面向交通土建工程的網絡化移動勘測辦公系統

樂亞南，楊建中，張獻州，黃惠峰，產光杰，莫 春

(1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031;2.滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇 南京 210042)

面向交通土建工程的網絡化移動勘測辦公系統

樂亞南1，楊建中2，張獻州1，黃惠峰1，產光杰2，莫 春1

(1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031;2.滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇 南京 210042)

現今的交通土建類大型工程項目數據繁冗復雜。傳統的數據處理方式速度慢、精度低，已不能滿足大型工程管理的需要。GeoNMOS軟件可彌補在大型工程項目中數據處理方面的不足。文中提出網絡化移動勘測辦公系統的設計理念，著重分析GeoNMOS各個模塊的特點及其主要功能。

GeoNMOS；數據處理；數據采集；控制網；預測評估

隨著國內外鐵路、公路、橋梁、隧道等大型工程項目的實施，現有工程項目呈現：工程量大、數據繁冗復雜、數據精度要求高、干擾因素多、參與單位多、質量控制及規范化、標準化管理難度大等特點，對工程的質量和工期都提出更高要求。特別是在我國西部交通不便利地區，傳統公路和鐵路仍不能滿足生活和生產建設需要；在沿海發達地區高速鐵路的興建，也促使線路工程需要一個高效、高質量的集數據采集、內業解算、數據管理、分析及實時變形監測于一體的管理系統，以保證海量數據的分類歸檔存儲和建立內部聯系。

測繪軟件種類繁多且功能相對獨立，一般的平差處理軟件能較好地進行平差計算[1]卻不具備數據管理功能，而大部分數據庫存儲系統能對數據分類管理卻無法進行相關測繪工作。針對現今交通土建工程這一特點，西南交通大學測量系歷經十年自主研發了基于PDA/Server硬件系統和Network/Datebase軟件技術[2]的網絡化移動勘測辦公系統(GeoNMOS)。該系統是一種面向交通土建工程的實現測量內外業一體化的勘測辦公軟件，已成功應用到工程項目中，目前升級到V2.1.1版本。

1 系統總體功能結構

本系統可應用于交通工程勘測設計、施工，運營管理階段的外業數據采集、內業數據解算、控制網數據管理、沉降預測評估、變形預測評估分析等環節。系統總體功能結構如圖1所示。

2 模塊功能介紹

2.1 數據采集

數據采集負責對外業全站儀、電子水準儀、GPS測量數據進行記錄和處理，并在處理時檢查各項限差是否滿足要求。其主要由線路數據采集、常規測量數據采集、橢球投影與坐標轉換3部分組成。

1)線路數據采集。由于線路工程施工線路長，工作量很大，如果采用原始的方法進行測量，則需要人工記錄并計算，耗費大量的人力、物力，且由于數據流轉過程繁雜，人為干擾因素比較多，很難保證測量精度和數據質量。

數據采集模塊針對各類全站儀的通用PDA采集軟件，PDA采集的數據可以通過有線網、GPRS或無線網與GeoNMOS系統連接進行數據的傳輸，在網絡化移動勘測辦公系統中與之配套的內業處理程序查看外業采集的數據[3]，并將數據按用戶的需要導出成文本文檔或電子表格等形式，再用相同傳輸方式將超限數據傳回PDA中，真正實現內外業一體化，減少數據流轉環節，保證數據的精度和質量，更高效地完成工作，減少人工勞動量。同時，利用PDA外業采集功能時，可以設置相應限差，及時發現問題，減少返工。

線路數據采集支持鐵路、公路等各種曲線方程，并基于該曲線的應用服務(例如，三維放樣、橫斷面采集、斜交斷面采集、鐵路既有線測量)。

2)常規測量數據采集。外業測量大多采用人工記錄及處理，經常出現司鏡者與記錄者間的人工錯誤，由于全站儀及計算機的使用，GeoNMOS使外業數據采集的自動記錄有了基礎平臺，可以直接自動形成電子文檔資料并可以被后續專業軟件所采用，與其他各專業緊密結合。常規測量數據采集具有導線測量、水準數據采集、地形點采集等功能。

3)橢球投影與坐標轉換。兼顧用戶使用的各種轉換方法，適應任意中央子午線投影面坐標變換，對坐標進行換算[4]。針對WGS-84坐標系、1954北京坐標系、1980西安坐標系和國家2000坐標系所對應的橢球構造工程橢球，長半軸a的增量取值分別對應測區高程補償法、法線方向增長法、平均曲率半徑法，轉換模型分別采用空間直角坐標過渡法、緯度增量法、長半軸補償法，進行不同坐標系統下坐標轉換，有效增強數據共享率，提高工作效率，將經坐標轉換后的數據生成文本文檔、Excel文件。

橢球投影與坐標轉換主要功能：高斯投影、蘭勃特投影、UTM投影、EGM地球重力場模型計算、高程擬合、地面長度歸算、大地坐標主題元素解算、正常水準面不平行、三維坐標轉換、二維坐標轉換。

2.2 控制網平差與優化設計

控制網平差與優化設計模塊主要包括控制網的優化設計、平面網數據處理、高程網數據處理、GPS網數據處理等功能。

1)控制網優化設計，需在工程建設建立控制網的基礎上[5]。由于控制網在布網時，會受到地理環境的影響和精度要求，因此在控制網設計階段有必要先對控制網進行優化設計，從而提高工作效率、減少經濟支出、提高精度，見圖2。

GeoNMOS軟件中的控制網優化部分可以對導入的數據自動進行平差，計算出原始觀測方案的測角中誤差與測距中誤差以及觀測值的可靠性指標——多余觀測分量。再輸入目標方案對于多余觀測分量平均值的要求(較小值)，即可剔除具有較大多余觀測分量的觀測值，以達到目標要求。該部分主要具有分帶輔助設計、一般控制網優化設計、橋梁的特殊結構網優化設計、隧道貫通誤差計算等功能。

2)控制網平差。控制網平差模塊可解算工程中常見的各種控制網，并進行平差[6]；其解算的速度快、參數設置詳細、精度高、操作簡便、報表詳細可靠、節省時間和費用；該模塊將兩種不同觀測手段的數據一起進行聯合平差，保證數據的準確性。在GPS網平差中，只需將測得的WGS-84坐標系下的坐標轉換為所需要的工程橢球高斯坐標[7-8]，設置不同的GPS平差參數即可。且GPS網平差可以統計同步環和獨立環閉合差。

同時，該平差模塊還有一些人性化功能，例如，生成科傻需要的觀測數據文件格式.in1.in2格式，輸出觀測手薄，輸出平差報告顯示操作界面且保存于工程文件夾下，為以后查看、調用文件提供方便。該模塊主要功能：高程網平差、平面網平差、GPS網平差、聯合平差、生成平差文件、約束網平差、閉合環計算。

2.3 控制網數據管理與分析

在大型工程中，由于數據量大、數據冗長，造成管理難度大，而傳統的做法是數據處理完成后，再將數據存儲到第三方軟件中，往往第三方軟件卻不能進行相關的測繪工作。GeoNMOS軟件中的控制網數據管理與分析模塊彌補了這一缺點，它包含可視化數據管理與分析、控制網復測精度分析功能，滿足大型工程需求。

控制網數據管理與分析模塊主要具有本地或服務器模式、可視化數據管理與分析、控制網復測精度分析等功能。控制網數據管理與分析模塊使用本地模式和服務器模式兩種方式對采集的外業數據和解算的內業數據進行統一管理，可以對多期的數據進行分析。

如果用戶不建立服務器數據，則可以使用本地化模式。本地化模式采用數據庫文件(*.FDB)進行工程數據管理，也無需進行用戶驗證。

服務器登錄模式：鏈接網絡數據庫數據源或本地數據庫數據源，需要進行用戶權限認證。登錄前，需要輸入用戶名、密碼、服務器IP、服務器端口。

該模塊實現數據管理的可視化，用戶可以直接查看工程項目中的數據，并可以對其進行數據分析。控制網復測精度分析功能則是檢驗控制網穩定性的重要方法。

2.4 高鐵沉降預測評估

針對高鐵的沉降觀測，GeoNMOS包含完整的數據質量控制與處理模塊，并能得出高精度的預測與評估，為工程提供沉降項目管理、沉降數據質量檢查、帶工況的平差處理、成果輸出、沉降預測與分析、異常數據分析、區段沉降數據管理、沉降區段圖繪制、沉降預測評估、基準點修正、梁體徐變計算等多項功能。該模塊還可適用于其他大型工程的沉降觀測數據處理、管理、分析。

該模塊是基于多層分布式應用架構開發，采用組件化設計與模塊化集成構建系統，使系統結構部署方便靈活[9]；采用網絡數據庫管理系統進行海量沉降監測數據管理，支持千萬級記錄存儲、檢索與管理，實現內容動態分類歸檔與網絡化沉降信息存儲管理、結構化與非結構化測繪數據一體化管理模型，是國內首個沉降觀測數據質量控制、平差處理、信息管理、評估分析一體化集成系統。

在數據處理時，可按規范設置各項限差，同時輸入已知數據，在導入觀測數據后進行各項限差計算，同時提示是否滿足限差的要求，保證外業的觀測質量。

沉降預測分析時，采用數學模型對沉降觀測數據進行擬合分析，可實現單點、多點或整區段沉降預測計算，沉降圖可視化、成果輸出等。沉降預測流程如圖3所示。

圖3 沉降預測流程

2.5 變形預測評估

變形預測評估模塊具有變形監測數據處理與入庫、預測評估、工程構筑物三維建模、模糊綜合評估、可視化分析等功能。

該模塊實現4種預測模型：時間序列ARMA預測模型、灰色系統GM(1,1)預測模型、BP神經網絡預測模型、卡爾曼濾波預測模型[9-10]。用戶可根據工程需要選擇適合的模型進行預測，如圖4所示。

模塊中有單點和全部兩種預測方式。該模塊將全部預測數據每個點都進行預測并生成報告，對于一些應用全部預測方法預測不到的點可進行單點預測，從而保障預測點的全面性；可視化分析包括正射投影、透視投影、漫游和空間查詢功能；工程評估包括分段變形形態定量分析(CSA)、層次分析估計權重(AHP)、疊置分析-模糊綜合評估(FCE)、整體綜合評估分析(TAE)功能，在工程分析功能中，用AHP方法來分析估計權重，可計算出各監測子項目的權重比，可以根據其權重比對工程進行評估；該模塊可進行三維建模并對生成的三維模型結果進行動畫錄制與制作。

變形預測評估模塊與測量機器人、網絡技術相結合，形成由測量機器人、測量控制裝置、數據通信裝置及數據自動處理軟件構成的變形監測系統，在變形監測網的布設、三維建模、工程評估、變形預測等方面給出解決方案。

圖4 變形預測評估模塊

3 系統特點

1)一體化作業。外業工作人員將采集的數據信息通過有線或無線網實時地傳輸到服務器上，通過網絡化移動勘測辦公系統對數據進行處理，系統會自動將合格的數據存入服務器數據庫中進行統一管理，而不合格的數據該系統會以同樣的方式再次傳輸給外業工作人員，提示工作人員對不合格數據進行重新測量或處理。

2)網絡化管理。該系統中的控制網數據管理與分析模塊是在Firebird數據庫的基礎上開發的[11]。該模塊具有本地登錄和服務器登錄兩種模式，且可以相互切換，實現不同數據庫間資源共享。當存儲的數據量較小時，選擇建立本地數據庫，實現小數據管理。當工程項目較大，體系較復雜時，選擇網絡建立數據庫，各單位可以用服務器登錄模式，在網上進行數據查看、上傳、下載等。數據庫網絡化的管理模式既保證數據可以及時共享，又彌補了數據量大、數據冗余的缺點。

3)面向土建工程。GeoNMOS是面向土建工程的一體化軟件。GeoNMOS不僅給出公路、鐵路等線性模型及其計算方法，提供了模擬PDA手簿方便定位放樣；GeoNMOS還為用戶提供沉降數據處理預測分析及變形預測評估等服務，并可自動生成報告、報表，減少工作人員的勞動量。

4 結束語

網絡化移動勘測辦公系統成為將工程測量外業數據匯集到內業處理、管理和預測分析的重要工具。目前，我國采用的外業數據采集和內業解算方式效率低下，不能很好滿足線路工程高效率和高質量的需求。網絡移動勘測辦公外業數據采集、處理及應用不是一個靜態的目標概念，而是一個伴隨社會進步、經濟發展、IT技術前進以及人們認識水平的提高而不斷豐富與完善的概念。隨著我國勘測設計作業中網絡移動勘測辦公進程的發展和計算機運用水平的提高，對于進一步開展基于移動勘測辦公技術、智能全站儀、電子水準儀、GPS及計算機的鐵路勘測設計網絡移動勘測辦公外業數據采集、處理及工程系統的研制工作，還需要更多的人力物力投入。

[1]武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[2]翟正剛,邊召海,李波，等.計算機原理[M].北京：北京理工大學出版社,2010

[3]陳珂,張獻州,楊曦，等.面向服務的網絡化移動勘測辦公系統[J].測繪科學,2014，39(4)：145-148.

[4]鮑建寬,李永利,李秀海.大地坐標轉換模型及其應用[J].測繪工程,2013,22(3):56-60.

[5]張正祿.測量控制網優化設計的可靠性準則法[J].測繪科學,2008,33(02):23-30.

[6]宋力杰.測量平差程序設計[M].北京：國防工業出版社，2009．

[7]劉大杰，施一民，過靜珺.全球定位系統的原理與數據處理[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫局 GB/T 18314-2009全球定位系統(GPS)測量規范[S].北京：中國標準出版社，2009.

[9]明祖濤,游振興,張屆,等.高速鐵路橋隧沉降預測模型的研究[J].測繪通報,2011(08):17-19.

[10]黃聲享,尹暉，蔣旺．變形監測數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2003．

[11]陳瑋.利用Firebird嵌入式數據庫實現軟件保護[J].計算機應用與軟件,2010(10):159-161.

[責任編輯：張德福]

Transportation civil engineering-oriented Geodetic Network Mobile Office System

LE Ya-nan1,YANG Jian-zhong2,ZHANG Xian-zhou1,HUANG Hui-feng1,CHAN Guang-jie2,MO Chun1

(1.School of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Shanghai-Nanjing Intercity Railway Co.,Ltd.,Nanjing 210042,China)

With more large-scale projects of transportation and civil engineering，the data is more and more complex as a burdensome.The traditional way of data processing speed is slow withlow precision，unable to meet the needs of large engineering now.The software of GeoNMOS makes up for the lack of data processing in large-scale projects.A design concept of Geodetic Network Mobile Office System (GeoNMOS) is proposed and each module feature of GeoNMOS with main function is analyzed.

GeoNMOS;the data processing;data acquisition;control network;forecast evaluation

2013-10-19

中央高校基本科研業務費專項資金項目(SWJTU10ZT02);鐵道部科技研究開發計劃項目(2014G009-C)

樂亞南(1987-)，女，碩士研究生.

TP391.7

：A

：1006-7949(2014)11-0062-05