利用移動通訊設備終端在Google Earth平臺上實現(xiàn)施工現(xiàn)場快速定位

宋 建 威，　李　科，　劉　琪

(中國水利水電第五工程局有限公司 國際公司，四川 成都　610066)

利用移動通訊設備終端在Google Earth平臺上實現(xiàn)施工現(xiàn)場快速定位

宋 建 威，李科，劉琪

(中國水利水電第五工程局有限公司 國際公司，四川 成都610066)

摘要：對于從事早期現(xiàn)場勘查的工程技術(shù)人員而言，Google Earth軟件最具有使用價值。為了進一步發(fā)揮Google Earth軟件服務工程現(xiàn)場勘查的目的并充分利用移動通信設備終端的GPS定位功能，設想了用三個步驟實現(xiàn)快速定位：一是實現(xiàn)工程設計方案在移動設備的Google Earth中載入；二是實現(xiàn)在載有工程設計方案的Google Earth平面上查看沿線的地理及交通信息；三是實現(xiàn)工程技術(shù)人員能在載有設計方案的Google Earth平面上查看本人所在擬建工程的樁號部位，并實現(xiàn)前往某工程部位時的導航。介紹了如何通過坐標換算、KML數(shù)據(jù)互換、文件載入移動設備等手段實現(xiàn)現(xiàn)場快速定位的過程。

關(guān)鍵詞：道路；設計方案；移動設備；Google Earth；施工現(xiàn)場；快速定位

1概述

在公路或鐵路等大型線性工程施工啟動前，工程技術(shù)人員均需要進行實地勘察，而在沒有明顯打樁標記的情況下，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或部位，而目前測量人員常用的手持GPS雖能較好地進行野外坐標測量，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，也不能把工程設計方案載入設備中，因此而難以判斷自身所在擬建工程的具體樁號部位。筆者假想，如果我們利用移動通信設備的GPS定位功能，并在設備上安裝Google Earth軟件，再通過Auto CAD與Google Earth數(shù)據(jù)互換，把道路工程設計方案以地標文件的形式載入到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，又可以準確定出自身在擬建工程中的具體樁號部位，還可以通過移動設備GPS的定位及導航功能設置擬建工程的某樁號部位作為目的地，選擇最近的通往路線，如此就實現(xiàn)了移動通訊設備終端在工程前期勘察中的應用。

2實現(xiàn)該設想的難點

2.1蘭勃特坐標與WGS84坐標的互換

摩洛哥屬于北非國家，大地測量采用的是蘭勃特投影坐標系，從南到北共劃分為4個區(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，測量及設計工作均采用Nord Maroc (摩洛哥北部)的蘭勃特坐標系。

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

如果我們要把道路設計方案在Google Earth中顯現(xiàn)出來，就必須把道路設計圖文信息由蘭勃特坐標轉(zhuǎn)成WGS84坐標。這就需要復雜的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換計算。

2.2Auto CAD設計方案與Google Earth數(shù)據(jù)交換(KML)

若要把Auto CAD設計圖文信息坐標導入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語法標準的一種標記語言，采用標記結(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，用來表達地理標記。因此，我們要把設計方案的圖文信息(點、線、面、多邊行與文字等)進行地理數(shù)據(jù)的交換，最終用Google Earth的圖形元素將道路設計方案展現(xiàn)出來。

2.3將KML地標文件移植到移動通訊設備上

盡管近幾年移動通訊設備上的軟件開發(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手機版的菜單功能就沒有PC版的完整，目前并未提供導入KML地標文件的路徑，鑒于此，我們需借助二次開發(fā)的輔助軟件，以完成KML地標文件在手機終端上的載入。

2.4多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導致位置偏差

在該方案中，多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會導致設計方案在載入到Google Earth時出現(xiàn)位置偏差，其最主要的原因有三個：一是WGS84與蘭勃特坐標系的轉(zhuǎn)換誤差。因為Google Earth采用的是WGS84坐標體系，而摩洛哥采用的是蘭伯特坐標體系，二者原理不同，在坐標數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換的時候會出現(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將產(chǎn)生誤差，這兩個問題目前難以解決。

3實現(xiàn)流程及解決方案

3.1蘭伯特坐標系與WGS84坐標系的換算

蘭勃特投影是由德國數(shù)學家J.H.Lambert在1722年提出的，設想用一個正圓錐切于或割于球面，應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準緯線相割，與采用單標準緯線相切比較，其投影變形小而均勻。若需將蘭勃特坐標換算成WGS84坐標，就需要一個比較復雜的反解計算。

假設蘭勃特坐標為(X,Y)，WGS84坐標為(φ，λ)，反解計算公式如下：

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系下，原點緯度φ0=33.3°，原點經(jīng)度λ0=-5.4°，原點極軸半徑ρ0=9 716 290.594，第一標注緯度φ1=31.5°，第二標注緯度φ2=35.55°。

3.2借助Auto Civil 3D 批量進行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)，除了進行蘭勃特坐標換算成經(jīng)緯度外，還需根據(jù)KML語法結(jié)構(gòu)把道路設計圖轉(zhuǎn)換后的經(jīng)緯度坐標按順序編制成KML文件，如圖1所示，在編制過程中，點、多線段等按語法結(jié)構(gòu)分別排序編輯。考慮到道路設計方案的圖文信息量比較大，編制KML文件的時間比較久，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”，在彈出的對話窗口中按照“描述-項-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”這個窗口里，需要用戶輸入自定義的轉(zhuǎn)換的坐標點以及圖紙Y軸相對于北向的方位角。我們在設計圖紙中間區(qū)域選擇一個點(398484.5873，412055.4221)，根據(jù)蘭勃特坐標與WGS84坐標的轉(zhuǎn)換公式計算出經(jīng)緯度為(-6.5014°，34.3031°)，并輸入相對角度-0.8，即可完成設計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，可以選擇KML的壓縮格式——KMZ文件。

3.3KML文件在移動通訊設備上的載入

目前Google Earth的手機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應用市場中，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，然后在手機上運行KMZ Loader后，按照路徑“My KMZ-文件名.KMZ-Open KMZ-在Google Earth運行”，道路設計的圖文數(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計方案，結(jié)合用戶通訊設

圖1　多線段的KML文件格式

備的GPS定位功能，我們在實地勘察現(xiàn)場時就能清晰地查看到自己所處于擬建工程的具體部位；若需前往設計方案的某工程部位，我們可以利用手機網(wǎng)絡及導航功能，將其設置為目的地，按線路行駛，從而大大提高了工程實勘效率。筆者以摩洛哥丹肯高鐵項目的某段落為例進行載入，其效果見圖2、3。

圖2　在手機中載入KML前的Google Earth平面圖

3.4精度分析與位置修正

根據(jù)WGS84坐標向蘭勃特坐標系換算的原理，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。進行投影換算后，球面上兩點原本相同的距離將出現(xiàn)差距，而且這種差距會隨著投影長度的增加而變大，同理，在蘭勃特坐標系向WGS84坐標系轉(zhuǎn)換時，兩點距離也會出現(xiàn)變化，進而形成設計方案的圖像在載入Google Earth平面后發(fā)生變形。公路與鐵路設計長度通常較大，為減少圖形變形的影響，在轉(zhuǎn)換時，可以把設計方案沿軸線進行裁剪，分段載入Google Earth。根據(jù)具體的實踐經(jīng)驗并結(jié)合精度分析數(shù)據(jù)(表1)，以軸線長度10 km為最佳，。

圖3　在手機中載入KML后的Google Earth平面

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

通過借助坐標數(shù)據(jù)換算、設計方案載入Google Earth及后期修正等手段，我們實現(xiàn)了最初的假想，即道路設計方案在移動設備終端Google Earth平臺的載入，使得我們的工程技術(shù)人員在現(xiàn)場勘察時僅需攜帶智能通訊工具(如手機、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)場勘查時的基本精度要求，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，尤其是偏遠地區(qū)；民用GPS誤差還比較大，特別是在林區(qū)，信號差時。伴隨著工程技術(shù)人員對設備便利性及精確度的強烈需求，筆者堅信將會有越來越多的硬件和軟件開發(fā)商參與到其中，生產(chǎn)出同時具備更高GPS精度、更強移動無線網(wǎng)絡、攜帶Google Earth平臺并便于設計圖紙數(shù)據(jù)互換的工程智能設備，從而更好地服務于工程建設。

參考文獻：

[1]羅全華，鄧加娜，余代俊.Lambert投影在線路測量中的應用[J].電力勘測設計.2007，14(3):22-25.

收稿日期:2016-04-06

中圖分類號:TV51;TV52;TV522

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0046-04

作者簡介:

宋建威(1986-)，男,河南周口人，工程師，學士，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，河南濟源人，工程師，學士，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.

(責任編輯：李燕輝)