道路放樣數(shù)據(jù)計(jì)算APP開發(fā)與設(shè)計(jì)

鄭志煌

（1.福建經(jīng)緯測(cè)繪信息有限公司，福州350002；2.數(shù)字福建自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)研究所，廈門361024）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，各種等級(jí)、類型的公路越來(lái)越多［1-3］.在道路測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工作中，需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)記錄，針對(duì)目前普通紙質(zhì)檔記錄存在易出錯(cuò)、記錄不便且容易損毀遺失的問(wèn)題，通過(guò)移動(dòng)端設(shè)備可及時(shí)計(jì)算、修改、保存數(shù)據(jù)，迅速準(zhǔn)確地提供放樣數(shù)據(jù)和檢核放樣成果，極大的方便測(cè)量人員的放樣工作，減少其勞動(dòng)強(qiáng)度.我國(guó)APP 軟件開發(fā)市場(chǎng)正處于高速發(fā)展中，如地圖導(dǎo)航定位、科學(xué)計(jì)算器等軟件在測(cè)繪行業(yè)中得到較好地利用［4］.在手機(jī)平臺(tái)的選擇上，安卓系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，且系統(tǒng)本身具有開源性，便于軟件的開發(fā)和應(yīng)用［5-8］.同時(shí)，安卓系統(tǒng)在道路測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算中能突破傳統(tǒng)測(cè)量中存在的環(huán)境、條件等限制，能夠降低錯(cuò)誤率，從而有效提升測(cè)量的精確度.雖然安卓系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，但APP 應(yīng)用在道路施工的坐標(biāo)點(diǎn)位計(jì)算的報(bào)道較少，道路測(cè)設(shè)APP 將充分考慮基于Android 操作系統(tǒng)的道路測(cè)設(shè)軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，使用經(jīng)典的道路測(cè)設(shè)數(shù)學(xué)模型，選擇使用廣泛、操作便捷、開放性好及可擴(kuò)展性強(qiáng)的Android平臺(tái)作為開發(fā)平臺(tái)，利用高效性、通用性、安全性和平臺(tái)移植性卓越的Java 編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可在任何一款A(yù)ndroid 操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行道路測(cè)設(shè)相關(guān)計(jì)算、繪制道路簡(jiǎn)圖及進(jìn)行簡(jiǎn)單坐標(biāo)變換的操作.整個(gè)操作過(guò)程靈活簡(jiǎn)單，計(jì)算數(shù)據(jù)迅速精確，可以提高工作效率和質(zhì)量.因此，本研究通過(guò)開發(fā)與設(shè)計(jì)道路數(shù)據(jù)計(jì)算APP，對(duì)道路在直線段、圓曲線段及帶緩和曲線的圓曲線三種類型的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算與應(yīng)用，驗(yàn)證道路放樣數(shù)據(jù)計(jì)算APP 提高道路施工放樣的效益，成效明顯.

1 APP技術(shù)流程與開發(fā)環(huán)境

1.1 設(shè)計(jì)流程

本研究的技術(shù)路線主要包含軟件功能需求分析、設(shè)計(jì)具體功能模塊、界面設(shè)計(jì)及UI 設(shè)計(jì)、編輯及調(diào)試APP、輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、檢查結(jié)果以及完善APP 與計(jì)算成果，在功能模塊中包含直線段、曲線段及帶緩和曲線段的曲線點(diǎn)位三種類型的坐標(biāo)計(jì)算，具體流程如圖1 所示.

圖1 軟件APP設(shè)計(jì)技術(shù)流程

1.2 平臺(tái)與環(huán)境

目前移動(dòng)設(shè)備的系統(tǒng)種類很多，主要有Android、iOS、Firefox OS、YunOS、BlackBerry、Windows phone 等.Android 是一種基于Linux 的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦.Android 操作系統(tǒng)最初由Andy Rubin 開發(fā)，主要支持手機(jī).因此，本研究是采用Java 語(yǔ)言基于Android Studio 平臺(tái)開發(fā)Android 操作系統(tǒng)進(jìn)行道路放樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)位計(jì)算及數(shù)據(jù)處理.

2 APP需求分析與功能設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

曲線測(cè)設(shè)是道路工程放樣的重要組成部分之一.在道路線路測(cè)量中，線路中線都是由直線和曲線組成的，在平面內(nèi)連接不同路線的曲線稱為平面曲線.曲線測(cè)設(shè)通常采用偏角法和切線支距法，也有極坐標(biāo)法、旋線支距法、旋線偏角法、正矢法及割線法等.在測(cè)距與計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用狀況下，尤其在電子速測(cè)儀配合下的極坐標(biāo)法放樣曲線更具其優(yōu)越性［1］.放樣點(diǎn)位的正確性和精度的高低直接關(guān)系到施工質(zhì)量.因此放樣結(jié)束后，需對(duì)實(shí)測(cè)放樣點(diǎn)坐標(biāo)與相應(yīng)設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行比較，若超限需重新放樣.在道路放樣前需對(duì)待放樣點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，在放樣后也需進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證放樣精確性，計(jì)算方法通常有交點(diǎn)法和線元法.交點(diǎn)法是以路線的交點(diǎn)和主要要素來(lái)求得坐標(biāo)，線元法是以路線的起點(diǎn)坐標(biāo)、方位角、起終點(diǎn)樁號(hào)等元素計(jì)算出要求的坐標(biāo).由于交點(diǎn)法在道路放樣及驗(yàn)證中具有較高精度，本研究采用交點(diǎn)法對(duì)道路的直線段點(diǎn)位、圓曲線點(diǎn)位及帶緩和曲線的圓曲線點(diǎn)位三種類型進(jìn)行道路放樣數(shù)據(jù)計(jì)算.因此本研究APP 功能需求有以下三種：

（1）直線段點(diǎn)位的坐標(biāo)計(jì)算.輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)X起，Y起，點(diǎn)間間隔距離D，方位角度、分、秒，輸出待放樣點(diǎn)坐標(biāo)Xi，Yi；

（2）圓曲線段點(diǎn)位的坐標(biāo)計(jì)算.輸入起點(diǎn)坐標(biāo)X起，Y起，終點(diǎn)坐標(biāo)X終，Y終，圓曲線半徑R，交點(diǎn)坐標(biāo)XJD，YJD，交點(diǎn)里程KJD，待放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)里程Ki，輸出切線長(zhǎng)T，曲線長(zhǎng)L，外矢距E，切曲差q，待放樣點(diǎn)坐標(biāo)Xi，Yi，設(shè)計(jì)里程Ki；

（3）帶緩和曲線的圓曲線點(diǎn)位的坐標(biāo)計(jì)算.輸入起點(diǎn)坐標(biāo)X起，Y起，終點(diǎn)坐標(biāo)X終，Y終，交點(diǎn)坐標(biāo)XJD，YJD，交點(diǎn)里程KJD，圓曲線半徑R，緩和曲線長(zhǎng)度L0，待放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)里程Ki，輸出切垂距m，圓曲線內(nèi)移量P，緩和曲線切線角β0，圓曲線切線長(zhǎng)TH，曲線長(zhǎng)LH，外矢距EH，切曲差q，待放樣點(diǎn)坐標(biāo)Xi，Yi.

2.2 功能設(shè)計(jì)

道路測(cè)設(shè)部分有道路綜合要素、各主點(diǎn)里程、設(shè)計(jì)坐標(biāo)和放樣數(shù)據(jù)計(jì)算、計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、繪圖等功能.坐標(biāo)變換部分有大地坐標(biāo)與大地空間直角坐標(biāo)的變換、不同大地空間直角坐標(biāo)系間的變換及高斯正反算等.坐標(biāo)系統(tǒng)可自由選擇1954 年北京坐標(biāo)系、1980 西安坐標(biāo)系和CGCS2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，計(jì)算過(guò)程可完成驗(yàn)證檢查，防止輸入錯(cuò)誤.

2.2.1 直線段類型

直線段點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算是基于道路直線段放樣要求經(jīng)計(jì)算得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，如直線道路的方位角、起始點(diǎn)坐標(biāo).按照坐標(biāo)正算的方式進(jìn)行計(jì)算，從而獲得待放樣點(diǎn)的坐標(biāo).直線段測(cè)設(shè)的計(jì)算原理及思路為：先將直線段構(gòu)成的數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的導(dǎo)線測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)中，進(jìn)而再計(jì)算放樣要素.軟件APP 界面包括8 個(gè)文本框，表示起始點(diǎn)坐標(biāo)X起，Y起，點(diǎn)間間隔距離D，方位角的度、分、秒，待放樣點(diǎn)坐標(biāo)Xi，Yi；8 個(gè)輸入框，對(duì)應(yīng)文本框表示的數(shù)據(jù)；4 個(gè)按鈕，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算、清除、繼續(xù)運(yùn)算、保存功能，數(shù)據(jù)保存功能可完整保存計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，具體流程如圖2 所示.

圖2 直線段坐標(biāo)計(jì)算流程

2.2.2 圓曲線段類型

圓曲線段點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算是基于道路放樣的要求經(jīng)計(jì)算得出道路圓曲線段的交點(diǎn)坐標(biāo)和里程、圓曲線的半徑，按工程測(cè)量規(guī)范提到計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，從而獲得待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)［9-10］.圓曲線測(cè)設(shè)的計(jì)算原理及思路為：先將緩和曲線段、圓曲線段以及直線段構(gòu)成的曲線歸算到統(tǒng)一的導(dǎo)線測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)中，再計(jì)算放樣要素.軟件APP 界面包括16 個(gè)文本框，表示起點(diǎn)坐標(biāo)X起，Y起，終點(diǎn)坐標(biāo)X終，Y終，圓曲線半徑R，交點(diǎn)坐標(biāo)XJD，YJD，交點(diǎn)里程KJD，待放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)里程Ki，切線長(zhǎng)T，曲線長(zhǎng)L，外矢距E，切曲差q，待放樣點(diǎn)坐標(biāo)Xi，Yi，設(shè)計(jì)里程Ki；16 個(gè)輸入框，對(duì)應(yīng)文本框表示的數(shù)據(jù)；兩個(gè)選擇按鈕，對(duì)應(yīng)路線左轉(zhuǎn)和路線右轉(zhuǎn)；3 個(gè)按鈕，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算、清空、保存功能，數(shù)據(jù)保存功能可完整保存計(jì)算的數(shù)據(jù)，流程如圖3 所示.

圖3 圓曲線段計(jì)算流程圖

2.2.3 帶緩和曲線的圓曲線段類型

帶緩和曲線的圓曲線段點(diǎn)位坐標(biāo)將是基于道路帶緩和曲線的圓曲線段放樣的計(jì)算道路的交點(diǎn)坐標(biāo)和里程，圓曲線的半徑，緩和曲線長(zhǎng)度，按照工程測(cè)量規(guī)范提到的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，從而獲得待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)［11-13］.

3 APP開發(fā)與設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)平臺(tái)搭建

開發(fā)平臺(tái)搭建需要進(jìn)行環(huán)境變量的配置.首先安裝JDK，注意將JDK 和JRE 安裝到相同目錄；設(shè)置CLASSPATH 目的用來(lái)確定Java 執(zhí)行環(huán)境.其次，設(shè)置SDK 界面.在開發(fā)平臺(tái)環(huán)境配置完成后，該初始界面選定Configure-SDK Manager，選擇Android 4.1 以上的SDK 版本安裝，完成后設(shè)置Android Studio SDK 界面.

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 APP軟件界面設(shè)計(jì)

在APP 軟件界面設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先在Android Studio3.0.1 軟件開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目.其次，設(shè)計(jì)界面主要運(yùn)用到布局為Relative Layout（相對(duì)布局）和Linear Layout（線性布局），android 中可自定義主題和風(fēng)格.本研究設(shè)計(jì)白色背景顏色以及控件大小，并根據(jù)美觀原則將控件按鈕設(shè)置與主題相同的顏色，即完成軟件界面設(shè)計(jì).

（1）主頁(yè)面界面設(shè)計(jì).主界面采用線性布局，里面包括1 個(gè)文本框顯示應(yīng)用名稱，4 個(gè)按鈕分別對(duì)應(yīng)直線段計(jì)算界面、圓曲線段計(jì)算界面、帶緩和曲線的圓曲線段計(jì)算界面及提示界面.

（2）直線段界面設(shè)計(jì).直線段計(jì)算界面采用線性布局的嵌套，線性布局下面是一些控件，包括文本框，輸入框及按鈕等.

（3）圓曲線段界面設(shè)計(jì).圓曲線段計(jì)算界面采用相對(duì)布局和線性布局的嵌套，利用相對(duì)布局和線性布局的垂直和水平分布將控件排列出來(lái)，還包括文本框、輸入框、常規(guī)按鈕、選擇按鈕等控件.

（4）帶緩和曲線的圓曲線段界面設(shè)計(jì).帶緩和曲線的圓曲線段計(jì)算界面采用相對(duì)布局和線性布局的嵌套，利用相對(duì)布局和線性布局的垂直和水平分布將控件排列出來(lái)，還包括文本框、輸入框、常規(guī)按鈕、選擇按鈕等控件.

3.2.2 邏輯代碼編輯

（1）直線段計(jì)算代碼編寫.直線段計(jì)算部分首先聲明Butterknife 框架，在主界面已聲明是更明確地聲明控件.其次開始聲明布局頁(yè)面中的控件，編寫清空、繼續(xù)運(yùn)算、保存、計(jì)算按鈕的事件代碼.

（2）圓曲線段邏輯代碼編寫.圓曲線段坐標(biāo)點(diǎn)位計(jì)算的邏輯代碼的核心內(nèi)容如下：

（3）帶緩和曲線的圓曲線段邏輯代碼編寫.帶緩和曲線的圓曲線段邏輯代碼主要考慮放樣點(diǎn)位的具體位置.帶緩和曲線的圓曲線段坐標(biāo)點(diǎn)位計(jì)算的邏輯代碼的核心內(nèi)容如下：

3.3 結(jié)果核驗(yàn)

貴州省沿河至榕江高速公路土建的第六施工段的部分直線、曲線及轉(zhuǎn)角值成果，如表1 所示.本研究可利用表1 中的數(shù)據(jù)應(yīng)用APP 軟件對(duì)于道路施工的直線段、圓曲線段及帶緩和圓曲線段的放樣點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算的正確性進(jìn)行核驗(yàn).

表1 道路工程的直線、曲線及轉(zhuǎn)角值

3.3.1 直線段計(jì)算檢驗(yàn)

從表1 和圖4 可得，本研究將JD31 作為起始點(diǎn)，JD31 至JD32 之間的距離作為間隔距離，JD31至JD32 之間的直線方位角作為已知方位角，通過(guò)APP 軟件的直線段計(jì)算功能的界面可計(jì)算出帶放樣點(diǎn)位JD32 的坐標(biāo)值，并與表格中的數(shù)據(jù)對(duì)比，得到兩類數(shù)據(jù)的結(jié)果一致.可驗(yàn)證直線段點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性.

3.3.2 圓曲線段計(jì)算檢驗(yàn)

從表1 和圖5 可得，本研究將JD33 作為起始點(diǎn)，JD35 作為終點(diǎn)，JD34 作為需要計(jì)算的圓曲線段的交點(diǎn)，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)APP 的圓曲線段功能的界面可完整地計(jì)算出待放樣點(diǎn)位的坐標(biāo)值，且通過(guò)計(jì)算得到道路圓曲線段的切線長(zhǎng)、曲線長(zhǎng)、外矢距、切曲差的值，并與表格中的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)作比較，得到兩種數(shù)據(jù)結(jié)果無(wú)差異，驗(yàn)證得到道路圓曲線段坐標(biāo)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性.

3.3.3 帶緩和曲線的圓曲線段計(jì)算檢驗(yàn)

從表1 和圖6 可得，本研究將JD31 作為起始點(diǎn)，JD33 作為終點(diǎn)，JD32 作為需要計(jì)算的帶緩和曲線的圓曲線段的交點(diǎn)，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)APP軟件的帶緩和曲線段功能的界面可完整地計(jì)算出待放樣點(diǎn)位的坐標(biāo)值，且通過(guò)計(jì)算得出帶緩和曲線的圓曲線段的切線長(zhǎng)、曲線長(zhǎng)、外矢距、切曲差值，并與表1 中的數(shù)據(jù)作比較，得到兩種數(shù)據(jù)結(jié)果無(wú)差異，驗(yàn)證了帶緩和曲線的圓曲線段的坐標(biāo)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性.

通過(guò)對(duì)曲線測(cè)設(shè)APP 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比以及案例分析，道路測(cè)設(shè)APP 的計(jì)算精度對(duì)于一般的工程項(xiàng)目是完全適用的，而且適用于安裝在任何一款A(yù)ndroid 操作系統(tǒng)的手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上.道路測(cè)設(shè)APP 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)使復(fù)雜的曲線計(jì)算便捷化、簡(jiǎn)單化，提高了野外作業(yè)的效率，為用戶提供了極大的方便.隨著Android 操作系統(tǒng)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，曲線測(cè)設(shè)APP 將會(huì)以其搭載平臺(tái)廣泛、功能清晰、界面友好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)被人們所接受.基于Android 的曲線測(cè)設(shè)APP 可以進(jìn)一步與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，增加一些其他功能模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)上傳及返回，以達(dá)到遠(yuǎn)程掌控制、處理、返回曲線測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)的目的.

圖4 直線段坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果

圖5 圓曲線段計(jì)算結(jié)果

圖6 帶緩和曲線的圓曲線段計(jì)算成果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的APP，可實(shí)現(xiàn)道路放樣數(shù)據(jù)的測(cè)量記錄界面無(wú)紙化及計(jì)算，并對(duì)高速公路道路施工的放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行核驗(yàn)，結(jié)果精度高.該APP 軟件可減少傳統(tǒng)的紙質(zhì)檔記錄帶來(lái)的誤差及人工計(jì)算誤差.道路放樣是交通工程中一項(xiàng)十分重要的工作，該APP 獲得數(shù)據(jù)可自行保存和隨時(shí)查看及存檔，便于后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)數(shù)據(jù)的調(diào)用，避免外業(yè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)導(dǎo)致頻繁返工等問(wèn)題.應(yīng)用結(jié)果表明，道路放樣數(shù)據(jù)計(jì)算APP 的開發(fā)設(shè)計(jì)，可提高道路放樣數(shù)據(jù)計(jì)算的效率和準(zhǔn)確度，提高道路施工放樣的工作效率和資料的管理水平，減少大量人力及物力，增強(qiáng)道路施工測(cè)量放樣的效益.此外，由于本研究開發(fā)條件等限制，本軟件只實(shí)現(xiàn)關(guān)于道路部分類型測(cè)設(shè)的初步設(shè)計(jì)與計(jì)算，在未來(lái)的研究中可使用分布式計(jì)算方法來(lái)進(jìn)一步提升其工作效率，提高計(jì)算精度，優(yōu)化軟件功能.