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

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(yàn)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(yàn)室，湖南長(zhǎng)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(jì)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(yàn)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(yàn)室，湖南長(zhǎng)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(cè)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(shì)條件復(fù)雜程度不同，通過坐標(biāo)微動(dòng)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(duì)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(jì)算成果滿足工程投影精度要求，具備較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

高斯投影；抵償投影面；程序設(shè)計(jì)；工程實(shí)踐

眾所周知，工測(cè)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(cè)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(zhǎng)與實(shí)地量測(cè)的邊長(zhǎng)在長(zhǎng)度上應(yīng)相等，即要求由“實(shí)量邊長(zhǎng)歸算至參考橢球面上的變形”和“橢球面上的邊長(zhǎng)歸算至高斯投影面上的變形”兩項(xiàng)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(zhǎng)度變形不應(yīng)大于2.5 cm［2］）。而有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測(cè)區(qū)平均高程在100 m以下，且橫坐標(biāo)值不大于40 km時(shí)，每千米投影變形均不大于2.5 cm，可以滿足大比例尺測(cè)圖和工程放樣的精度要求。當(dāng)測(cè)區(qū)高程超過160 m以上時(shí)，僅“實(shí)量邊長(zhǎng)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(cè)區(qū)橫坐標(biāo)在150 km以上時(shí)，“橢球面上的邊長(zhǎng)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(xiàng)變形值是隨著橫坐標(biāo)的二次方在增大，即使兩項(xiàng)的符號(hào)相反，能夠抵消部分，但是往往測(cè)區(qū)的高程差異比較大，橫坐標(biāo)差異比較小，使得兩項(xiàng)改正不能夠很好地抵消，這就使得工程測(cè)量工作不能直接進(jìn)行，必須首先需要對(duì)邊長(zhǎng)變形進(jìn)行改正［3］。

通過對(duì)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(yàn)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(duì)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(jì)算過程復(fù)雜、工作量大、計(jì)算效率低、不易滿足整個(gè)測(cè)區(qū)投影變形精度要求等問題。因此，有必要通過對(duì)工程投影變形理論的研究和公式的梳理，對(duì)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(cè)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(jí)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(jì)的目的旨在將導(dǎo)入數(shù)據(jù)通過自動(dòng)化計(jì)算和處理，結(jié)合測(cè)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(cè)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(duì)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(jì)中投影分析需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

1）單一投影:正反算相結(jié)合。正算時(shí)，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(jì)算綜合變形值，再比對(duì)規(guī)范精度要求，統(tǒng)計(jì)變形合格率；反算時(shí)，利用測(cè)區(qū)點(diǎn)位平均高程求得測(cè)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(jì)變形合格率；進(jìn)而通過坐標(biāo)微動(dòng)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(shí)表明此時(shí)的計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)等級(jí)的工程投影的精度要求［4］。

2）逐點(diǎn)投影:在簡(jiǎn)單投影不能選擇出最佳抵償面的情況下，通過由程序自動(dòng)改變抵償高程和中央子午線移動(dòng)量，并依序逐點(diǎn)匹配，當(dāng)合格率為100%時(shí)，此時(shí)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(duì)地形條件較為復(fù)雜或跨經(jīng)度范圍較大的測(cè)區(qū)，由于整個(gè)測(cè)區(qū)不能得到統(tǒng)一的最佳抵償投影面，因此，在測(cè)區(qū)點(diǎn)位信息依序排列的基礎(chǔ)上，通過程序?qū)y(cè)區(qū)橫坐標(biāo)y與對(duì)應(yīng)高程h展繪于二維平面上，根據(jù)二維圖形將測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.設(shè)計(jì)思路

軟件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.模塊設(shè)計(jì)

為便于程序設(shè)計(jì)，在軟件流程梳理的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(gè)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(duì)重點(diǎn)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1　軟件設(shè)計(jì)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(chǔ)于計(jì)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(jì)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(shí)也便于進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工核驗(yàn)。

3）高斯投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)需注意國家?guī)?hào)與橫坐標(biāo)500 km偏移值的改正，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)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(cè)量順序需保持一致，在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(jì)算子模塊:內(nèi)業(yè)計(jì)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(cè)區(qū)地理?xiàng)l件不同及測(cè)區(qū)范圍大小差異，求取測(cè)區(qū)點(diǎn)位平均高程值、測(cè)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(jì)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(jì)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(jí)要求，對(duì)內(nèi)業(yè)計(jì)算所得綜合投影變形值進(jìn)行逐點(diǎn)精度檢核，并對(duì)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(píng)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(jì)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(cè)超限

If Val（Text6.Text）=0 Then

MsgBox"請(qǐng)先選擇等級(jí)"，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(jì)算出不合格的點(diǎn)數(shù)

End If

Next

hg=ds-bhg ′計(jì)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(gè)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(jì)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(dòng)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(jì)算w的值，下面是計(jì)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(dòng)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(jì)算v的值，下面是計(jì)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(xiàng)目為測(cè)試對(duì)象，分別選取地勢(shì)條件各異的兩個(gè)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件功能測(cè)試，較為直觀地對(duì)軟件實(shí)踐應(yīng)用的有效性和可靠性予以驗(yàn)證。

1.地勢(shì)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(cè)區(qū)地形起伏程度及測(cè)區(qū)范圍均較小，故對(duì)原始數(shù)據(jù)分別采用改變抵償面及移動(dòng)中央子午線的簡(jiǎn)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(cè)區(qū)I原始數(shù)據(jù)文件

圖4　測(cè)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(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目，其中不乏地形條件復(fù)雜、東西跨度較大的測(cè)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(cè)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(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

分別采用上述兩種單一投影，求得測(cè)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(jí)要求，在此基礎(chǔ)上，采用坐標(biāo)微動(dòng)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(cè)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(cè)區(qū)I移動(dòng)中央子午線投影結(jié)果

圖6　測(cè)區(qū)II原始數(shù)據(jù)文件

圖7　坐標(biāo)微動(dòng)合格率

圖8　逐點(diǎn)投影合格率

圖9　測(cè)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(cè)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(shì)條件復(fù)雜程度的不同，通過坐標(biāo)微動(dòng)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(shì)。針對(duì)不同地形條件及測(cè)區(qū)范圍，操作者結(jié)合工程項(xiàng)目要求，即能優(yōu)選出最佳抵償投影面，驗(yàn)證了其有效性。尤其針對(duì)地形條件復(fù)雜的大型測(cè)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(dòng)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(cè)繪通報(bào)，2000（2）:20-21.

［2］ 孔祥元，郭際明.控制測(cè)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(cè)中不同投影面間的坐標(biāo)簡(jiǎn)易換算方法［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012（4）:58-60.

［4］ 國家三、四等水準(zhǔn)測(cè)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(jì)簡(jiǎn)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(cè)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(zhǎng)投影變形［J］.測(cè)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(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)投影面轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2015（5）:109-112.

［9］ 陶偉，孫麗娜.大面積測(cè)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(cè)繪通報(bào)，2005（7）:21-23.

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

［12］ 王繼剛，王堅(jiān)，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(cè)繪通報(bào)，2002（11）:31-32.

《時(shí)空大數(shù)據(jù)的技術(shù)與方法》內(nèi)容簡(jiǎn)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(duì)時(shí)空信息和大數(shù)據(jù)相關(guān)概念認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，描述了大數(shù)據(jù)應(yīng)用于時(shí)空信息處理方面所需的軟硬件平臺(tái)，分析了時(shí)空大數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的區(qū)別，探討了時(shí)空大數(shù)據(jù)分析對(duì)測(cè)繪學(xué)科的貢獻(xiàn)，提出了時(shí)空大數(shù)據(jù)快速計(jì)算的方法，并探索了時(shí)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(shí)空大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的主線，從時(shí)空信息與大數(shù)據(jù)兩個(gè)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(jì)算機(jī)、測(cè)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(jià)43.00元，16開本，158頁，2016年5月由測(cè)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(yàn)室開放基金（長(zhǎng)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(yàn)室開放基金（LHSYS-2016-011）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYS14157）；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目

潘國兵（1976—），男，博士，副教授，主要從事工程測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2016（7）:55-60.