手機(jī)GPS在公路前期外業(yè)勘察和內(nèi)業(yè)階段的應(yīng)用

趙小明

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在公路項(xiàng)目外業(yè)勘察過程中，為了準(zhǔn)確調(diào)查記錄路線周邊的地形、地物以及相關(guān)控制點(diǎn)，往往要借助于GPS測量，其中包括RTK、手持GPS等，利用各種設(shè)備，提供相關(guān)精度的測量資料，以滿足各種設(shè)計需求，在這個過程中，大型的GPS設(shè)備往往要耗費(fèi)大量的人力、物力和時間。如何能在此勘察階段，優(yōu)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(diào)查的地物，可以通過開放的手機(jī)GPS來采集。手機(jī)具有重量小、小巧方便、功能全、充電方便、續(xù)航時間長等優(yōu)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(shù)手機(jī)都支持GPS功能，該功能是免費(fèi)的、公開的，本文就手機(jī)GPS在外業(yè)勘察設(shè)計以及內(nèi)業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 手機(jī)GPS的工作原理

手機(jī)的定位系統(tǒng)主要分為兩種，一種是基于移動運(yùn)營網(wǎng)的基站的定位，另一種是基于手機(jī)GPS定位模塊的定位方式?；谝苿泳W(wǎng)絡(luò)的方式，受網(wǎng)絡(luò)信號影響，具有定位精度不高、使用地區(qū)受限的缺點(diǎn)，故用處不大。基于GPS的方式是利用手機(jī)上的GPS定位模塊將位置信號發(fā)送到定位后臺來實(shí)現(xiàn)手機(jī)的定位，它是基于美國運(yùn)營的全球衛(wèi)星系統(tǒng)，24顆GPS衛(wèi)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(huán)繞地球運(yùn)行，使得任意時刻地面上任意點(diǎn)都可以觀測到4顆以上的衛(wèi)星，手機(jī)集成的GPS模塊只有接收，沒有發(fā)射功能。24顆衛(wèi)星不斷地向地球發(fā)射包含時間、衛(wèi)星點(diǎn)位等重要參數(shù)的信息，被手機(jī)收到后，手機(jī)會利用多個衛(wèi)星的同一時間發(fā)出的信號到達(dá)的先后順序及時差計算出手機(jī)到各個衛(wèi)星的距離，然后利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星組成3個方程式，解算出手機(jī)的位置(X、Y、Z)。GPS定位的特點(diǎn)是定位精度高、接口免費(fèi)、可隨時調(diào)用、全球定位，缺點(diǎn)是無法在室內(nèi)使用，云層厚度對信號有影響，耗電量大。手機(jī)GPS的精度完全可以利用在工程外業(yè)調(diào)查以及一些精度要求不高的測量應(yīng)用中。

2 手機(jī)GPS在公路項(xiàng)目勘察設(shè)計中的應(yīng)用

公路是線性帶狀結(jié)構(gòu)，外業(yè)調(diào)查基本是沿路線中樁行走，在這個過程中要不斷記錄。外業(yè)記錄的方式主要分專業(yè)記錄本記錄、坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集以及外業(yè)照片等，利用手機(jī)GPS軟件，可以輕松完成這三項(xiàng)工作，而后形成電子數(shù)據(jù)，在后期內(nèi)業(yè)中應(yīng)用以及歸檔。

(1)在手機(jī)中安裝專業(yè)戶外GPS軟件，如奧維地圖、oruxmap等地圖軟件，然后將公路路線準(zhǔn)確導(dǎo)入到手機(jī)，這類地圖軟件大多支持的數(shù)據(jù)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(fā)和維護(hù)的一種基于XML的標(biāo)記語言，利用XML語法格式描述地理空間數(shù)據(jù)的文件格式。我們將實(shí)現(xiàn)CAD格式DWG路線文件與KML文件的互相轉(zhuǎn)化，并且能夠準(zhǔn)確地匹配坐標(biāo)，只要能順利建立起這種數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)化的通道，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)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(jī)端地圖上，方便外業(yè)調(diào)查以及精確的路線導(dǎo)航；同樣，也可以將手機(jī)端測量等信息下載至電腦端，方便電腦端進(jìn)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(zhuǎn)換的方法較多，譬如ACADKML軟件、地圖導(dǎo)航類軟件等，不同坐標(biāo)系之間精確坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要通過坐標(biāo)七參數(shù)法，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。七參數(shù)法需要至少三個以上的坐標(biāo)公共點(diǎn)，這三個公共點(diǎn)可以從控制點(diǎn)成果中獲取，轉(zhuǎn)換精度較高，當(dāng)沒有控制點(diǎn)成果時，可以根據(jù)地形圖與高清衛(wèi)星圖之間查找，精度依然能夠滿足外業(yè)調(diào)查測量的要求。通過這種方法，建立起電腦端和手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入奧維地圖上的路線KML文件精度很高，經(jīng)過實(shí)地踏勘驗(yàn)證，精度能夠滿足設(shè)計踏勘需求。有了該文件，可以完全依靠手機(jī)進(jìn)行路線導(dǎo)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(jī)奧維地圖為例，在外業(yè)調(diào)查中，利用手機(jī)GPS軟件可以進(jìn)行簡單測量。手持GPS可以進(jìn)行點(diǎn)測量、多邊形測量、面積測量等，利用手機(jī)GPS軟件也可以完成相關(guān)測量，將需要調(diào)查的地形地物，以點(diǎn)、線、多邊形的方式記錄，通過數(shù)據(jù)導(dǎo)出為所需要的KML和dwg文件，導(dǎo)入到CAD或者Google地球中。為了方便以后其他專業(yè)調(diào)查，我們可以記錄航線文件，將調(diào)查過的文件上傳共享，優(yōu)化工作步驟，節(jié)約時間。

(3)GPS相片能準(zhǔn)確記錄拍攝地點(diǎn)，照片屬性中含有拍攝地點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)(經(jīng)緯度坐標(biāo))，它同樣利用了手機(jī)的GPS功能。如果能實(shí)現(xiàn)將準(zhǔn)確的拍攝位置以快捷方式打開的方式(即路點(diǎn)照片)展現(xiàn)在Google地球上，結(jié)合路線及其它數(shù)據(jù)，就更能方便之后的內(nèi)業(yè)設(shè)計以及后期歸檔。這種方式的優(yōu)勢首先在于位置與調(diào)查工點(diǎn)相匹配，是對現(xiàn)場實(shí)際情況一個最直觀的反饋，沒有去過現(xiàn)場的人員可以更快速地了解項(xiàng)目情況；其次是方便各個專業(yè)以及部門瀏覽查閱，GPS照片可以以KMZ格式存儲(稱之為路點(diǎn)照片文件)。我們首先把GPS照片整理存檔，再通過格式轉(zhuǎn)換，將GPS照片轉(zhuǎn)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(yè)領(lǐng)導(dǎo)或總工第一手直觀資料。GPS照片獲得的方式很多，有些手機(jī)自帶GPS相機(jī)這項(xiàng)功能，只需將GPS功能開啟即可，拍照時GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)就會記錄在照片的屬性中；不帶此功能的手機(jī)，也可以通過第三方軟件實(shí)現(xiàn)，而最終的成果文件為KMZ格式的路點(diǎn)照片文件。

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

圖1 協(xié)同合作流程圖

各專業(yè)按照勘察設(shè)計需求，完成本專業(yè)調(diào)查，利用手機(jī)GPS功能，路線專業(yè)先完成路線中線的準(zhǔn)確導(dǎo)航線位、主要控制點(diǎn)的KML以提供給其他專業(yè)；各專業(yè)按照自己的專業(yè)需求，調(diào)查采集數(shù)據(jù)，將最終調(diào)查的KML、KMZ文件匯總，一方面形成外業(yè)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(yè)級動畫，在項(xiàng)目匯報中展示。KML匯總文件還有一個優(yōu)勢就是方便傳遞和審閱，只要安裝谷歌地球，非專業(yè)的其他人員均能查看；另一方面也可以將匯總的KML文件轉(zhuǎn)成DWG格式，在CAD中分圖層標(biāo)記，用以做方案設(shè)計，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享以及不同數(shù)據(jù)格式最大化應(yīng)用，提高工作效率。

(5)外業(yè)成果展示及應(yīng)用。公路項(xiàng)目傳統(tǒng)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(xiàng)目大小各異，一般在1 h以內(nèi)，與會人員有很多非技術(shù)專業(yè)人士，這種匯報方式在這么短的時間內(nèi)很難讓人詳細(xì)了解和理解，有時甚至?xí)o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(jié)合的真實(shí)場景，匯總的KML、KMZ文件可以在谷歌地球上瀏覽，制作專業(yè)級動畫，在項(xiàng)目外業(yè)驗(yàn)收匯報階段，可以非常直觀地展現(xiàn)項(xiàng)目的路線概況以及一些主要控制點(diǎn)。針對一些重要工點(diǎn)，譬如特大橋梁、特長隧道工程等，還可以將創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)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(guān)內(nèi)容，全方位、多視角瀏覽介紹，詳細(xì)直觀地匯報，提高匯報的質(zhì)量，打破了傳統(tǒng)的單一PPT匯報方式，使匯報更生動，效果更好。

3 結(jié)語

隨著公路行業(yè)科技的進(jìn)步與高速發(fā)展，單一傳統(tǒng)的設(shè)計方式很難適應(yīng)發(fā)展的需要，新思路、新方法的應(yīng)用越來越顯得至關(guān)重要。利用開放的手機(jī)GPS能大大優(yōu)化工作步驟，節(jié)約時間成本、人力成本。本文只是簡單介紹一種新的設(shè)計思路，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行更多的拓展與交互應(yīng)用，例如利用開放的地理信息坐標(biāo)高程數(shù)據(jù)完成以上內(nèi)容，完全可以解決在項(xiàng)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(shè)計質(zhì)量、工作效率。