鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉(zhuǎn)換方法

張 帥

（1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 湖北 武漢 430070）

鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉(zhuǎn)換方法

張 帥1

（1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 湖北 武漢 430070）

基于ObjectARX技術(shù)，結(jié)合拉美某國(guó)鐵路項(xiàng)目，研究了ACAD線路數(shù)據(jù)向GE的轉(zhuǎn)換方法，并簡(jiǎn)述轉(zhuǎn)換后的GE線路圖在鐵路項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)和后期巡檢等管理工作中的實(shí)際應(yīng)用。

AutoCAD；線性工程 ；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；GoogleEarth ObjectARX

近年來，隨著海外市場(chǎng)的開拓，我國(guó)參建項(xiàng)目數(shù)量與日俱增。其中不乏鐵路、公路等線性工程。這類工程大多會(huì)遠(yuǎn)離城區(qū)，給項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)與施工巡檢工作在線路導(dǎo)航與定位方面造成極大不便。尤其是路線勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，一般會(huì)根據(jù)展繪在衛(wèi)片上的線路圖與實(shí)地情況反復(fù)比較、修正，直至線路設(shè)計(jì)最終完成。

在拉美、非洲等地的大部分國(guó)家和地區(qū)，設(shè)計(jì)公司習(xí)慣將線路圖繪制在ACAD上，然后轉(zhuǎn)換成KML格式文件，導(dǎo)入手機(jī)GE進(jìn)行實(shí)地導(dǎo)航和踏勘選線工作。由于手機(jī)等智能設(shè)備攜帶方便，又能滿足前期踏勘和后期巡檢的精度要求，因而在這些國(guó)家和地區(qū)開展線路工程管理工作時(shí)，ACAD線路數(shù)據(jù)向GE轉(zhuǎn)換顯得尤為重要。

1 線路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的基本流程

設(shè)計(jì)公司在選線階段，先進(jìn)行紙上定線，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定線路交點(diǎn)，再結(jié)合線路的速度（或最小曲線半徑）、最短緩和曲線長(zhǎng)度、周邊自然環(huán)境及城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村規(guī)劃等計(jì)算出圓曲線和緩和曲線位置。在鐵路線路成果文件中，一般包括平曲線參數(shù)表、豎曲線參數(shù)表和超高數(shù)據(jù)表。按照拉美一帶的習(xí)慣，先根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中繪制出各段直線段、圓曲線和緩和曲線，并連成一個(gè)多線段，再根據(jù)對(duì)項(xiàng)目里程精度的需要，間隔一定距離讀取該里程點(diǎn)位的坐標(biāo)（X，Y），此點(diǎn)位為大地坐標(biāo)（B，L）投影后的數(shù)據(jù)。在拉美地區(qū)，多采用WGS-84投影橢球，投影方式為通用橫軸墨卡托投影（UTM）。根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型反算出大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度（B，L），再按照GE線路文件KML格式進(jìn)行存儲(chǔ)后即可導(dǎo)入手機(jī)GE使用，為踏勘與巡檢提供導(dǎo)航與定位服務(wù)。以上流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用總體流程圖

2 線路圖形在ACAD中的繪制

設(shè)計(jì)公司提供的平曲線參數(shù)表一般包括交點(diǎn)坐標(biāo)、主點(diǎn)里程、轉(zhuǎn)角、曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)度等，不能根據(jù)任意里程來取得坐標(biāo)，尤其是整樁號(hào)，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)踏勘和后期巡檢起到有效的定位作用。因而須根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中展繪交點(diǎn)并依次連接成線段。直線段和圓曲線較為簡(jiǎn)單，而緩和曲線類型眾多，計(jì)算復(fù)雜，拉美地區(qū)一般采用回旋線擬合，點(diǎn)位沿緩和曲線至直緩點(diǎn)的長(zhǎng)度與坐標(biāo)的關(guān)系經(jīng)冪級(jí)數(shù)展開后，如式（1）[1]：

式中C=R·l0。需要說明的是，南美、非洲等地的鐵路速度基本在160 km/h以下，緩和曲線類型多采用回旋線。而我國(guó)鐵路工程線路設(shè)計(jì)一般采用三次拋物線[2]，公路工程才采用回旋線[3]。其中三次拋物線經(jīng)展開后是一個(gè)非線性方程，需要在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行迭代來完成[4]。

經(jīng)過在ACAD中的展繪，可在交點(diǎn)附近得到一組組直線段、緩和曲線和圓曲線。再使用ACAD命令“JOIN”連接這些線合成多線段。除了使用ACAD繪制外，還可以采用Civil 3D等專業(yè)軟件快速完成線路文件的設(shè)計(jì)。

3 投影類型簡(jiǎn)述和UTM投影計(jì)算

ACAD中線路圖形的點(diǎn)位表達(dá)方式均采用經(jīng)過地球橢球投影后的坐標(biāo)系統(tǒng)，不能直接使用在KML文件中，需要根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型進(jìn)行反算。

常見的地球橢球有Krassovsky 1948（1954年北京坐系），IAG 75（1980西安坐標(biāo)系）和WGS-84等，投影類型有Gauss-Krüger投影、UTM投影和Lambert等角投影。其中WGS-84協(xié)議地球參考系是美國(guó)國(guó)防部為適應(yīng)全球地圖編制和空間技術(shù)發(fā)展需要而建立的世界大地坐標(biāo)系，也是全球定位系統(tǒng)GPS采用的參考構(gòu)架。UTM投影是美國(guó)編制世界各地軍用地圖和地球資源衛(wèi)星像片采用的投影系統(tǒng)。鑒于此，WGS-84橢球和UTM投影在大地測(cè)量方面具備不可比擬的通用、普適和簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，也是拉美、非洲等地最常使用的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

海外工程的實(shí)施應(yīng)考慮和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)，因而，應(yīng)該熟悉掌握UTM投影的計(jì)算公式[5]：

UTM投影在中央子午線上存在投影長(zhǎng)度比0.999 6的變形，而離中央經(jīng)線左右約180 km 處有兩條長(zhǎng)度比為1的割線，在該割線上邊長(zhǎng)沒有變形，離這兩條割線愈遠(yuǎn)邊長(zhǎng)變形愈大。在這兩條割線之內(nèi)，邊長(zhǎng)經(jīng)投影后長(zhǎng)度縮小，即長(zhǎng)度變形為負(fù)值，最小為-0.000 4；兩條割線之外，邊長(zhǎng)經(jīng)投影后長(zhǎng)度放大，即長(zhǎng)度變形為正值，最大為0.000 98（B=0）。由于變形的復(fù)雜性和不確定性，所以投影計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量提高精度，避免誤差在經(jīng)過多次正反算迭代后變形超過允許范圍。美國(guó)大地測(cè)量專家Karney在2010年通過增加冪級(jí)數(shù)展開項(xiàng)的方法將UTM投影計(jì)算提高到幾個(gè)納米等級(jí)的精度[6]，避免了工程測(cè)量中出現(xiàn)以上問題。

4 使用ObjectARX技術(shù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

盡管ACAD繪圖設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，但并不支持對(duì)線路圖形的整樁里程點(diǎn)坐標(biāo)讀取、相應(yīng)UTM反算投影和KML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對(duì)其進(jìn)行功能上的訂制再利用，稱為ACAD二次開發(fā)。

二次開發(fā)常見的編程語言有C/C++、C#、AutoLISP、VBA等，其中C/C++為編譯性語言，對(duì)于大數(shù)據(jù)的處理效率較高，ObjectARX即C/C++針對(duì)ACAD進(jìn)行二次開發(fā)封裝的SDK。

基于ObjectARX技術(shù)，AcdbPolyline:getPointAtDist可以讀取ACAD線路圖形任意里程的坐標(biāo)。反算過程可采用Karney編寫的成熟C++庫 GeographicLib[7]，經(jīng)驗(yàn)算，完全可以達(dá)到幾個(gè)納米級(jí)精度。

經(jīng)過（B，L）=F（X，Y）投影反算后，大地經(jīng)緯度（B，L）即可按照KML格式標(biāo)準(zhǔn)寫入文件[8]。

實(shí)際上，GE提供了KMZ和KML兩種文件存儲(chǔ)格式，前者是后者的壓縮形式，因而只需研究KML格式。KML 是一種 XML 描述語言，為文本文件，可直接進(jìn)行編輯，也可通過代碼實(shí)現(xiàn)地標(biāo)文件內(nèi)部信息的讀取和寫入。其中常見的標(biāo)簽如下：

由于KML采用簡(jiǎn)單的XML結(jié)構(gòu)，可使用XML庫Tinyxml等寫入KML文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的偽代碼表示如下：

int ConvertToKml_Line（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔1 m讀取ACAD線路坐標(biāo)點(diǎn)（X1m,Y1m）

//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為（B1m，L1m）

//將（B1m，L1m）寫入線路KML文件直至線路結(jié)尾}

int ConvertToKml_Dot（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔整樁(按100 m)讀取ACAD線路坐標(biāo)點(diǎn)（X100m,Y100m）

//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為（B100m，L100m）

//將（B100m，L100m）寫入整樁點(diǎn)位KML文件直至線路結(jié)尾}

根據(jù)以上原理，編程生成KML文件導(dǎo)入手機(jī)GE進(jìn)行定位導(dǎo)航，效果如圖2～3。

圖2 轉(zhuǎn)換后整體效果圖

圖3 應(yīng)用時(shí)局部導(dǎo)航圖

5 鐵路工程中GE線路文件的應(yīng)用

在南美、非洲等地，由于線路工程路線勘測(cè)設(shè)計(jì)階段缺乏航拍數(shù)據(jù)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員經(jīng)常結(jié)合GE中的衛(wèi)片進(jìn)行“紙上定線”。在無法獲得精確信息時(shí)，將轉(zhuǎn)換完成的KML文件導(dǎo)入手持智能設(shè)備，用GE或同類軟件打開進(jìn)行實(shí)地導(dǎo)航與定位，為項(xiàng)目前期線路設(shè)計(jì)人員的踏勘、選線提供了極大便利，也為后期項(xiàng)目管理過程中巡檢人員的質(zhì)量、安全檢查提供了簡(jiǎn)便有效的定位手段。

結(jié)合上述方法，南美某國(guó)鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員、施工管理人員大大提高了工作效率。在2014～2015年度，我國(guó)多次在南美地區(qū)提出“兩洋鐵路”（連接大西洋太平洋）概念，部分國(guó)家和地區(qū)在我國(guó)企業(yè)主導(dǎo)或參與下已啟動(dòng)了可行性研究工作。隨著這條鐵路各項(xiàng)工作的深入開展，尤其在線路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，這種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換利用將更加頻繁。

[1] AutoDesk,Inc AutoCAD Civil 3D 用戶手冊(cè) 緩和曲線定義 [EB/OL]. [2015-10-31].http://docs.autodesk.com/ CIV3D/2013/CHS/ index.html?url=filesCUG/GUID-581518E0-DE06-482E-840C-B997C3590489.htm,topicNumber= CUGd30e185916

[2] GB50090-2006.鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTG-D20-2006. 公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 余時(shí)民,庹立新.三次拋物線測(cè)設(shè)高速鐵路曲線[J].高速鐵路技術(shù),2010(S1):18-24

[5] 李國(guó)義,姚楚光.UTM投影及其變形分析[J].理空間信息,2013,11(6):80-83

[6] KARNEY CFF.Transverse Mercator with an Accuracy of a Few Nanometers[J].Journal of Geodesy,August 2011,85(8):475-485

[7] KARNEY C.GeographicLib[EB/OL].(2010-02-08)[2015-07-30].http://Geographiclib.Sourceforge.net/

[8] 開放地理信息聯(lián)盟(OGC)KML.白皮書[EB/OL].[2015-08-04].http://Docs.Opengeospatial.org/is/12-007r2/12-007r2.html

P208

B

1672-4623（2016）10-0101-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.032

張帥，工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、大地測(cè)量及其在大型項(xiàng)目管理中的技術(shù)質(zhì)量控制。

2016-01-06。