劉利民，劉艷娟

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

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手機GPS在道路勘察設計中的應用研究

劉利民，劉艷娟

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

Application Research of the GPS of Mobile Phone on Survey and Design of the Road

LIU Limin，LIU Yanjuan

摘要：智能手機的GPS功能能夠進行定位與導航，給生活帶來了極大便利，但在道路勘察設計中幾乎未被開發(fā)利用。本文通過對坐標轉(zhuǎn)換及Google Earth二次開發(fā)技術的研究，在安卓手機端和PC端開發(fā)了測量點大地坐標和生成KML文件等功能，實現(xiàn)了手機GPS功能在道路勘察設計中的應用，并且在實際工程項目中進行了檢驗，達到了良好的效果。

關鍵詞：智能手機；GPS；Google Earth；道路；勘察設計

智能手機與大多數(shù)人的日常生活息息相關，成為生活中不可或缺的一部分。智能手機中帶GPS功能，排除衛(wèi)星鐘及大氣干擾等因素，其定位精度一般為幾米至幾十米。通過手機的GPS模塊接收衛(wèi)星信號來進行定位，可繞過移動通信運營商，不需要增加運營成本，用戶也無需負擔額外的服務費用，可以快速實時地找到當前位置。不過，目前絕大多數(shù)GPS手機用戶還僅僅停留在GPS的定位與導航應用，其在工程勘察設計中幾乎未被開發(fā)利用。文獻[1]中基于GPS導航手機，使用Google Earth輔助完成野外地質(zhì)勘察工作，但也仍然處于定位的簡單應用階段。

近年來，隨著手機Google Earth衛(wèi)星影像越來越清晰，在原來東南部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和大中城市衛(wèi)星影像較為清晰的基礎上，中西部地區(qū)的影像越來越清晰，衛(wèi)星影像的精度也越來越高。如在湖北省孝感市周邊的衛(wèi)星影像已經(jīng)可以達到0.5 m左右的分辨率。因此，手機GPS和手機Google Earth相結(jié)合應用于工程勘察設計成為可能。本文研究的目的就是利用手機GPS、手機Google Earth并將二者結(jié)合，通過坐標系轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)手機GPS應用于道路勘察設計。

一、坐標轉(zhuǎn)換

1. 坐標轉(zhuǎn)換方法

手機GPS和手機Google Earth采用的坐標系均為WGS-84大地坐標系，而道路勘察設計中常用的坐標系為平面直角坐標系，一般為1954北京坐標系或1980西安坐標系，也經(jīng)常采用獨立坐標系或假定坐標系。把手機GPS和手機Google Earth應用到道路勘察設計中，必須解決WGS-84與道路坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換問題。

坐標轉(zhuǎn)換的方法很多，一般情況下，應根據(jù)已知條件的不同而使用不同的坐標轉(zhuǎn)換方法。當?shù)缆房辈煸O計的坐標系為1954北京坐標系、1980西安坐標系或已知轉(zhuǎn)換關系的獨立坐標系時，WGS-84坐標系與之采用的橢球基準不同，需要進行轉(zhuǎn)換參數(shù)計算，宜采用布爾莎七參數(shù)法實現(xiàn)WGS-84坐標系與道路勘察設計坐標系之間的高精度坐標轉(zhuǎn)換。當?shù)缆房辈煸O計坐標系的橢球參數(shù)和投影參數(shù)缺失或為假定坐標系(在前期工作中常見)時，坐標系的橢球參數(shù)及投影參數(shù)未知。根據(jù)文獻[2]，GPS坐標向地方坐標轉(zhuǎn)換時二維轉(zhuǎn)換方法比較簡便，效果較好，通過相似變換，得到四參數(shù)(平移x、y，尺度變化m，旋轉(zhuǎn)角度α)。該方法不需要知道道路勘察設計坐標系的橢球參數(shù)和投影參數(shù)等坐標系相關參數(shù)。

2. 公共點的獲取

采用布爾莎七參數(shù)法和二維轉(zhuǎn)換方法，分別需要至少3個和2個以上公共點來進行坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算，從而實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換。

當能夠獲取精確公共點資料時，可使用精確的公共點進行轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算。但在實際道路項目中，獲取精確的公共點資料對一般設計人員而言，并不是一件容易的事情。一方面可能坐標系是年代久遠、資料不全的地方局部坐標系，或本身是假定坐標系，根本就不存在精確的公共點。另一方面，即使坐標系橢球參數(shù)和投影參數(shù)已知，公共點的獲取也相當困難，要么需要從測繪部門獲得公共點資料，而公共點資料往往保密或需要購買；要么還未進行控制測量，實測需要時間和費用。手機GPS應用到道路勘察設計必須通過公共點資料來實現(xiàn)坐標系的轉(zhuǎn)換，因此公共點資料需要尋求更加容易的來源。

手機GPS定位精度在幾米至幾十米之間，精度并不高。經(jīng)過實踐驗證，當不能獲取精確的公共點時，通過直接從地形圖和Google Earth讀取同一地形或地物特征點坐標來作為公共點進行轉(zhuǎn)換參數(shù)計算，為一種行之有效的方法。具體的坐標轉(zhuǎn)換過程在此不再論述，有眾多文獻可以查閱。

二、手機GPS功能開發(fā)

1. 功能實現(xiàn)

通過手機GPS在勘察設計中的應用研究及坐標轉(zhuǎn)換方法，利用Google Earth二次開發(fā)技術，在安卓手機端的JSL-路途系統(tǒng)中實現(xiàn)了如下功能：

1) 測量點大地坐標，并導出為KML文件，應用于道路方案設計。

2) 記錄車行或步行軌跡，并導出為KML文件，應用于道路勘察。

3) 拍攝GPS照片，應用于道路勘察和設計。

在PC端的JSL-路線專家系統(tǒng)中實現(xiàn)了如下功能：

1) 將KML文件中的大地坐標點和軌跡轉(zhuǎn)換為AutoCAD實體對象，應用于道路設計。

2) 將道路設計中心線根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML文件，實現(xiàn)了道路中心線的KML一鍵生成，在JSL-路途系統(tǒng)中結(jié)合手機GPS使用。

3) 將任意AutoCAD DWG文件，包括但不限于道路的線位圖、公路平面總體設計圖和道路三維模型等，實體包括直線(Line)、圓弧(Arc)、多段線(LWPolyline)、曲面(3DFace)和文字(Text)等常用CAD對象，轉(zhuǎn)換成KML文件，在JSL-路途系統(tǒng)中結(jié)合手機GPS使用。

4) 將GPS照片文件名追加道路路線里程樁號，便于照片檢索，應用于道路設計。

通過以上功能實現(xiàn)了手機Google Earth資料與道路勘察設計資料的相互轉(zhuǎn)換，能夠應用到道路勘察設計中。

2. 轉(zhuǎn)換精度分析

手機GPS應用于道路勘察設計的精度取決于兩個方面：一是手機定位本身的精度，它受衛(wèi)星信號等多方面因素控制，人為控制因素少；另一方面是坐標轉(zhuǎn)換的精度，由于坐標系參數(shù)、公共點等原因，人為可控因素多，是研究重點。

對于坐標轉(zhuǎn)換而言，精確的公共點進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換的精度足夠滿足勘察設計的需求。但只有低精度的公共點資料時，如何提高轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換坐標的精度值得研究。第一，由于人工讀取坐標，錯誤或偶然誤差會比較多，可以通過公共點的殘差剔除一些精度較低的點，來提高坐標轉(zhuǎn)換的精度；第二，直接從地形圖和Google Earth讀取的公共點精度較低，根據(jù)文獻[3]及實際工程項目驗證，適當均勻地增加公共點個數(shù)，能有效地提高坐標轉(zhuǎn)換精度，公共點分布范圍越廣越均勻，所得轉(zhuǎn)換坐標精度越穩(wěn)定；第三，由于公共點的大地高直接從Google Earth上讀取，誤差較大，根據(jù)文獻[4]，即使公共點中高程存在500 m的誤差，其平面坐標的差異也在米以內(nèi)，高程誤差對坐標轉(zhuǎn)換的影響較小。

通過多個實際項目驗證，直接從地形圖和Google Earth讀取公共點的方法，通過最小二乘法進行參數(shù)計算，坐標轉(zhuǎn)換精度可達到10 m左右。因手機GPS及手機Google Earth本身精度并不高，在道路勘察設計中10m左右的精度還是可以接受的，能夠滿足道路勘察設計的較多應用需求。

三、應用及工程實例

1. 尋找控制點

在野外勘察中，測量階段需要尋找控制點所在位置。通常情況下，根據(jù)控制點的點之記去尋找控制點，往往很浪費時間。通過把控制點轉(zhuǎn)換為KML文件，結(jié)合手機定位和手機Google Earth，尋找控制點時可以大幅度提高效率。

2. 尋找線位

通過JSL-路線專家系統(tǒng)將設計線或公路平面總體設計圖轉(zhuǎn)成KML文件?，F(xiàn)場踏勘時，可以根據(jù)手機GPS定位和手機Google Earth，顯示當前位置和路線的相對關系，從而找到準確的路線位置，方便現(xiàn)場踏勘，也可用于現(xiàn)場測量、外業(yè)調(diào)查和地質(zhì)鉆探及現(xiàn)場核對等方面。

在內(nèi)蒙古自治區(qū)某項目中，業(yè)主要求抽查現(xiàn)場鉆孔情況。項目里程超過260 km，全線均為戈壁灘，沒有明顯的地形或地物特征點，人工根本無法快速找到指定位置，而通過手機GPS、手機Google Earth及線位KML，快速找到了鉆孔位置。由此可見，手機GPS在一些特殊地區(qū)的道路勘察設計中可以應用。

3. 測量地物坐標

利用GPS的定位功能，在野外用JSL-路途系統(tǒng)或OruxMaps等軟件直接測量地形或地物特征點的WGS-84系統(tǒng)坐標，導出地形或地物特征點KML文件。

通過JSL-路線專家系統(tǒng)，將KML文件直接轉(zhuǎn)成AutoCAD中的實體，作為路線方案的控制點，精度可以達到10 m左右。這主要用于工程可行性研究階段或初步設計階段，方案研究或未進行控制測量時，測量路線控制點使用。

在107國道孝感市肖港至張公堤段改建工程中，在路線走廊中存在眾多500 kV和220 kV的高壓線，由于時間緊迫，地形圖和控制測量尚未完成，如何避開高壓電塔，以滿足規(guī)范要求的角度穿越高壓線，減少或避免高壓電塔的拆遷，確定合理的路線方案，是一個難以完成的任務。通過手機GPS測量電塔坐標，轉(zhuǎn)換為AutoCAD實體，根據(jù)手機GPS測量結(jié)果進行路線方案設計，達到了理想的結(jié)果。

4. 記錄軌跡

野外現(xiàn)場踏勘經(jīng)常會出現(xiàn)找不到進場的道路或因為道路不通暢而在實際踏勘中出現(xiàn)走錯路或走回頭路的情況。那么，通過手機GPS的記錄軌跡，可以讓未到過現(xiàn)場的人員通過軌跡跟蹤功能在地形復雜的地形也能找到別人走過的正確路線，方便進行勘察設計。

5. 拍攝GPS照片

在現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)調(diào)繪等外業(yè)調(diào)查中，經(jīng)常要拍攝一些現(xiàn)場照片，來作為勘察設計資料。當這些照片較多時，其整理工作是一個大問題。一方面整理工作量大，另一方面若未進行整理，時間久了會忘記照片的具體位置。通過帶GPS的手機或相機拍攝GPS照片，GPS照片跟普通JPG圖片在外觀上沒有任何不同，只是其EXIF信息里記錄有GPS定位信息。GPS照片拍攝后，可以用JSL-路線專家系統(tǒng)讀取照片的GPS定位信息，坐標轉(zhuǎn)換后到道路的平面直角坐標系，然后找到對應的樁號，最后在照片的文件名上追加對應樁號信息，便于以后設計中查找、使用。另外還可以把GPS照片在Google Earth上進行展示，方便資料整理和方案匯報。

四、結(jié)束語

手機GPS應用于道路勘察設計具有重要的實用價值，給勘察設計帶來了便利。但由于其單點定位精度較低，還不能直接應用于中樁等外業(yè)測量中，只能作為常規(guī)測量的一種粗略補充測量手段，為道路勘察設計服務。本次研究作為手機GPS在勘察設計中的應用嘗試，未來可進一步研究，以提高手機GPS的定位精度，更好地應用到道路勘察設計中。手機GPS還可以用到鐵路、水利和電力等工程行業(yè)的勘察設計中。

參考文獻：

[1]陳兵，張燕．基于GPS導航手機的Google Earth在野外地質(zhì)勘察中的導航定位應用[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2013(14)：39-40．

[2]趙寶鋒．GPS坐標轉(zhuǎn)換方法比較分析[J]．測繪，2009(4)：188-189．

[3]王玉成，胡伍生．坐標轉(zhuǎn)換中公共點選取對于轉(zhuǎn)換精度的影響[J]．現(xiàn)代測繪，2008(5)：13-15．

[4]王文利，郭春喜，程傳錄．大地高誤差對Bursa七參數(shù)平面轉(zhuǎn)換精度的影響[J]．測繪科學，2011，36(5)：37-38．

[5]孟祥銳，費龍，程彬．GPS技術在手機中的應用淺析[J]．長春師范學院學報(自然科學版)，2008(6)：75-78．

[6]黃沙路，雷凡.公路勘察設計結(jié)合谷歌地球的應用方法[J].宜春學院學報，2014(3)：56-58.

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0080-03

作者簡介：劉利民(1975—)，男，教授級高級工程師，主要從事道路路線、互通設計及道路專業(yè)軟件研發(fā)。E-mail：13707175815@139.com

收稿日期：2015-03-17

引文格式： 劉利民，劉艷娟. 手機GPS在道路勘察設計中的應用研究[J].測繪通報，2016(3)：80-82.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0092.