潘國兵，李靈愛，李華蓉，梅君濤3，王　萌

（1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，重慶400074；2.公路地質(zhì)災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗室，湖南長沙410114；3.四川省廣元市青川縣竹園鎮(zhèn)人民政府黨政辦，四川廣元628100）

工程投影面智能化優(yōu)選軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

潘國兵1，2，李靈愛1，李華蓉1，梅君濤3，王萌1

（1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，重慶400074；2.公路地質(zhì)
災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗室，湖南長沙410114；3.四川省廣元市青川縣竹園鎮(zhèn)人民政府黨政辦，四川廣元628100）

工程建設(shè)中，投影面和投影帶選取的優(yōu)劣與工程測量控制網(wǎng)及施工放樣精度有著密切關(guān)系。本文結(jié)合Visual Basic編程語言、投影變形約束參數(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，根據(jù)地形、地勢條件復(fù)雜程度不同，通過坐標(biāo)微動調(diào)整投影高程與中央子午線偏離距離、逐點(diǎn)投影、分段投影等方法來確定最優(yōu)抵償投影面，從而對工程投影面投影誤差進(jìn)行改正。工程實(shí)踐應(yīng)用表明，軟件計算成果滿足工程投影精度要求，具備較強(qiáng)的實(shí)用價值。

高斯投影；抵償投影面；程序設(shè)計；工程實(shí)踐

眾所周知，工測控制網(wǎng)不僅應(yīng)作為大比例尺地形圖的控制基礎(chǔ)，還應(yīng)作為各種施工放樣測設(shè)數(shù)據(jù)的依據(jù)。為了便于施工放樣，要求由坐標(biāo)反算得到的邊長與實(shí)地量測的邊長在長度上應(yīng)相等，即要求由“實(shí)量邊長歸算至參考橢球面上的變形”和“橢球面上的邊長歸算至高斯投影面上的變形”兩項變形之和不得大于放樣的精度要求［1］（高速公路道路每千米的長度變形不應(yīng)大于2.5 cm［2］）。而有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測區(qū)平均高程在100 m以下，且橫坐標(biāo)值不大于40 km時，每千米投影變形均不大于2.5 cm，可以滿足大比例尺測圖和工程放樣的精度要求。當(dāng)測區(qū)高程超過160 m以上時，僅“實(shí)量邊長歸算至參考橢球面上的變形”就已經(jīng)達(dá)到每千米2.51 cm的變形值；另外，測區(qū)橫坐標(biāo)在150 km以上時，“橢球面上的邊長歸算至高斯投影面上的變形”也已經(jīng)達(dá)到每千米2.78 cm的變形值，而且這一項變形值是隨著橫坐標(biāo)的二次方在增大，即使兩項的符號相反，能夠抵消部分，但是往往測區(qū)的高程差異比較大，橫坐標(biāo)差異比較小，使得兩項改正不能夠很好地抵消，這就使得工程測量工作不能直接進(jìn)行，必須首先需要對邊長變形進(jìn)行改正［3］。

通過對工程投影面選擇研究現(xiàn)狀的調(diào)研，可知傳統(tǒng)模式主要依賴于建設(shè)者的經(jīng)驗來進(jìn)行投影面的確定，縱然目前投影變形改正理論已日趨成熟，但針對地形條件復(fù)雜、工程跨經(jīng)度范圍較大的區(qū)域，仍存在計算過程復(fù)雜、工作量大、計算效率低、不易滿足整個測區(qū)投影變形精度要求等問題。因此，有必要通過對工程投影變形理論的研究和公式的梳理，對投影變形改正進(jìn)行系統(tǒng)的分析，利用Visual Basic編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在測區(qū)控制點(diǎn)初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入的基礎(chǔ)上，通過選擇公路等級要求確定投影的精度，由軟件智能化選擇滿足相應(yīng)精度要求的最優(yōu)工程投影面，尤其使高精度工程建設(shè)及復(fù)雜地形區(qū)域的投影面選擇更為快速和可靠。

一、抵償投影面算法分析

軟件設(shè)計的目的旨在將導(dǎo)入數(shù)據(jù)通過自動化計算和處理，結(jié)合測區(qū)特點(diǎn)，并根據(jù)國家投影變形相關(guān)限制規(guī)范要求，智能化優(yōu)選出測區(qū)最佳抵償投影面。數(shù)據(jù)有效信息的提取是執(zhí)行以上工作的必要前提，因此，首先針對投影面確定的必要程序算法進(jìn)行分析，并總結(jié)出軟件設(shè)計中投影分析需要注意的幾個關(guān)鍵點(diǎn):

1）單一投影:正反算相結(jié)合。正算時，在求得最佳抵償投影面高程預(yù)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)點(diǎn)位橫坐標(biāo)Y值計算綜合變形值，再比對規(guī)范精度要求，統(tǒng)計變形合格率；反算時，利用測區(qū)點(diǎn)位平均高程求得測區(qū)中央子午線偏移量y0，同樣求得綜合變形值得到統(tǒng)計變形合格率；進(jìn)而通過坐標(biāo)微動的方式，使變形合格率往100%的方向靠近，只有當(dāng)合格率為100%時表明此時的計算結(jié)果滿足相關(guān)等級的工程投影的精度要求［4］。

2）逐點(diǎn)投影:在簡單投影不能選擇出最佳抵償面的情況下，通過由程序自動改變抵償高程和中央子午線移動量，并依序逐點(diǎn)匹配，當(dāng)合格率為100%時，此時的抵償高程和中央子午線為滿足投影變形的投影面。

3）分段投影:針對地形條件較為復(fù)雜或跨經(jīng)度范圍較大的測區(qū)，由于整個測區(qū)不能得到統(tǒng)一的最佳抵償投影面，因此，在測區(qū)點(diǎn)位信息依序排列的基礎(chǔ)上，通過程序?qū)y區(qū)橫坐標(biāo)y與對應(yīng)高程h展繪于二維平面上，根據(jù)二維圖形將測區(qū)進(jìn)行分段，并分別投影，使得每段所得抵償高程和中央子午線所構(gòu)成的抵償投影面均能滿足工程精度要求。

二、軟體設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.設(shè)計思路

軟件設(shè)計流程如圖1所示。

2.模塊設(shè)計

為便于程序設(shè)計，在軟件流程梳理的基礎(chǔ)上，針對程序內(nèi)部算法的復(fù)雜性，將程序功能及操作進(jìn)行模塊化。為此，筆者共設(shè)置包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及成果檢核模塊在內(nèi)的13個模塊進(jìn)行軟件構(gòu)建，軟件功能界面如圖2所示。鑒于篇幅限制，以下僅對重點(diǎn)模塊進(jìn)行簡要介紹。

圖1　軟件設(shè)計流程

圖2　軟件功能界面

（1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊

1）原始數(shù)據(jù)讀取:錄入存儲于計算機(jī)任一根目錄下的原始數(shù)據(jù)文件（TXT或DAT格式文件均可），提取包含橫坐標(biāo)Y、縱坐標(biāo)X、點(diǎn)位高程H在內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。

2）有效數(shù)據(jù)讀取:由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中所涉及的兩次投影變形主要受橫坐標(biāo)Y和點(diǎn)位高程H影響，程序計算要求將原始數(shù)據(jù)文件中以上兩者全部數(shù)據(jù)信息展現(xiàn)于主界面，以便與變形值形成參照關(guān)聯(lián)，同時也便于進(jìn)行簡單的人工核驗。

3）高斯投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)需注意國家?guī)柵c橫坐標(biāo)500 km偏移值的改正，數(shù)據(jù)預(yù)處理時得到真值。

執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取并寫入相關(guān)變量是較為重要的過程，讀取順序與測量順序需保持一致，在此基礎(chǔ)上，對原始數(shù)據(jù)附加信息應(yīng)予以刪除。主要代碼參如下［5］:

′導(dǎo)入數(shù)據(jù)

Open CommonDialog1.FileName For Input As#1

ReDim sz（gs1）

i1=0

Do Until EOF（1）

Input#1，z

sz（i1）=z

i1=i1+1

Loop

Close

ds=0

For i=0 To i1-1

If i Mod 5=3 Then

List2.AddItem sz（i）

End If

If i Mod 5=4 Then

List3.AddItem sz（i）

End If

Next

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

1）內(nèi)業(yè)計算子模塊:內(nèi)業(yè)計算的首要過程是通過單一投影來實(shí)現(xiàn)綜合變形最小，關(guān)鍵在于求得較為理想的高差值ΔH。根據(jù)測區(qū)地理條件不同及測區(qū)范圍大小差異，求取測區(qū)點(diǎn)位平均高程值、測區(qū)偏離國家中央子午線距離值、點(diǎn)位變形值及綜合變形值等，最終求得最佳抵償面［6］。主要代碼如下:

′進(jìn)行常規(guī)計算

dH=H0

For i=0 To List3.ListCount-1

h=Hm-dH

dHi=Val（List3.List（i））-h

w=Format（-100000*dHi/R，"0.000"）

List10.List（i）=Format（-100000*dHi/R，"0.000"）

′上面是計算w

v=Format（0.5*100000*Val（List2.List（i））*Val （List2.List（i））/（R*R），"0.000"）

List5.List（i）=Format（0.5*100000*Val（List2.List （i））*Val（List2.List（i））/（R*R），"0.000"）

List6.List（i）=Format（w+v，"0.000"）

Next

Text9.Text=Hm-dH

Text7.Text=Text9.Text

Text8.Text=0

Text10.Text=0

2）檢核子模塊:根據(jù)控制網(wǎng)等級要求，對內(nèi)業(yè)計算所得綜合投影變形值進(jìn)行逐點(diǎn)精度檢核，并對未能滿足精度要求的點(diǎn)位予以提示。進(jìn)而根據(jù)點(diǎn)位達(dá)標(biāo)比例，評估所選投影面的優(yōu)劣，并將點(diǎn)位合格率在主界面通過色彩區(qū)分的方式呈現(xiàn)。若抵償面未能滿足要求，則由內(nèi)業(yè)計算選用更為恰當(dāng)投影方式并再作相關(guān)運(yùn)算，使選擇結(jié)果能夠最佳。主要代碼如下:

′檢測超限

If Val（Text6.Text）=0 Then

MsgBox"請先選擇等級"，vbOKOnly，"提示"

Exit Sub

End If

bhg=0

For i=0 To List6.ListCount-1

If Abs（Val（List6.List（i）））〉Val（Text6.Text）Then

p=p&Space（3）&（i+1）

t=t&Space（3）&List6.List（i）

bhg=bhg+1 ′計算出不合格的點(diǎn)數(shù)

End If

Next

hg=ds-bhg ′計算出合格的點(diǎn)數(shù)

bfb=Format（hg/ds，"0.000"）*100

Text12.Text=bfb

If p=""Then

MsgBox"沒有超限"，vbOKOnly，"檢查結(jié)果"

Else

MsgBox"超出精度范圍的是"&"第"&p&"個點(diǎn)"& Chr（13）&"兩次投影綜合變形為"&t，vbOKOnly，"檢查結(jié)果"

3）模型修正子模塊:通過抵償投影高程面微調(diào)和中央子午線微調(diào)的方式，在單一方法計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行微量改變，逐步調(diào)整和檢查綜合投影變形值，使其達(dá)到最小或符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求［7］。主要代碼如下:

′微動縱坐標(biāo)h

hh=VScroll1.Value

For i=0 To ds-1

dHi=Val（List3.List（i））-h

w=Format（-100000*dHi/R，"0.000"）

List10.List（i）=Format（-100000*dHi/R，"0.000"）

′上面是計算w的值，下面是計算v的值

Dim dYi As Double′每一點(diǎn)的偏移量

dYi=Val（List2.List（i））+dy

v=Format（0.5*100000*dYi*dYi/（R*R），"0.000"）

List5.List（i）=Format（0.5*100000*dYi*dYi/（R* R），"0.000"）

List6.List（i）=Format（w+v，"0.000"）

Next′微動橫坐標(biāo)y

y=HScroll1.Value

For i=0 To ds-1

dYi=Val（List2.List（i））+dy

v=Format（0.5*100000*dYi*dYi/（R*R），"0.000"）

List5.List（i）=Format（0.5*100000*dYi*dYi/（R* R），"0.000"）

′上面是計算v的值，下面是計算w的值

dXi=Val（List3.List（i））-h

w=Format（-dXi*100000/R，"0.000"）

List10.List（i）=Format（-dXi*100000/R，"0.000"）

List6.List（i）=Format（w+v，"0.000"）

三、系統(tǒng)工程實(shí)踐應(yīng)用

本文以實(shí)際工程項目為測試對象，分別選取地勢條件各異的兩個測區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件功能測試，較為直觀地對軟件實(shí)踐應(yīng)用的有效性和可靠性予以驗證。

1.地勢平緩區(qū)域投影面優(yōu)選

從TXT數(shù)據(jù)文件（如圖3所示）中將原始數(shù)據(jù)加載至軟件數(shù)據(jù)處理模塊中。由于該測區(qū)地形起伏程度及測區(qū)范圍均較小，故對原始數(shù)據(jù)分別采用改變抵償面及移動中央子午線的簡單投影即能求得最佳抵償投影面［8］，軟件界面顯示為點(diǎn)位數(shù)據(jù)綜合變形值精度合格率為100%。如圖4、圖5所示。

圖3　測區(qū)I原始數(shù)據(jù)文件

圖4　測區(qū)I改變抵償面投影結(jié)果

2.復(fù)雜地形投影面優(yōu)選

針對實(shí)際工程項目，其中不乏地形條件復(fù)雜、東西跨度較大的測區(qū)最佳抵償投影面的選擇［9］。此類情況下，單一投影方式難以滿足測區(qū)綜合投影變形限制要求，進(jìn)而需要采用其他投影方式［10］。如圖6所示，以高程差異較大的公路工程項目為例進(jìn)行說明。

分別采用上述兩種單一投影，求得測區(qū)II點(diǎn)位綜合變形合格率為45%和32%，未能達(dá)到公路控制等級要求，在此基礎(chǔ)上，采用坐標(biāo)微動和逐點(diǎn)投影的方式，使得合格率有所提升，達(dá)到60%和58%（如圖7、圖8所示），仍未能確定出符合投影精度要求的最佳抵償投影面［11］。鑒于此，程序選用分段投影方式，將測區(qū)點(diǎn)位原始數(shù)據(jù)按照橫坐標(biāo)Y依序進(jìn)行排列［12］，展繪高程二維圖（如圖9所示），據(jù)此二維圖進(jìn)行分段投影，求得綜合變形合格率100%的最佳抵償面，如圖10所示。

圖5　測區(qū)I移動中央子午線投影結(jié)果

圖6　測區(qū)II原始數(shù)據(jù)文件

圖7　坐標(biāo)微動合格率

圖8　逐點(diǎn)投影合格率

圖9　測區(qū)II高程二維圖

四、結(jié)束語

工程建設(shè)中，投影面和投影帶選取的優(yōu)劣與工程測量控制網(wǎng)及施工放樣精度有著密切關(guān)系，筆者結(jié)合Visual Basic編程語言、投影變形約束參數(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，根據(jù)地形、地勢條件復(fù)雜程度的不同，通過坐標(biāo)微動調(diào)整投影，其選擇結(jié)果是工程建設(shè)順利與否的先決條件。筆者自行開發(fā)的工程投影面智能化優(yōu)選軟件便于操作，其具備處理效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢。針對不同地形條件及測區(qū)范圍，操作者結(jié)合工程項目要求，即能優(yōu)選出最佳抵償投影面，驗證了其有效性。尤其針對地形條件復(fù)雜的大型測區(qū)，采用高程二維圖展繪與分段投影相結(jié)合的方法，所求得的抵償面準(zhǔn)確可靠。在后續(xù)軟件開發(fā)中，將推動軟件功能朝向一鍵式操作發(fā)展。

圖10　分段投影最佳抵償面

［1］ 范一中，王繼剛，趙麗華.抵償投影面的最佳選取問題［J］.測繪通報，2000（2）:20-21.

［2］ 孔祥元，郭際明.控制測量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2010.

［3］ 袁鋼，方向明.山區(qū)路線勘測中不同投影面間的坐標(biāo)簡易換算方法［J］.測繪通報，2012（4）:58-60.

［4］ 國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范:GB/T 12898—2009［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［5］ 龔沛曾.Visual Basic程序設(shè)計簡明教程［M］.北京:高等教育出版社.2002.

［6］ 吳嘯龍，楊志強(qiáng)，白亞偉.一種粒子群算法求解最優(yōu)抵償投影面的方法［J］.測繪科學(xué)，2015，40（2）:142-145.

［7］ 李祖鋒，高建軍，繆志選，等.利用最優(yōu)抵償投影面算法限制GPS邊長投影變形［J］.測繪工程，2010，19 （1）:75-77.

［8］ 銀志敏，王軍，馬全明，等.城市軌道交通工程平面控制測量坐標(biāo)系統(tǒng)投影面轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究［J］.測繪通報，2015（5）:109-112.

［9］ 陶偉，孫麗娜.大面積測量作業(yè)投影面與投影帶的選擇［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（8）.

［10］ 陳順寶，任建春，亓月，等.抵償任意帶高斯投影平面坐標(biāo)系選擇的研究［J］.測繪通報，2005（7）:21-23.

［11］ 白建軍，宋偉東，馬維若.高速公路平面控制測量中投影問題的分析［J］.測繪科學(xué)，2006，31（4）:133-134.

［12］ 王繼剛，王堅，于先文.具有抵償面的任意帶高斯投影直角坐標(biāo)系的選取方法［J］.測繪通報，2002（11）:31-32.

《時空大數(shù)據(jù)的技術(shù)與方法》內(nèi)容簡介

本書作者邊馥苓為武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國際軟件學(xué)院空間信息與數(shù)字工程研究中心主任。

本書在對時空信息和大數(shù)據(jù)相關(guān)概念認(rèn)識的基礎(chǔ)上，描述了大數(shù)據(jù)應(yīng)用于時空信息處理方面所需的軟硬件平臺，分析了時空大數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)時空數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)存儲的區(qū)別，探討了時空大數(shù)據(jù)分析對測繪學(xué)科的貢獻(xiàn)，提出了時空大數(shù)據(jù)快速計算的方法，并探索了時空大數(shù)據(jù)及其處理技術(shù)存在問題的解決方法和未來的發(fā)展方向。本書沿著時空大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的主線，從時空信息與大數(shù)據(jù)兩個方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)組織，內(nèi)容緊跟學(xué)術(shù)研究前沿，具有一定的前瞻性。

本書不僅可以作為空間信息與數(shù)字工程、計算機(jī)、測繪和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域科技工作者的參考書，還可以作為研究生課程的專業(yè)教材。

本書定價43.00元，16開本，158頁，2016年5月由測繪出版社出版。

Design and Implementation of Intelligent Optimization Software for Engineering Projection Plane

PAN Guobing，LI Lingai，LI Huarong，MEI Juntao，WANG Meng

10.13474/j.cnki.11-2246. 2016.0223.

P208

B

0494-0911（2016）07-0055-06

2016-01-29

公路地質(zhì)災(zāi)變預(yù)警空間信息技術(shù)湖南省工程實(shí)驗室開放基金（長沙理工大學(xué)）（kfj50604）；重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室開放基金（LHSYS-2016-011）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項目（CYS14157）；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項目

潘國兵（1976—），男，博士，副教授，主要從事工程測量等科研方面的工作。E-mail:498805741@qq.com

引文格式：潘國兵，李靈愛，李華蓉，等.工程投影面智能化優(yōu)選軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪通報，2016（7）:55-60.