宋 建 威，　李　科，　劉　琪

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 國(guó)際公司，四川 成都　610066)

利用移動(dòng)通訊設(shè)備終端在Google Earth平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)快速定位

宋 建 威，李科，劉琪

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 國(guó)際公司，四川 成都610066)

摘要：對(duì)于從事早期現(xiàn)場(chǎng)勘查的工程技術(shù)人員而言，Google Earth軟件最具有使用價(jià)值。為了進(jìn)一步發(fā)揮Google Earth軟件服務(wù)工程現(xiàn)場(chǎng)勘查的目的并充分利用移動(dòng)通信設(shè)備終端的GPS定位功能，設(shè)想了用三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)快速定位：一是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)方案在移動(dòng)設(shè)備的Google Earth中載入；二是實(shí)現(xiàn)在載有工程設(shè)計(jì)方案的Google Earth平面上查看沿線的地理及交通信息；三是實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)人員能在載有設(shè)計(jì)方案的Google Earth平面上查看本人所在擬建工程的樁號(hào)部位，并實(shí)現(xiàn)前往某工程部位時(shí)的導(dǎo)航。介紹了如何通過坐標(biāo)換算、KML數(shù)據(jù)互換、文件載入移動(dòng)設(shè)備等手段實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速定位的過程。

關(guān)鍵詞：道路；設(shè)計(jì)方案；移動(dòng)設(shè)備；Google Earth；施工現(xiàn)場(chǎng)；快速定位

1概述

在公路或鐵路等大型線性工程施工啟動(dòng)前，工程技術(shù)人員均需要進(jìn)行實(shí)地勘察，而在沒有明顯打樁標(biāo)記的情況下，技術(shù)人員很難判斷自己身處的位置屬于擬建工程的具體樁號(hào)或部位，而目前測(cè)量人員常用的手持GPS雖能較好地進(jìn)行野外坐標(biāo)測(cè)量，但不能像Google Earth那樣直接形象地反映擬建工程周圍的平面地理及交通信息，也不能把工程設(shè)計(jì)方案載入設(shè)備中，因此而難以判斷自身所在擬建工程的具體樁號(hào)部位。筆者假想，如果我們利用移動(dòng)通信設(shè)備的GPS定位功能，并在設(shè)備上安裝Google Earth軟件，再通過Auto CAD與Google Earth數(shù)據(jù)互換，把道路工程設(shè)計(jì)方案以地標(biāo)文件的形式載入到Google Earth中，既能在Goole Earth平面上一目了然地查看擬建工程周圍的地理與交通信息，又可以準(zhǔn)確定出自身在擬建工程中的具體樁號(hào)部位，還可以通過移動(dòng)設(shè)備GPS的定位及導(dǎo)航功能設(shè)置擬建工程的某樁號(hào)部位作為目的地，選擇最近的通往路線，如此就實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通訊設(shè)備終端在工程前期勘察中的應(yīng)用。

2實(shí)現(xiàn)該設(shè)想的難點(diǎn)

2.1蘭勃特坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)的互換

摩洛哥屬于北非國(guó)家，大地測(cè)量采用的是蘭勃特投影坐標(biāo)系，從南到北共劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為Nord Maroc Zone Ⅰ、sud Maroc Zone Ⅱ、Sa-hara ZoneⅢ與Sahara ZoneⅣ。丹肯高鐵項(xiàng)目所在地位于摩洛哥的北部Kenitra市，其緯度屬于北緯31.5°至35.55°區(qū)間，因此，測(cè)量及設(shè)計(jì)工作均采用Nord Maroc (摩洛哥北部)的蘭勃特坐標(biāo)系。

WGS84坐標(biāo)是一種地心坐標(biāo)系，是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，即我們常說的經(jīng)度與緯度，Google Earth采用的就是WGS84坐標(biāo)系。

如果我們要把道路設(shè)計(jì)方案在Google Earth中顯現(xiàn)出來，就必須把道路設(shè)計(jì)圖文信息由蘭勃特坐標(biāo)轉(zhuǎn)成WGS84坐標(biāo)。這就需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換計(jì)算。

2.2Auto CAD設(shè)計(jì)方案與Google Earth數(shù)據(jù)交換(KML)

若要把Auto CAD設(shè)計(jì)圖文信息坐標(biāo)導(dǎo)入Google Earth中，就必須建立Google Earth所支持的文件格式——KML。KML(Keyhole Markup Language)是基于XML語法標(biāo)準(zhǔn)的一種標(biāo)記語言，采用標(biāo)記結(jié)構(gòu)，含有嵌套的元素和屬性，由谷歌旗下的Keyhole公司開發(fā)并維護(hù)，用來表達(dá)地理標(biāo)記。因此，我們要把設(shè)計(jì)方案的圖文信息(點(diǎn)、線、面、多邊行與文字等)進(jìn)行地理數(shù)據(jù)的交換，最終用Google Earth的圖形元素將道路設(shè)計(jì)方案展現(xiàn)出來。

2.3將KML地標(biāo)文件移植到移動(dòng)通訊設(shè)備上

盡管近幾年移動(dòng)通訊設(shè)備上的軟件開發(fā)得到了蓬勃的發(fā)展，但是還有很多不完善的地方，例如，Google Earth手機(jī)版的菜單功能就沒有PC版的完整，目前并未提供導(dǎo)入KML地標(biāo)文件的路徑，鑒于此，我們需借助二次開發(fā)的輔助軟件，以完成KML地標(biāo)文件在手機(jī)終端上的載入。

2.4多個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致位置偏差

在該方案中，多個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案在載入到Google Earth時(shí)出現(xiàn)位置偏差，其最主要的原因有三個(gè)：一是WGS84與蘭勃特坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換誤差。因?yàn)镚oogle Earth采用的是WGS84坐標(biāo)體系，而摩洛哥采用的是蘭伯特坐標(biāo)體系，二者原理不同，在坐標(biāo)數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)位置偏差；二是民用GPS終端精度不高；三是航拍照片拼接造成誤差。民用GPS終端精度低于軍用GPS終端，在與航拍照片拼接時(shí)將產(chǎn)生誤差，這兩個(gè)問題目前難以解決。

3實(shí)現(xiàn)流程及解決方案

3.1蘭伯特坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系的換算

蘭勃特投影是由德國(guó)數(shù)學(xué)家J.H.Lambert在1722年提出的，設(shè)想用一個(gè)正圓錐切于或割于球面，應(yīng)用等角條件將地球面投影到圓錐面上，然后沿一母線展開，即為蘭勃特投影平面。投影后的緯線為同心圓弧，經(jīng)線為同心圓半徑。 蘭勃特投影采用雙標(biāo)準(zhǔn)緯線相割，與采用單標(biāo)準(zhǔn)緯線相切比較，其投影變形小而均勻。若需將蘭勃特坐標(biāo)換算成WGS84坐標(biāo)，就需要一個(gè)比較復(fù)雜的反解計(jì)算。

假設(shè)蘭勃特坐標(biāo)為(X,Y)，WGS84坐標(biāo)為(φ，λ)，反解計(jì)算公式如下：

φ通過迭代獲得，式中參數(shù)如下：

n=

摩洛哥北部蘭勃特坐標(biāo)系下，原點(diǎn)緯度φ0=33.3°，原點(diǎn)經(jīng)度λ0=-5.4°，原點(diǎn)極軸半徑ρ0=9 716 290.594，第一標(biāo)注緯度φ1=31.5°，第二標(biāo)注緯度φ2=35.55°。

3.2借助Auto Civil 3D 批量進(jìn)行Google Earth數(shù)據(jù)交換

把Auto CAD圖文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能在Google Earth顯示的地理數(shù)據(jù)，除了進(jìn)行蘭勃特坐標(biāo)換算成經(jīng)緯度外，還需根據(jù)KML語法結(jié)構(gòu)把道路設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換后的經(jīng)緯度坐標(biāo)按順序編制成KML文件，如圖1所示，在編制過程中，點(diǎn)、多線段等按語法結(jié)構(gòu)分別排序編輯?？紤]到道路設(shè)計(jì)方案的圖文信息量比較大，編制KML文件的時(shí)間比較久，我們可以借助輔助軟件完成KML的快速匯編，而工程領(lǐng)域最常用的就是Auto Civil 3D。

打開所需要轉(zhuǎn)換的圖紙后，選擇菜單路徑“輸出-發(fā)布的Google Earth”，在彈出的對(duì)話窗口中按照“描述-項(xiàng)-地理參照-偏移-文件-發(fā)布和查看”的菜單路徑完成操作。值得注意的是：在“地理參照”這個(gè)窗口里，需要用戶輸入自定義的轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)點(diǎn)以及圖紙Y軸相對(duì)于北向的方位角。我們?cè)谠O(shè)計(jì)圖紙中間區(qū)域選擇一個(gè)點(diǎn)(398484.5873，412055.4221)，根據(jù)蘭勃特坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出經(jīng)緯度為(-6.5014°，34.3031°)，并輸入相對(duì)角度-0.8，即可完成設(shè)計(jì)方案圖文信息的批量轉(zhuǎn)換，并生成KML文件。KML文件通常比較大，在生成文件時(shí)，可以選擇KML的壓縮格式——KMZ文件。

3.3KML文件在移動(dòng)通訊設(shè)備上的載入

目前Google Earth的手機(jī)IOS版本能夠滿足用戶的定位、查詢及瀏覽地球的功能，但是不支持KML地標(biāo)文件的載入，因此，我們需要考慮借助第三方軟件載入KMZ文件。在現(xiàn)有IOS應(yīng)用市場(chǎng)中，Casey Evanoff公司開發(fā)的“KMZ Loader”軟件最為優(yōu)秀，它能將KMZ文件解壓成KML文件后載入到Google Earth中。

將制作好的KMZ文件通過itunes放到該軟件目錄下，然后在手機(jī)上運(yùn)行KMZ Loader后，按照路徑“My KMZ-文件名.KMZ-Open KMZ-在Google Earth運(yùn)行”，道路設(shè)計(jì)的圖文數(shù)據(jù)即被加載到Google Earth的圖形文件上。以地球的航拍照片作為底圖的道路設(shè)計(jì)方案，結(jié)合用戶通訊設(shè)

圖1　多線段的KML文件格式

備的GPS定位功能，我們?cè)趯?shí)地勘察現(xiàn)場(chǎng)時(shí)就能清晰地查看到自己所處于擬建工程的具體部位；若需前往設(shè)計(jì)方案的某工程部位，我們可以利用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)及導(dǎo)航功能，將其設(shè)置為目的地，按線路行駛，從而大大提高了工程實(shí)勘效率。筆者以摩洛哥丹肯高鐵項(xiàng)目的某段落為例進(jìn)行載入，其效果見圖2、3。

圖2　在手機(jī)中載入KML前的Google Earth平面圖

3.4精度分析與位置修正

根據(jù)WGS84坐標(biāo)向蘭勃特坐標(biāo)系換算的原理，先將地球面投影到圓錐面上，然后沿一母線展開，即得到蘭勃特投影平面。進(jìn)行投影換算后，球面上兩點(diǎn)原本相同的距離將出現(xiàn)差距，而且這種差距會(huì)隨著投影長(zhǎng)度的增加而變大，同理，在蘭勃特坐標(biāo)系向WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)，兩點(diǎn)距離也會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而形成設(shè)計(jì)方案的圖像在載入Google Earth平面后發(fā)生變形。公路與鐵路設(shè)計(jì)長(zhǎng)度通常較大，為減少圖形變形的影響，在轉(zhuǎn)換時(shí)，可以把設(shè)計(jì)方案沿軸線進(jìn)行裁剪，分段載入Google Earth。根據(jù)具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合精度分析數(shù)據(jù)(表1)，以軸線長(zhǎng)度10 km為最佳，。

圖3　在手機(jī)中載入KML后的Google Earth平面

我們不能選擇民用GPS的精度，同時(shí)，航拍照片拼接的精度也只能靠開發(fā)者來改善，因此，為了達(dá)到滿足工程技術(shù)人員使用的需要，宜采用多個(gè)實(shí)物對(duì)比并修正的方式來提高設(shè)計(jì)方案位置與Goole Earth平面的吻合度。例如，設(shè)計(jì)圖中有多個(gè)現(xiàn)存建筑物位置，可以把道路設(shè)計(jì)圖與建筑物位置圖一并載入到Goole Earth平面中，對(duì)比蘭勃特坐標(biāo)系下的建筑物位置，與Goole Earth平面中建筑物的位置進(jìn)行對(duì)比并量取偏移的距離、方向與軸線偏移角度，返回KML文件的制作步驟進(jìn)行修正，即可獲取一個(gè)全新并能與Goole Earth平面吻合較好的KML文件。

表1　精度分析表

4結(jié)語與展望

通過借助坐標(biāo)數(shù)據(jù)換算、設(shè)計(jì)方案載入Google Earth及后期修正等手段，我們實(shí)現(xiàn)了最初的假想，即道路設(shè)計(jì)方案在移動(dòng)設(shè)備終端Google Earth平臺(tái)的載入，使得我們的工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)僅需攜帶智能通訊工具(如手機(jī)、平板電腦)，既可查看自身在擬建工程中的具體位置，又可通過Google Earth強(qiáng)大的遙感圖像信息量查看擬建工程周圍的交通、占地情況及地形地貌等信息，從而大大提高了現(xiàn)場(chǎng)勘查的效率。

盡管我們采取了多種修正手段，滿足了工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)的基本精度要求，但是，該方案還有很多方面有待于提高，例如，遙感圖形的清晰度有待于提高，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)；民用GPS誤差還比較大，特別是在林區(qū)，信號(hào)差時(shí)。伴隨著工程技術(shù)人員對(duì)設(shè)備便利性及精確度的強(qiáng)烈需求，筆者堅(jiān)信將會(huì)有越來越多的硬件和軟件開發(fā)商參與到其中，生產(chǎn)出同時(shí)具備更高GPS精度、更強(qiáng)移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)、攜帶Google Earth平臺(tái)并便于設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)互換的工程智能設(shè)備，從而更好地服務(wù)于工程建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅全華，鄧加娜，余代俊.Lambert投影在線路測(cè)量中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2007，14(3):22-25.

收稿日期:2016-04-06

中圖分類號(hào):TV51;TV52;TV522

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1001-2184(2016)03-0046-04

作者簡(jiǎn)介:

宋建威(1986-)，男,河南周口人，工程師，學(xué)士，從事水電站、海外公路與鐵路工程施工技術(shù)與管理工作；

李科(1984-)，男，河南濟(jì)源人，工程師，學(xué)士，從事海外公路與鐵路工程施工技術(shù)與管理工作；

劉琪(1985-)，男，陜西西安人，工程師，從事水電站、海外公路與鐵路工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)