手機GPS在公路前期外業勘察和內業階段的應用

趙小明

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在公路項目外業勘察過程中，為了準確調查記錄路線周邊的地形、地物以及相關控制點，往往要借助于GPS測量，其中包括RTK、手持GPS等，利用各種設備，提供相關精度的測量資料，以滿足各種設計需求，在這個過程中，大型的GPS設備往往要耗費大量的人力、物力和時間。如何能在此勘察階段，優化工作步驟，利用新方式、新方法提高效率，值得探討和研究。對于精度要求不高，只需沿線記錄和調查的地物，可以通過開放的手機GPS來采集。手機具有重量小、小巧方便、功能全、充電方便、續航時間長等優勢，已在我們生活和工作的方方面面具有不可替代的作用，絕大多數手機都支持GPS功能，該功能是免費的、公開的，本文就手機GPS在外業勘察設計以及內業設計中的應用進行闡述。

1 手機GPS的工作原理

手機的定位系統主要分為兩種，一種是基于移動運營網的基站的定位，另一種是基于手機GPS定位模塊的定位方式。基于移動網絡的方式，受網絡信號影響，具有定位精度不高、使用地區受限的缺點，故用處不大。基于GPS的方式是利用手機上的GPS定位模塊將位置信號發送到定位后臺來實現手機的定位，它是基于美國運營的全球衛星系統，24顆GPS衛星分布在距離地面1.2萬km 6個軌道平面上，以12 h的周期環繞地球運行，使得任意時刻地面上任意點都可以觀測到4顆以上的衛星，手機集成的GPS模塊只有接收，沒有發射功能。24顆衛星不斷地向地球發射包含時間、衛星點位等重要參數的信息，被手機收到后，手機會利用多個衛星的同一時間發出的信號到達的先后順序及時差計算出手機到各個衛星的距離，然后利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星組成3個方程式，解算出手機的位置(X、Y、Z)。GPS定位的特點是定位精度高、接口免費、可隨時調用、全球定位，缺點是無法在室內使用，云層厚度對信號有影響，耗電量大。手機GPS的精度完全可以利用在工程外業調查以及一些精度要求不高的測量應用中。

2 手機GPS在公路項目勘察設計中的應用

公路是線性帶狀結構，外業調查基本是沿路線中樁行走，在這個過程中要不斷記錄。外業記錄的方式主要分專業記錄本記錄、坐標數據采集以及外業照片等，利用手機GPS軟件，可以輕松完成這三項工作，而后形成電子數據，在后期內業中應用以及歸檔。

(1)在手機中安裝專業戶外GPS軟件，如奧維地圖、oruxmap等地圖軟件，然后將公路路線準確導入到手機，這類地圖軟件大多支持的數據格式為KML格式、KMZ格式(KML格式的壓縮格式)。KML格式是由谷歌開發和維護的一種基于XML的標記語言，利用XML語法格式描述地理空間數據的文件格式。我們將實現CAD格式DWG路線文件與KML文件的互相轉化，并且能夠準確地匹配坐標，只要能順利建立起這種數據管理轉化的通道，實現在手機端和電腦端資源共享，那么就可以從電腦端將大量所需要的信息上傳至手機端地圖上，方便外業調查以及精確的路線導航；同樣，也可以將手機端測量等信息下載至電腦端，方便電腦端進一步整理整合，最終輸出匯總KML文件和匯總DWG文件。KML格式與DWG格式相互轉換的方法較多，譬如ACADKML軟件、地圖導航類軟件等，不同坐標系之間精確坐標轉換需要通過坐標七參數法，求得轉換參數。七參數法需要至少三個以上的坐標公共點，這三個公共點可以從控制點成果中獲取，轉換精度較高，當沒有控制點成果時，可以根據地形圖與高清衛星圖之間查找，精度依然能夠滿足外業調查測量的要求。通過這種方法，建立起電腦端和手機端的數據傳輸，經過準確轉換后，導入奧維地圖上的路線KML文件精度很高，經過實地踏勘驗證，精度能夠滿足設計踏勘需求。有了該文件，可以完全依靠手機進行路線導航，在天氣良好的情況下，GPS定位精度更好，即使多云天氣，GPS搜星時間略長，但精度仍能滿足需求。

(2)GPS簡單測量。以手機奧維地圖為例，在外業調查中，利用手機GPS軟件可以進行簡單測量。手持GPS可以進行點測量、多邊形測量、面積測量等，利用手機GPS軟件也可以完成相關測量，將需要調查的地形地物，以點、線、多邊形的方式記錄，通過數據導出為所需要的KML和dwg文件，導入到CAD或者Google地球中。為了方便以后其他專業調查，我們可以記錄航線文件，將調查過的文件上傳共享，優化工作步驟，節約時間。

(3)GPS相片能準確記錄拍攝地點，照片屬性中含有拍攝地點的準確坐標(經緯度坐標)，它同樣利用了手機的GPS功能。如果能實現將準確的拍攝位置以快捷方式打開的方式(即路點照片)展現在Google地球上，結合路線及其它數據，就更能方便之后的內業設計以及后期歸檔。這種方式的優勢首先在于位置與調查工點相匹配，是對現場實際情況一個最直觀的反饋，沒有去過現場的人員可以更快速地了解項目情況；其次是方便各個專業以及部門瀏覽查閱，GPS照片可以以KMZ格式存儲(稱之為路點照片文件)。我們首先把GPS照片整理存檔，再通過格式轉換，將GPS照片轉化成KMZ格式。KMZ格式是KML格式的壓縮型式，它不僅能包含KML文件，也能包含其它類型的文件(GPS照片含在其中)；通過KMZ格式，任何電腦終端都能很方便地瀏覽，以及提供給專業領導或總工第一手直觀資料。GPS照片獲得的方式很多，有些手機自帶GPS相機這項功能，只需將GPS功能開啟即可，拍照時GPS經緯度坐標就會記錄在照片的屬性中；不帶此功能的手機，也可以通過第三方軟件實現，而最終的成果文件為KMZ格式的路點照片文件。

(4)各專業的協同作業。一個公路項目外業階段，往往需要路線、路基路面、橋涵、隧道等專業，利用上述方法，協同作業，將外業成果匯總，主要步驟如圖1所示：

圖1 協同合作流程圖

各專業按照勘察設計需求，完成本專業調查，利用手機GPS功能，路線專業先完成路線中線的準確導航線位、主要控制點的KML以提供給其他專業；各專業按照自己的專業需求，調查采集數據，將最終調查的KML、KMZ文件匯總，一方面形成外業勘察匯總文件KML展示在谷歌地球上，利用谷歌地球以及視頻剪輯軟件，制作專業級動畫，在項目匯報中展示。KML匯總文件還有一個優勢就是方便傳遞和審閱，只要安裝谷歌地球，非專業的其他人員均能查看；另一方面也可以將匯總的KML文件轉成DWG格式，在CAD中分圖層標記，用以做方案設計，這樣就實現了數據共享以及不同數據格式最大化應用，提高工作效率。

(5)外業成果展示及應用。公路項目傳統的匯報方式一般包括PPT、匯報簡本、各種比例尺的平縱面圖以及二維的其它圖紙，匯報時間因項目大小各異，一般在1 h以內，與會人員有很多非技術專業人士，這種匯報方式在這么短的時間內很難讓人詳細了解和理解，有時甚至會給某些參會人員很多誤解，造成不必要的麻煩，匯報效果不是很好。

谷歌地球能提供開放的三維地形與高清影像圖相結合的真實場景，匯總的KML、KMZ文件可以在谷歌地球上瀏覽，制作專業級動畫，在項目外業驗收匯報階段，可以非常直觀地展現項目的路線概況以及一些主要控制點。針對一些重要工點，譬如特大橋梁、特長隧道工程等，還可以將創建的三維模型導入到谷歌地球中，其中可包含橋梁施工階段施工組織、場地布置等相關內容，全方位、多視角瀏覽介紹，詳細直觀地匯報，提高匯報的質量，打破了傳統的單一PPT匯報方式，使匯報更生動，效果更好。

3 結語

隨著公路行業科技的進步與高速發展，單一傳統的設計方式很難適應發展的需要，新思路、新方法的應用越來越顯得至關重要。利用開放的手機GPS能大大優化工作步驟，節約時間成本、人力成本。本文只是簡單介紹一種新的設計思路，在此基礎上還可以進行更多的拓展與交互應用，例如利用開放的地理信息坐標高程數據完成以上內容，完全可以解決在項目建議書以及工可階段的研究深度問題，改變以往工作模式，提高設計質量、工作效率。