘和外業(yè)選點工作量，利用設(shè)計提供的建筑物布置圖或線路布置圖，在室內(nèi)完成網(wǎng)選點工作。由于設(shè)計方案可對點周圍的附作物和交通條件進行判讀，估算清障補償工作量，準(zhǔn)確估算外業(yè)工作量和進度計劃，并制定相應(yīng)的施工組織設(shè)計，比以往設(shè)計方案更具科學(xué)性。

[1]劉瑞敏，李華，王思鍇，等.基于Google Earth 的地鐵亦莊線GPS控制網(wǎng)布設(shè)[J].測繪通報，2008(11)：47-49

[2]耿長良.Google Earth 在城市軌道交通工程控制網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用[J].測繪通報，2011(7)：54-56

[3]唐東躍，熊助國，王金麗.Google Earth 及其應(yīng)用展望[J].地理空間信息，2008，6(4) : 110-113

[4]李黎，胡曉波，李劍.Google Earth 給城市測繪的啟示[C].湖北省測繪學(xué)會 2005 年索佳杯學(xué)術(shù)論文集，武漢，2005

[5]王東，趙忠賢.Google Earth 使用詳解[J].工程地質(zhì)計算機應(yīng)用，2006，41(1) : 23-31

[6]趙宇.Google Earth 使用技巧[EB/OL].http: //net.chinabyte.com/214 /2667214,2006

[7]陳丁罡，權(quán)盼盼.基于Google Earth的建筑物三維建模[J].城市勘測，2007 (3): 51-53

[8]鈄春紅.Google Earth在水利水電測繪中的應(yīng)用[J].地理信息空間，2011，9(5):53-55

[9]彭和強，張有能.基于Google Earth 的地形圖制作技術(shù)[J].測繪通報，2009(10)： 61-63