手機(jī)GPS在道路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉利民，劉艷娟

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

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手機(jī)GPS在道路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉利民，劉艷娟

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

Application Research of the GPS of Mobile Phone on Survey and Design of the Road

LIU Limin，LIU Yanjuan

摘要：智能手機(jī)的GPS功能能夠進(jìn)行定位與導(dǎo)航，給生活帶來了極大便利，但在道路勘察設(shè)計(jì)中幾乎未被開發(fā)利用。本文通過對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及Google Earth二次開發(fā)技術(shù)的研究，在安卓手機(jī)端和PC端開發(fā)了測(cè)量點(diǎn)大地坐標(biāo)和生成KML文件等功能，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)GPS功能在道路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并且在實(shí)際工程項(xiàng)目中進(jìn)行了檢驗(yàn)，達(dá)到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；GPS；Google Earth；道路；勘察設(shè)計(jì)

智能手機(jī)與大多數(shù)人的日常生活息息相關(guān)，成為生活中不可或缺的一部分。智能手機(jī)中帶GPS功能，排除衛(wèi)星鐘及大氣干擾等因素，其定位精度一般為幾米至幾十米。通過手機(jī)的GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào)來進(jìn)行定位，可繞過移動(dòng)通信運(yùn)營商，不需要增加運(yùn)營成本，用戶也無需負(fù)擔(dān)額外的服務(wù)費(fèi)用，可以快速實(shí)時(shí)地找到當(dāng)前位置。不過，目前絕大多數(shù)GPS手機(jī)用戶還僅僅停留在GPS的定位與導(dǎo)航應(yīng)用，其在工程勘察設(shè)計(jì)中幾乎未被開發(fā)利用。文獻(xiàn)[1]中基于GPS導(dǎo)航手機(jī)，使用Google Earth輔助完成野外地質(zhì)勘察工作，但也仍然處于定位的簡(jiǎn)單應(yīng)用階段。

近年來，隨著手機(jī)Google Earth衛(wèi)星影像越來越清晰，在原來東南部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和大中城市衛(wèi)星影像較為清晰的基礎(chǔ)上，中西部地區(qū)的影像越來越清晰，衛(wèi)星影像的精度也越來越高。如在湖北省孝感市周邊的衛(wèi)星影像已經(jīng)可以達(dá)到0.5 m左右的分辨率。因此，手機(jī)GPS和手機(jī)Google Earth相結(jié)合應(yīng)用于工程勘察設(shè)計(jì)成為可能。本文研究的目的就是利用手機(jī)GPS、手機(jī)Google Earth并將二者結(jié)合，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)手機(jī)GPS應(yīng)用于道路勘察設(shè)計(jì)。

一、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1. 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

手機(jī)GPS和手機(jī)Google Earth采用的坐標(biāo)系均為WGS-84大地坐標(biāo)系，而道路勘察設(shè)計(jì)中常用的坐標(biāo)系為平面直角坐標(biāo)系，一般為1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系，也經(jīng)常采用獨(dú)立坐標(biāo)系或假定坐標(biāo)系。把手機(jī)GPS和手機(jī)Google Earth應(yīng)用到道路勘察設(shè)計(jì)中，必須解決WGS-84與道路坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法很多，一般情況下，應(yīng)根據(jù)已知條件的不同而使用不同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。當(dāng)?shù)缆房辈煸O(shè)計(jì)的坐標(biāo)系為1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或已知轉(zhuǎn)換關(guān)系的獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，WGS-84坐標(biāo)系與之采用的橢球基準(zhǔn)不同，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，宜采用布爾莎七參數(shù)法實(shí)現(xiàn)WGS-84坐標(biāo)系與道路勘察設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)缆房辈煸O(shè)計(jì)坐標(biāo)系的橢球參數(shù)和投影參數(shù)缺失或?yàn)榧俣ㄗ鴺?biāo)系(在前期工作中常見)時(shí)，坐標(biāo)系的橢球參數(shù)及投影參數(shù)未知。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，GPS坐標(biāo)向地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)二維轉(zhuǎn)換方法比較簡(jiǎn)便，效果較好，通過相似變換，得到四參數(shù)(平移x、y，尺度變化m，旋轉(zhuǎn)角度α)。該方法不需要知道道路勘察設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的橢球參數(shù)和投影參數(shù)等坐標(biāo)系相關(guān)參數(shù)。

2. 公共點(diǎn)的獲取

采用布爾莎七參數(shù)法和二維轉(zhuǎn)換方法，分別需要至少3個(gè)和2個(gè)以上公共點(diǎn)來進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

當(dāng)能夠獲取精確公共點(diǎn)資料時(shí)，可使用精確的公共點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算。但在實(shí)際道路項(xiàng)目中，獲取精確的公共點(diǎn)資料對(duì)一般設(shè)計(jì)人員而言，并不是一件容易的事情。一方面可能坐標(biāo)系是年代久遠(yuǎn)、資料不全的地方局部坐標(biāo)系，或本身是假定坐標(biāo)系，根本就不存在精確的公共點(diǎn)。另一方面，即使坐標(biāo)系橢球參數(shù)和投影參數(shù)已知，公共點(diǎn)的獲取也相當(dāng)困難，要么需要從測(cè)繪部門獲得公共點(diǎn)資料，而公共點(diǎn)資料往往保密或需要購買；要么還未進(jìn)行控制測(cè)量，實(shí)測(cè)需要時(shí)間和費(fèi)用。手機(jī)GPS應(yīng)用到道路勘察設(shè)計(jì)必須通過公共點(diǎn)資料來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，因此公共點(diǎn)資料需要尋求更加容易的來源。

手機(jī)GPS定位精度在幾米至幾十米之間，精度并不高。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，當(dāng)不能獲取精確的公共點(diǎn)時(shí)，通過直接從地形圖和Google Earth讀取同一地形或地物特征點(diǎn)坐標(biāo)來作為公共點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，為一種行之有效的方法。具體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程在此不再論述，有眾多文獻(xiàn)可以查閱。

二、手機(jī)GPS功能開發(fā)

1. 功能實(shí)現(xiàn)

通過手機(jī)GPS在勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，利用Google Earth二次開發(fā)技術(shù)，在安卓手機(jī)端的JSL-路途系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1) 測(cè)量點(diǎn)大地坐標(biāo)，并導(dǎo)出為KML文件，應(yīng)用于道路方案設(shè)計(jì)。

2) 記錄車行或步行軌跡，并導(dǎo)出為KML文件，應(yīng)用于道路勘察。

3) 拍攝GPS照片，應(yīng)用于道路勘察和設(shè)計(jì)。

在PC端的JSL-路線專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1) 將KML文件中的大地坐標(biāo)點(diǎn)和軌跡轉(zhuǎn)換為AutoCAD實(shí)體對(duì)象，應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)。

2) 將道路設(shè)計(jì)中心線根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML文件，實(shí)現(xiàn)了道路中心線的KML一鍵生成，在JSL-路途系統(tǒng)中結(jié)合手機(jī)GPS使用。

3) 將任意AutoCAD DWG文件，包括但不限于道路的線位圖、公路平面總體設(shè)計(jì)圖和道路三維模型等，實(shí)體包括直線(Line)、圓弧(Arc)、多段線(LWPolyline)、曲面(3DFace)和文字(Text)等常用CAD對(duì)象，轉(zhuǎn)換成KML文件，在JSL-路途系統(tǒng)中結(jié)合手機(jī)GPS使用。

4) 將GPS照片文件名追加道路路線里程樁號(hào)，便于照片檢索，應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)。

通過以上功能實(shí)現(xiàn)了手機(jī)Google Earth資料與道路勘察設(shè)計(jì)資料的相互轉(zhuǎn)換，能夠應(yīng)用到道路勘察設(shè)計(jì)中。

2. 轉(zhuǎn)換精度分析

手機(jī)GPS應(yīng)用于道路勘察設(shè)計(jì)的精度取決于兩個(gè)方面：一是手機(jī)定位本身的精度，它受衛(wèi)星信號(hào)等多方面因素控制，人為控制因素少；另一方面是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，由于坐標(biāo)系參數(shù)、公共點(diǎn)等原因，人為可控因素多，是研究重點(diǎn)。

對(duì)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而言，精確的公共點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)轉(zhuǎn)換的精度足夠滿足勘察設(shè)計(jì)的需求。但只有低精度的公共點(diǎn)資料時(shí)，如何提高轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的精度值得研究。第一，由于人工讀取坐標(biāo)，錯(cuò)誤或偶然誤差會(huì)比較多，可以通過公共點(diǎn)的殘差剔除一些精度較低的點(diǎn)，來提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度；第二，直接從地形圖和Google Earth讀取的公共點(diǎn)精度較低，根據(jù)文獻(xiàn)[3]及實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證，適當(dāng)均勻地增加公共點(diǎn)個(gè)數(shù)，能有效地提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，公共點(diǎn)分布范圍越廣越均勻，所得轉(zhuǎn)換坐標(biāo)精度越穩(wěn)定；第三，由于公共點(diǎn)的大地高直接從Google Earth上讀取，誤差較大，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，即使公共點(diǎn)中高程存在500 m的誤差，其平面坐標(biāo)的差異也在米以內(nèi)，高程誤差對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的影響較小。

通過多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，直接從地形圖和Google Earth讀取公共點(diǎn)的方法，通過最小二乘法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到10 m左右。因手機(jī)GPS及手機(jī)Google Earth本身精度并不高，在道路勘察設(shè)計(jì)中10m左右的精度還是可以接受的，能夠滿足道路勘察設(shè)計(jì)的較多應(yīng)用需求。

三、應(yīng)用及工程實(shí)例

1. 尋找控制點(diǎn)

在野外勘察中，測(cè)量階段需要尋找控制點(diǎn)所在位置。通常情況下，根據(jù)控制點(diǎn)的點(diǎn)之記去尋找控制點(diǎn)，往往很浪費(fèi)時(shí)間。通過把控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換為KML文件，結(jié)合手機(jī)定位和手機(jī)Google Earth，尋找控制點(diǎn)時(shí)可以大幅度提高效率。

2. 尋找線位

通過JSL-路線專家系統(tǒng)將設(shè)計(jì)線或公路平面總體設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)成KML文件。現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，可以根據(jù)手機(jī)GPS定位和手機(jī)Google Earth，顯示當(dāng)前位置和路線的相對(duì)關(guān)系，從而找到準(zhǔn)確的路線位置，方便現(xiàn)場(chǎng)踏勘，也可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、外業(yè)調(diào)查和地質(zhì)鉆探及現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)等方面。

在內(nèi)蒙古自治區(qū)某項(xiàng)目中，業(yè)主要求抽查現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況。項(xiàng)目里程超過260 km，全線均為戈壁灘，沒有明顯的地形或地物特征點(diǎn)，人工根本無法快速找到指定位置，而通過手機(jī)GPS、手機(jī)Google Earth及線位KML，快速找到了鉆孔位置。由此可見，手機(jī)GPS在一些特殊地區(qū)的道路勘察設(shè)計(jì)中可以應(yīng)用。

3. 測(cè)量地物坐標(biāo)

利用GPS的定位功能，在野外用JSL-路途系統(tǒng)或OruxMaps等軟件直接測(cè)量地形或地物特征點(diǎn)的WGS-84系統(tǒng)坐標(biāo)，導(dǎo)出地形或地物特征點(diǎn)KML文件。

通過JSL-路線專家系統(tǒng)，將KML文件直接轉(zhuǎn)成AutoCAD中的實(shí)體，作為路線方案的控制點(diǎn)，精度可以達(dá)到10 m左右。這主要用于工程可行性研究階段或初步設(shè)計(jì)階段，方案研究或未進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)，測(cè)量路線控制點(diǎn)使用。

在107國道孝感市肖港至張公堤段改建工程中，在路線走廊中存在眾多500 kV和220 kV的高壓線，由于時(shí)間緊迫，地形圖和控制測(cè)量尚未完成，如何避開高壓電塔，以滿足規(guī)范要求的角度穿越高壓線，減少或避免高壓電塔的拆遷，確定合理的路線方案，是一個(gè)難以完成的任務(wù)。通過手機(jī)GPS測(cè)量電塔坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為AutoCAD實(shí)體，根據(jù)手機(jī)GPS測(cè)量結(jié)果進(jìn)行路線方案設(shè)計(jì)，達(dá)到了理想的結(jié)果。

4. 記錄軌跡

野外現(xiàn)場(chǎng)踏勘經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)找不到進(jìn)場(chǎng)的道路或因?yàn)榈缆凡煌〞扯趯?shí)際踏勘中出現(xiàn)走錯(cuò)路或走回頭路的情況。那么，通過手機(jī)GPS的記錄軌跡，可以讓未到過現(xiàn)場(chǎng)的人員通過軌跡跟蹤功能在地形復(fù)雜的地形也能找到別人走過的正確路線，方便進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)。

5. 拍攝GPS照片

在現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地質(zhì)調(diào)繪等外業(yè)調(diào)查中，經(jīng)常要拍攝一些現(xiàn)場(chǎng)照片，來作為勘察設(shè)計(jì)資料。當(dāng)這些照片較多時(shí)，其整理工作是一個(gè)大問題。一方面整理工作量大，另一方面若未進(jìn)行整理，時(shí)間久了會(huì)忘記照片的具體位置。通過帶GPS的手機(jī)或相機(jī)拍攝GPS照片，GPS照片跟普通JPG圖片在外觀上沒有任何不同，只是其EXIF信息里記錄有GPS定位信息。GPS照片拍攝后，可以用JSL-路線專家系統(tǒng)讀取照片的GPS定位信息，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后到道路的平面直角坐標(biāo)系，然后找到對(duì)應(yīng)的樁號(hào)，最后在照片的文件名上追加對(duì)應(yīng)樁號(hào)信息，便于以后設(shè)計(jì)中查找、使用。另外還可以把GPS照片在Google Earth上進(jìn)行展示，方便資料整理和方案匯報(bào)。

四、結(jié)束語

手機(jī)GPS應(yīng)用于道路勘察設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值，給勘察設(shè)計(jì)帶來了便利。但由于其單點(diǎn)定位精度較低，還不能直接應(yīng)用于中樁等外業(yè)測(cè)量中，只能作為常規(guī)測(cè)量的一種粗略補(bǔ)充測(cè)量手段，為道路勘察設(shè)計(jì)服務(wù)。本次研究作為手機(jī)GPS在勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用嘗試，未來可進(jìn)一步研究，以提高手機(jī)GPS的定位精度，更好地應(yīng)用到道路勘察設(shè)計(jì)中。手機(jī)GPS還可以用到鐵路、水利和電力等工程行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)中。

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中圖分類號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0080-03

作者簡(jiǎn)介：劉利民(1975—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事道路路線、互通設(shè)計(jì)及道路專業(yè)軟件研發(fā)。E-mail：13707175815@139.com

收稿日期：2015-03-17

引文格式： 劉利民，劉艷娟. 手機(jī)GPS在道路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：80-82.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0092.