張 帥

（1.中工武大設(shè)計研究有限公司 湖北 武漢 430070）

鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉(zhuǎn)換方法

張 帥1

（1.中工武大設(shè)計研究有限公司 湖北 武漢 430070）

基于ObjectARX技術(shù)，結(jié)合拉美某國鐵路項目，研究了ACAD線路數(shù)據(jù)向GE的轉(zhuǎn)換方法，并簡述轉(zhuǎn)換后的GE線路圖在鐵路項目路線設(shè)計和后期巡檢等管理工作中的實際應(yīng)用。

AutoCAD；線性工程 ；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；GoogleEarth ObjectARX

近年來，隨著海外市場的開拓，我國參建項目數(shù)量與日俱增。其中不乏鐵路、公路等線性工程。這類工程大多會遠離城區(qū)，給項目前期設(shè)計與施工巡檢工作在線路導航與定位方面造成極大不便。尤其是路線勘測設(shè)計階段，一般會根據(jù)展繪在衛(wèi)片上的線路圖與實地情況反復比較、修正，直至線路設(shè)計最終完成。

在拉美、非洲等地的大部分國家和地區(qū)，設(shè)計公司習慣將線路圖繪制在ACAD上，然后轉(zhuǎn)換成KML格式文件，導入手機GE進行實地導航和踏勘選線工作。由于手機等智能設(shè)備攜帶方便，又能滿足前期踏勘和后期巡檢的精度要求，因而在這些國家和地區(qū)開展線路工程管理工作時，ACAD線路數(shù)據(jù)向GE轉(zhuǎn)換顯得尤為重要。

1 線路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的基本流程

設(shè)計公司在選線階段，先進行紙上定線，結(jié)合現(xiàn)場踏勘確定線路交點，再結(jié)合線路的速度（或最小曲線半徑）、最短緩和曲線長度、周邊自然環(huán)境及城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村規(guī)劃等計算出圓曲線和緩和曲線位置。在鐵路線路成果文件中，一般包括平曲線參數(shù)表、豎曲線參數(shù)表和超高數(shù)據(jù)表。按照拉美一帶的習慣，先根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中繪制出各段直線段、圓曲線和緩和曲線，并連成一個多線段，再根據(jù)對項目里程精度的需要，間隔一定距離讀取該里程點位的坐標（X，Y），此點位為大地坐標（B，L）投影后的數(shù)據(jù)。在拉美地區(qū)，多采用WGS-84投影橢球，投影方式為通用橫軸墨卡托投影（UTM）。根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型反算出大地坐標的經(jīng)緯度（B，L），再按照GE線路文件KML格式進行存儲后即可導入手機GE使用，為踏勘與巡檢提供導航與定位服務(wù)。以上流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用總體流程圖

2 線路圖形在ACAD中的繪制

設(shè)計公司提供的平曲線參數(shù)表一般包括交點坐標、主點里程、轉(zhuǎn)角、曲線半徑和緩和曲線長度等，不能根據(jù)任意里程來取得坐標，尤其是整樁號，能夠為現(xiàn)場踏勘和后期巡檢起到有效的定位作用。因而須根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中展繪交點并依次連接成線段。直線段和圓曲線較為簡單，而緩和曲線類型眾多，計算復雜，拉美地區(qū)一般采用回旋線擬合，點位沿緩和曲線至直緩點的長度與坐標的關(guān)系經(jīng)冪級數(shù)展開后，如式（1）[1]：

式中C=R·l0。需要說明的是，南美、非洲等地的鐵路速度基本在160 km/h以下，緩和曲線類型多采用回旋線。而我國鐵路工程線路設(shè)計一般采用三次拋物線[2]，公路工程才采用回旋線[3]。其中三次拋物線經(jīng)展開后是一個非線性方程，需要在計算機中進行迭代來完成[4]。

經(jīng)過在ACAD中的展繪，可在交點附近得到一組組直線段、緩和曲線和圓曲線。再使用ACAD命令“JOIN”連接這些線合成多線段。除了使用ACAD繪制外，還可以采用Civil 3D等專業(yè)軟件快速完成線路文件的設(shè)計。

3 投影類型簡述和UTM投影計算

ACAD中線路圖形的點位表達方式均采用經(jīng)過地球橢球投影后的坐標系統(tǒng)，不能直接使用在KML文件中，需要根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型進行反算。

常見的地球橢球有Krassovsky 1948（1954年北京坐系），IAG 75（1980西安坐標系）和WGS-84等，投影類型有Gauss-Krüger投影、UTM投影和Lambert等角投影。其中WGS-84協(xié)議地球參考系是美國國防部為適應(yīng)全球地圖編制和空間技術(shù)發(fā)展需要而建立的世界大地坐標系，也是全球定位系統(tǒng)GPS采用的參考構(gòu)架。UTM投影是美國編制世界各地軍用地圖和地球資源衛(wèi)星像片采用的投影系統(tǒng)。鑒于此，WGS-84橢球和UTM投影在大地測量方面具備不可比擬的通用、普適和簡便等特點，也是拉美、非洲等地最常使用的坐標基準。

海外工程的實施應(yīng)考慮和當?shù)刈鴺讼档目刂凭W(wǎng)聯(lián)測，因而，應(yīng)該熟悉掌握UTM投影的計算公式[5]：

UTM投影在中央子午線上存在投影長度比0.999 6的變形，而離中央經(jīng)線左右約180 km 處有兩條長度比為1的割線，在該割線上邊長沒有變形，離這兩條割線愈遠邊長變形愈大。在這兩條割線之內(nèi)，邊長經(jīng)投影后長度縮小，即長度變形為負值，最小為-0.000 4；兩條割線之外，邊長經(jīng)投影后長度放大，即長度變形為正值，最大為0.000 98（B=0）。由于變形的復雜性和不確定性，所以投影計算時應(yīng)盡量提高精度，避免誤差在經(jīng)過多次正反算迭代后變形超過允許范圍。美國大地測量專家Karney在2010年通過增加冪級數(shù)展開項的方法將UTM投影計算提高到幾個納米等級的精度[6]，避免了工程測量中出現(xiàn)以上問題。

4 使用ObjectARX技術(shù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

盡管ACAD繪圖設(shè)計功能強大，但并不支持對線路圖形的整樁里程點坐標讀取、相應(yīng)UTM反算投影和KML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對其進行功能上的訂制再利用，稱為ACAD二次開發(fā)。

二次開發(fā)常見的編程語言有C/C++、C#、AutoLISP、VBA等，其中C/C++為編譯性語言，對于大數(shù)據(jù)的處理效率較高，ObjectARX即C/C++針對ACAD進行二次開發(fā)封裝的SDK。

基于ObjectARX技術(shù)，AcdbPolyline:getPointAtDist可以讀取ACAD線路圖形任意里程的坐標。反算過程可采用Karney編寫的成熟C++庫 GeographicLib[7]，經(jīng)驗算，完全可以達到幾個納米級精度。

經(jīng)過（B，L）=F（X，Y）投影反算后，大地經(jīng)緯度（B，L）即可按照KML格式標準寫入文件[8]。

實際上，GE提供了KMZ和KML兩種文件存儲格式，前者是后者的壓縮形式，因而只需研究KML格式。KML 是一種 XML 描述語言，為文本文件，可直接進行編輯，也可通過代碼實現(xiàn)地標文件內(nèi)部信息的讀取和寫入。其中常見的標簽如下：

由于KML采用簡單的XML結(jié)構(gòu)，可使用XML庫Tinyxml等寫入KML文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的偽代碼表示如下：

int ConvertToKml_Line（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔1 m讀取ACAD線路坐標點（X1m,Y1m）

//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為（B1m，L1m）

//將（B1m，L1m）寫入線路KML文件直至線路結(jié)尾}

int ConvertToKml_Dot（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔整樁(按100 m)讀取ACAD線路坐標點（X100m,Y100m）

//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為（B100m，L100m）

//將（B100m，L100m）寫入整樁點位KML文件直至線路結(jié)尾}

根據(jù)以上原理，編程生成KML文件導入手機GE進行定位導航，效果如圖2～3。

圖2 轉(zhuǎn)換后整體效果圖

圖3 應(yīng)用時局部導航圖

5 鐵路工程中GE線路文件的應(yīng)用

在南美、非洲等地，由于線路工程路線勘測設(shè)計階段缺乏航拍數(shù)據(jù)，項目設(shè)計人員經(jīng)常結(jié)合GE中的衛(wèi)片進行“紙上定線”。在無法獲得精確信息時，將轉(zhuǎn)換完成的KML文件導入手持智能設(shè)備，用GE或同類軟件打開進行實地導航與定位，為項目前期線路設(shè)計人員的踏勘、選線提供了極大便利，也為后期項目管理過程中巡檢人員的質(zhì)量、安全檢查提供了簡便有效的定位手段。

結(jié)合上述方法，南美某國鐵路項目設(shè)計人員、施工管理人員大大提高了工作效率。在2014～2015年度，我國多次在南美地區(qū)提出“兩洋鐵路”（連接大西洋太平洋）概念，部分國家和地區(qū)在我國企業(yè)主導或參與下已啟動了可行性研究工作。隨著這條鐵路各項工作的深入開展，尤其在線路勘測設(shè)計階段，這種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換利用將更加頻繁。

[1] AutoDesk,Inc AutoCAD Civil 3D 用戶手冊 緩和曲線定義 [EB/OL]. [2015-10-31].http://docs.autodesk.com/ CIV3D/2013/CHS/ index.html?url=filesCUG/GUID-581518E0-DE06-482E-840C-B997C3590489.htm,topicNumber= CUGd30e185916

[2] GB50090-2006.鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG-D20-2006. 公路路線設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 余時民,庹立新.三次拋物線測設(shè)高速鐵路曲線[J].高速鐵路技術(shù),2010(S1):18-24

[5] 李國義,姚楚光.UTM投影及其變形分析[J].理空間信息,2013,11(6):80-83

[6] KARNEY CFF.Transverse Mercator with an Accuracy of a Few Nanometers[J].Journal of Geodesy,August 2011,85(8):475-485

[7] KARNEY C.GeographicLib[EB/OL].(2010-02-08)[2015-07-30].http://Geographiclib.Sourceforge.net/

[8] 開放地理信息聯(lián)盟(OGC)KML.白皮書[EB/OL].[2015-08-04].http://Docs.Opengeospatial.org/is/12-007r2/12-007r2.html

P208

B

1672-4623（2016）10-0101-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.032

張帥，工程師，研究方向為工程測量、大地測量及其在大型項目管理中的技術(shù)質(zhì)量控制。

2016-01-06。