基于Google Earth的特大型施工控制網(wǎng)優(yōu)化方法

白少云

（1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021）

西南地區(qū)連續(xù)多年干旱，缺水矛盾日益突出，長線路引水工程是解決水資源不足的有效途徑。清水海供水及水源環(huán)境管理工程是將云南省尋甸縣境內(nèi)的石橋河、板橋河、新田河、清水海、金鐘山等相對(duì)獨(dú)立的水源點(diǎn)通過引水線路連通起來，最終通過金鐘山水庫對(duì)昆明市呈貢新區(qū)和大學(xué)城進(jìn)行供水。工程線路總長70余km，工程的構(gòu)（建）筑物由26座隧洞、1座倒虹吸、25座渡槽組成，分布于山區(qū)、林區(qū)等交通條件極差的區(qū)域。

傳統(tǒng)的施工控制網(wǎng)優(yōu)化方法是：建網(wǎng)前利用收集到的1∶10 000或1∶50 000的地形圖結(jié)合實(shí)際踏勘進(jìn)行控制網(wǎng)優(yōu)化，然后根據(jù)優(yōu)化方案結(jié)合實(shí)地進(jìn)行選點(diǎn)布網(wǎng)。但由于云南省的1∶10 000或1∶50 000的地形圖大多數(shù)為80 a前的資料，這將導(dǎo)致優(yōu)化后點(diǎn)位難以落到實(shí)地，而實(shí)地調(diào)整的點(diǎn)位通常因?yàn)榭紤]實(shí)地環(huán)境欠妥而帶有一定的盲目性。為了解決以上問題，本文結(jié)合清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)（由154個(gè)三等點(diǎn)組成，控制面積超過150 km2，屬超大型施工控制網(wǎng)）的建立，探索了基于Google Earth 的水利水電工程施工控制網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 Google Earth軟件介紹

Google Earth是美國Google公司2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)和地圖搜索軟件。用戶利用Google Earth不僅可以瀏覽地形地貌，還可以直觀地在圖上進(jìn)行量距、標(biāo)注、截取剖面、旋轉(zhuǎn)等工作，直觀地分析所關(guān)注點(diǎn)周圍的植被、交通、地物等信息，近似地獲得地球上某一位置的經(jīng)緯度和高度。Google Earth對(duì)全球開放了API，用戶可以通過API進(jìn)行二次開發(fā)，在Google Earth上實(shí)現(xiàn)更多精彩的創(chuàng)意。

對(duì)于中國許多主要城市、著名景區(qū)、建筑物區(qū)域，Google Earth提供分辨率為1 m、視角高度約為500 m和分辨率為0.6 m 、視角高度約為350 m的高精度影像圖，在非主要居民地或山區(qū)，分辨率相對(duì)要低一些，即使這樣也可以清晰地判讀地形、地貌和地表植被。目前Google Earth在國內(nèi)地理教學(xué)、旅游交通、水利工程、林業(yè)調(diào)查、電力通信、建筑工程設(shè)計(jì)及工程測(cè)繪等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

目前施工控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有解析法和模擬法，在實(shí)際工作中，由于模擬法易于編程、操作簡單、精度較高等特點(diǎn)被廣泛采用。模擬法一般采用蒙特卡洛法進(jìn)行模擬優(yōu)化。

2.1 模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施

以清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法是：

1）在1∶10 000地形圖上采用圖切剖面方法，初步判定相鄰點(diǎn)之間通視情況，在保證圖形強(qiáng)度、方便施工放樣的前提下初步選點(diǎn)布網(wǎng)。

2）在1∶10 000地形圖上量取各點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)選定的控制網(wǎng)圖，確定控制網(wǎng)的觀測(cè)方案。

3）以觀測(cè)方案、控制點(diǎn)的圖解坐標(biāo)、擬投入使用的儀器精度指標(biāo)及儀器精度作為控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)，利用蒙特卡洛方法生成模擬觀測(cè)量，并反映將來控制網(wǎng)觀測(cè)值的誤差分布特性。

4）以模擬觀測(cè)量作為平差元素，進(jìn)行控制網(wǎng)平差計(jì)算，求出控制網(wǎng)的最弱點(diǎn)中誤差、相對(duì)誤差、誤差橢圓等參數(shù)，對(duì)控制網(wǎng)精度、強(qiáng)度、可靠性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

5）重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，選取最優(yōu)方案作為施工控制網(wǎng)布設(shè)、觀測(cè)的最終設(shè)計(jì)方案。

圖1為采用模擬法進(jìn)行多次優(yōu)化后的清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)。

圖1 模擬法優(yōu)化后的施工控制網(wǎng)

2.2 模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)，能最大限度地保證控制網(wǎng)的精度、強(qiáng)度、可靠性，在以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了普遍認(rèn)可。但這種方法設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)很難準(zhǔn)確判斷點(diǎn)的通視情況，在實(shí)際工作中，由于地形變化、植被條件等客觀因素導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)改變點(diǎn)位往往存在盲目性和隨意性，改變了控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度，使得整個(gè)控制網(wǎng)精度難以保證。同時(shí)，由于地形的變化，1∶10 000圖上不能反映點(diǎn)位附近的附著物，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案不能客觀地對(duì)工作量和進(jìn)度作出科學(xué)的判斷。

3 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

針對(duì)模擬法的缺陷，在保持模擬法優(yōu)點(diǎn)的前提下，結(jié)合清水海供水及水源環(huán)境管理工程施工控制網(wǎng)，開展了基于Google Earth軟件進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和疊加

利用KML Tools Pro軟件將模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制網(wǎng)圖、1∶10 000地形圖、引水線路布置圖、建筑物位置等已知信息的CAD格式文件轉(zhuǎn)換成KML文件，在Google Earth導(dǎo)入包含設(shè)計(jì)圖中點(diǎn)、線、文本或者多邊形的KML文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

如果使用MapInfo軟件，可用下面2種方式實(shí)現(xiàn)MapInfo與Google Earth的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

第1種方法是：首先打開MapInfo，工具管理器里點(diǎn)增加工具－瀏覽，將文件選中加載，打開需要轉(zhuǎn)換的tab圖層（可多個(gè)），圖層窗口不能最大化或最小化，不然會(huì)有警告不能轉(zhuǎn)換；然后輸入KML文件名，把得到的KML文件導(dǎo)入Google Earth，從而實(shí)現(xiàn)了MapInfo與Google Earth的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于MapInfo是GB編碼，Google Earth是UTF-8編碼，中文顯示存在一些問題，但可以通過一些編碼轉(zhuǎn)換工具解決，這里不作贅述。

第2種方法是利用GELink實(shí)現(xiàn)MapInfo到Google Earth的數(shù)據(jù)交換，具體操作如下：在MapInfo Professional的工具菜單→運(yùn)行MapBasic程序菜單，打開對(duì)話框，找到GELink.mbx文件，單擊確定按鈕以運(yùn)行這個(gè)程序，運(yùn)行之后，在地圖菜單的最下方出現(xiàn)一個(gè)新的菜單項(xiàng)。從這個(gè)菜單項(xiàng)中可以看到3個(gè)子菜單項(xiàng)，其中Export to Google Earth就是主要功能的觸發(fā)點(diǎn)了。GELink軟件具有2個(gè)功能：①將當(dāng)前看到的地圖輸出為圖片，當(dāng)成貼圖貼到Google Earth上，這個(gè)功能可以在MapInfo Professional中制作各種地圖專題、布置各種數(shù)據(jù)、標(biāo)記甚至疊加新的衛(wèi)星或航拍影像；②輸出矢量數(shù)據(jù)，這需要在地圖上選中要輸出的圖元對(duì)象，選中之后點(diǎn)擊按鈕或者菜單項(xiàng)觸發(fā)功能，GELink會(huì)打開一個(gè)對(duì)話框，詢問是導(dǎo)出圖像還是導(dǎo)出選中的矢量對(duì)象，目標(biāo)會(huì)在Google Earth里面打開，實(shí)現(xiàn)了Google Earth數(shù)據(jù)交換后，把KML文件作為單獨(dú)的圖層疊加到Google Earth軟件中，結(jié)合Google Earth 的添加地標(biāo)和添加路徑功能，在圖上進(jìn)行控制點(diǎn)的選點(diǎn)和調(diào)整，如圖2所示。Google Earth也可以和ArcGIS 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，這里不再贅述。

圖2 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)圖

3.2 控制點(diǎn)通視優(yōu)化

利用Google Earth軟件改變視角和高度檢查布設(shè)控制點(diǎn)的通視情況，從而判斷設(shè)計(jì)方案所選定控制點(diǎn)是否滿足施工放樣的要求；對(duì)部分改變視角仍然不能確定是否通視的點(diǎn)，也可以利用Google Earth軟件添加路徑，選取剖面點(diǎn)的起點(diǎn)與終點(diǎn)，利用生成的剖面圖判斷點(diǎn)間通視情況，對(duì)確定不能通視的點(diǎn)，在Google Earth上根據(jù)虛擬三維影像，利用“標(biāo)注”功能進(jìn)行調(diào)整，并利用“路徑”功能重新調(diào)整網(wǎng)圖，完成控制網(wǎng)的布設(shè)選點(diǎn)工作，如圖3所示。

也可下載所關(guān)注區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，如利用SRTM90、ASTERGDEM等數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景展示，基于Google Earth實(shí)現(xiàn)的DEM數(shù)據(jù)的影像三維展示，不但可以了解到所在區(qū)域的地形走勢(shì)，還可以準(zhǔn)確地量測(cè)出所在區(qū)域的高程，甚至可以得到任意路線的高程剖面，如圖4所示。

圖3 三維剖面圖直觀判斷通視條件示意圖

圖4 Google Earth中基于DEM的任意路線高程剖面

3.3 控制點(diǎn)環(huán)境優(yōu)化

控制點(diǎn)環(huán)境優(yōu)化主要包括控制點(diǎn)的交通、植被、居民地、建筑物分布、水源等與控制點(diǎn)建造、觀測(cè)條件等相關(guān)的優(yōu)化；在確保控制點(diǎn)自然情況通視的情況下，利用縮放功能放大點(diǎn)位周圍的影像，分析點(diǎn)位周圍的植被、道路、水源等情況，針對(duì)所選點(diǎn)的地貌情況，制定相應(yīng)建墩方案和經(jīng)費(fèi)預(yù)算，也可以通過三維場(chǎng)景圖分析點(diǎn)周圍的植被密集、障礙物等情況，準(zhǔn)確地判斷砍伐和補(bǔ)償工作量，實(shí)時(shí)進(jìn)行點(diǎn)位調(diào)整，避開不必要的森林砍伐，有效地提高了選點(diǎn)效率并保護(hù)了環(huán)境，如圖5所示。

圖5 利用Google Earth判斷植被及地物示意圖

3.4 外業(yè)工作量優(yōu)化

傳統(tǒng)的模擬法或解析法優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是從控制網(wǎng)的數(shù)學(xué)精度、圖形強(qiáng)度和網(wǎng)的靈敏度等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，外業(yè)工作量優(yōu)化主要體現(xiàn)在保證圖形強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)剔除不必要的觀測(cè)量，優(yōu)化相對(duì)薄弱。利用Google Earth聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，秉承了常規(guī)優(yōu)化數(shù)學(xué)精度較好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于Google Earth提供了三維影像數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者可以在Google Earth上清晰地判斷控制點(diǎn)周圍的交通、植被、地貌、水系等信息，根據(jù)各點(diǎn)具體情況進(jìn)行合理性、工作量、補(bǔ)償經(jīng)費(fèi)等評(píng)估，針對(duì)點(diǎn)的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的施工組織設(shè)計(jì)，進(jìn)行外業(yè)工作量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，從影像圖上可以判斷點(diǎn)周圍的交通、水源、陡崖等信息，對(duì)于建墩或人員難以到達(dá)的點(diǎn)位，可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，特別是在GPS選點(diǎn)中，可盡可能考慮在交通方便的地方布點(diǎn)；對(duì)于植被條件較好點(diǎn)，可以初步判斷植被的類型、密度，并對(duì)清障補(bǔ)償經(jīng)費(fèi)作出初步的判斷，盡可能避開大面積的砍伐。

3.5 優(yōu)化方案輸出

Google Earth選點(diǎn)完成后，把選好的網(wǎng)圖保存為KML文件，利用Global Mapper等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并再次采用模擬法對(duì)調(diào)整后的控制網(wǎng)進(jìn)行精度估算，得出最終的網(wǎng)圖設(shè)計(jì)方案。完成了控制網(wǎng)最終方案后，采用截圖方式對(duì)每個(gè)點(diǎn)的放大圖進(jìn)行截圖打印，截圖時(shí)務(wù)必考慮盡可能地反映點(diǎn)周圍的地形、地貌和相關(guān)特征地物，以便實(shí)地定點(diǎn)時(shí)能準(zhǔn)確地把圖上位置落實(shí)到實(shí)地。保存優(yōu)化后的控制點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并導(dǎo)入手持GPS導(dǎo)航設(shè)備中，利用手持GPS進(jìn)行外業(yè)實(shí)地選點(diǎn)，將大大提高外業(yè)選點(diǎn)的效率和準(zhǔn)確度，保證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案得以實(shí)施。

4 聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1）提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性、可視化。采用Google Earth配合模擬法進(jìn)行控制網(wǎng)優(yōu)化，充分發(fā)揮了模擬法優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，保證控制網(wǎng)的精度、強(qiáng)度、可靠性，同時(shí)利用Google Earth影像對(duì)點(diǎn)周圍的地形、地貌進(jìn)行判讀、分析，直觀地對(duì)控制點(diǎn)通視情況進(jìn)行判斷，保證控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案能較好地實(shí)施，大大提高了控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。

在Google Earth上布設(shè)控制網(wǎng)更直觀、更形象、更符合實(shí)際；用戶利用Google Earth不僅可以直觀地瀏覽感興趣區(qū)域內(nèi)的地物地貌和建筑物情況，而且可以方便地標(biāo)注、獲取剖面、改變視角和高度、判斷植被等情況，達(dá)到身臨其境的效果。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)影像上的植被情況和建筑物分布情況，充分考慮實(shí)地埋點(diǎn)的通視情況和施工放樣方便，并可根據(jù)地形、地貌、交通等情況判斷實(shí)地布點(diǎn)的最佳路徑，保證設(shè)計(jì)方案能更好地落實(shí)，避免了模擬法優(yōu)化設(shè)計(jì)紙上談兵的尷尬，有效提高了外業(yè)工作效率。

2）制作三維多媒體匯報(bào)系統(tǒng)。Google Earth 具有圖片輸出和視頻錄制等功能，這對(duì)于匯報(bào)優(yōu)化后的方案非常直觀。在Google Earth上完成方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后，優(yōu)化后的成果可以直接插入PowerPoint中進(jìn)行直觀匯報(bào)，圖文并茂，既可以從空中俯視優(yōu)化后的全網(wǎng)，以全局的視角評(píng)判網(wǎng)形的合理性，直觀地介紹整個(gè)項(xiàng)目的總體思路和布置；又可以降低視點(diǎn)高度，觀察窗會(huì)自動(dòng)“飛 ”到每一個(gè)地標(biāo)位置，停留一段時(shí)間，再“飛” 向下一個(gè)地點(diǎn)，在每個(gè)細(xì)節(jié)上介紹具體點(diǎn)位的布設(shè)，將點(diǎn)位細(xì)化到某一建筑的某一角。

3）三維地理信息影像資料現(xiàn)勢(shì)性較好。采用模擬法或解析法進(jìn)行控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)常使用多年沒有更新的地形圖，這些圖紙現(xiàn)勢(shì)性差；如果單獨(dú)購買衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采購周期長，成本高。使用Google Earth影像，則彌補(bǔ)了以上不足，不僅能免費(fèi)使用三維地理信息，而且影像相對(duì)較新（基本為近3 a左右的影像），結(jié)合1∶10 000地形圖，能最大程度地滿足控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

4）準(zhǔn)確把握外業(yè)工作量。Google Earth 配合模擬法進(jìn)行控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)地踏勘和外業(yè)選點(diǎn)工作量，利用設(shè)計(jì)提供的建筑物布置圖或線路布置圖，在室內(nèi)完成網(wǎng)選點(diǎn)工作。由于設(shè)計(jì)方案可對(duì)點(diǎn)周圍的附作物和交通條件進(jìn)行判讀，估算清障補(bǔ)償工作量，準(zhǔn)確估算外業(yè)工作量和進(jìn)度計(jì)劃，并制定相應(yīng)的施工組織設(shè)計(jì)，比以往設(shè)計(jì)方案更具科學(xué)性。

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