基于Omap的信息化公路工程地質(zhì)調(diào)繪

王 凱，杜謹(jǐn)益，彭森良，廖存剛，周 杰

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120； 3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 概述

公路工程地質(zhì)勘察的核心目的是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，框定邊界條件；論實(shí)質(zhì)，是對(duì)地質(zhì)、地理、水文信息的收集、整理、認(rèn)識(shí)。日常工作中地質(zhì)信息收集主導(dǎo)項(xiàng)目勘察進(jìn)度及成本，其支出占勘察費(fèi)用的80%以上[1-2]，主要采用現(xiàn)有地質(zhì)成果整理，現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)繪，物探，鉆探、坑槽探，室內(nèi)、原位試驗(yàn)等手段。工程地質(zhì)調(diào)繪在整個(gè)信息收集過(guò)程中扮演著承上啟下的角色，其一方面對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)成果進(jìn)行復(fù)核、補(bǔ)充；另一方面指導(dǎo)物探、鉆探、試驗(yàn)等實(shí)務(wù)工作開(kāi)展，是勘察工作中重要一環(huán)[3-5]。

傳統(tǒng)工程地質(zhì)調(diào)繪一般是將已獲取的地形、地質(zhì)資料紙質(zhì)化，野外工作時(shí)首先采用羅盤(pán)進(jìn)行方位判斷，結(jié)合著地形、地物進(jìn)行位置識(shí)別，后開(kāi)展相應(yīng)點(diǎn)工程地質(zhì)復(fù)核及調(diào)查[6-8]。整個(gè)工作流程效率不高，且地形圖與地質(zhì)成果分離，二者基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)精度不一致，會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)定位不準(zhǔn)，對(duì)工程布置與地形、地質(zhì)相關(guān)信息解讀誤差大，甚至錯(cuò)誤情況發(fā)生。自2010年iOS,Android取代塞班系統(tǒng)開(kāi)始，各種便攜式電子設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦開(kāi)始普及，其音頻、視頻、圖片、文字交互功能日趨強(qiáng)大，伴隨著系統(tǒng)及硬件的升級(jí)，OruxMaps,Omap,BIGEMAP等地圖查看APP開(kāi)始出現(xiàn)，并大量用于戶外運(yùn)動(dòng)中。地圖查看APP配合手機(jī)GPS定位功能，可實(shí)現(xiàn)在線、離線定位，軌跡記錄，路點(diǎn)標(biāo)記等功能，這與工程地質(zhì)調(diào)繪中地質(zhì)定點(diǎn)、地質(zhì)界線填繪需求不謀而合，故自2015年來(lái)國(guó)內(nèi)一些勘察設(shè)計(jì)院嘗試將設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入上述APP中，基于平板和手機(jī)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)繪[9-13]。由此，憑借著便攜式電子設(shè)備的發(fā)展及地圖查看APP功能的增強(qiáng)，工程地質(zhì)調(diào)繪也逐步邁入信息化時(shí)代，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師攜帶大量紙質(zhì)資料開(kāi)展調(diào)查被人手一臺(tái)平板(手機(jī))的新型工作方式所取代，這就是本文所指的信息化工程地質(zhì)調(diào)繪。

“信息化工程地質(zhì)調(diào)繪”實(shí)質(zhì)就是將已有的地形、地質(zhì)、設(shè)計(jì)資料集中于一個(gè)地圖查看APP中，各種信息間可快速切換，工程師首先依靠平板(手機(jī))內(nèi)置的GPS定位功能，快速確定所處位置與建筑物及已有地質(zhì)成果平面關(guān)系，后借助APP路點(diǎn)標(biāo)記、軌跡記錄功能開(kāi)展復(fù)核補(bǔ)充型工程地質(zhì)調(diào)繪，最后將成果交互至地質(zhì)平面圖中。相較于傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)繪方法，該法工作效率及質(zhì)量均顯著提高。在信息化調(diào)繪過(guò)程中，存在3個(gè)主要問(wèn)題：1)收集的地質(zhì)資料如何賦予坐標(biāo)使其具有位置屬性，并制作成自定義地圖現(xiàn)場(chǎng)使用。2)如何將解譯的地質(zhì)資料、建筑物布置圖、地形圖、擬定的勘探任務(wù)等具有坐標(biāo)屬性的成果，制作成APP可識(shí)別文件。3)如何將APP現(xiàn)場(chǎng)記錄的各類(lèi)地質(zhì)數(shù)據(jù)反饋至工程地質(zhì)平面圖中。

文中采用Omap APP，給出上述3個(gè)問(wèn)題的解決辦法，并以玉龍(雄古)至維西高速公路應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明；所用處理方法已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)高速公路、水電站項(xiàng)目中使用，實(shí)踐證明行之有效，供同行交流探討。

2 地質(zhì)圖坐標(biāo)化及自定義地圖制作

收集的區(qū)域地質(zhì)圖以掃描件為主，為位圖文件(.jpg,.bmp)，坐標(biāo)位置與實(shí)際位置不一一對(duì)應(yīng)，給定坐標(biāo)系，賦予其坐標(biāo)，使其具有位置屬性，并制作成適宜APP使用的自定義地圖，是處理該類(lèi)資料的關(guān)鍵，流程見(jiàn)圖1。整體可分為兩步：其一，Global Mapper軟件對(duì)分幅后地質(zhì)圖按四角點(diǎn)(圖中已給出具體經(jīng)緯度的點(diǎn))進(jìn)行裁剪，后通過(guò)自定義地圖導(dǎo)入桌面端Omap軟件，導(dǎo)入時(shí)指定按“經(jīng)緯度確定范圍”，并給定與裁剪位置相應(yīng)的圖面左上角、右下角經(jīng)緯度，同時(shí)生成低級(jí)別圖片(保證在不同縮放級(jí)別下，地圖均有顯示)，并導(dǎo)出地質(zhì)圖.ovmap，.sdb文件(兩個(gè)文件必須同名且位于同一文件夾)，至此完成地質(zhì)圖WGS84地理坐標(biāo)系下的位置初始化及自定義地圖制作；其二，其他桌面端、移動(dòng)端Omap軟件，自定義地圖窗口導(dǎo)入已制作完成的地質(zhì)圖.ovmap文件，數(shù)據(jù)管理窗口加載同名地質(zhì)圖.sdb文件，即完成自定義地圖使用端的添加。

在第一大步中，有下述3個(gè)細(xì)節(jié)：按“經(jīng)緯度確定范圍”，給定與裁剪位置相應(yīng)的圖面左上角、右下角經(jīng)緯度時(shí)，經(jīng)緯度即使為整數(shù)，也需輸入小數(shù)點(diǎn)符號(hào)“.”，并于其后加0，否則軟件無(wú)法識(shí)別；除通過(guò)“經(jīng)緯度確定范圍”外，亦可選擇“通過(guò)關(guān)聯(lián)點(diǎn)確定位置”。采用關(guān)聯(lián)點(diǎn)方法時(shí)，選中要導(dǎo)入的地質(zhì)圖.jpg文件，右鍵屬性“詳細(xì)信息”，通過(guò)分辨率參數(shù)即可查看地質(zhì)圖真實(shí)尺寸，在設(shè)置關(guān)聯(lián)點(diǎn)時(shí)，按分辨率以笛卡爾坐標(biāo)系形式分別輸入，即完全對(duì)應(yīng)地質(zhì)圖角點(diǎn)，默認(rèn)左上角點(diǎn)位為(0,0)點(diǎn)；公路等線性工程一般跨越多張區(qū)域地質(zhì)圖，為保證使用的連貫性，可在“自定義地圖管理”中選擇相應(yīng)地質(zhì)圖后點(diǎn)修改，在“疊加層”大小字體圖層中，選擇相鄰幅地質(zhì)圖即可。在疊加過(guò)程中，為求兩幅地質(zhì)圖分辨率相等，建議將地圖ID號(hào)小的地質(zhì)圖疊加進(jìn)ID號(hào)大的地質(zhì)圖內(nèi)。

以玉龍(雄古)至維西高速公路項(xiàng)目應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明，項(xiàng)目位于云南省西北部，連接麗江市玉龍縣(K0～K105)和迪慶州維西縣(K105～K115)，全長(zhǎng)115 km。地調(diào)開(kāi)展前，收集整理了區(qū)內(nèi)地質(zhì)圖、構(gòu)造綱要圖、水文地質(zhì)圖，并悉數(shù)按圖1進(jìn)行自定義地圖制作，其與線位加載于移動(dòng)設(shè)備中，使用效果見(jiàn)圖2。借助移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置GPS定位功能及自定義地質(zhì)圖，實(shí)現(xiàn)野外調(diào)查時(shí)，線位附近區(qū)域地層、構(gòu)造情況實(shí)時(shí)掌握，工作效率及質(zhì)量顯著提升。通過(guò)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比地質(zhì)圖上明顯地物，自定義地圖誤差基本控制在5 m以?xún)?nèi)，精度滿足地質(zhì)調(diào)繪需求，且支持離線環(huán)境使用。

3 帶坐標(biāo)屬性數(shù)據(jù)適用于地圖查看APP文件制作

.kml文件是地圖查看APP軟件間共享數(shù)據(jù)的通用格式，Omap亦如此。該部分制作.kml文件的數(shù)據(jù)源，與地質(zhì)圖區(qū)別在于其具有坐標(biāo)屬性，且依附于地形圖，解決好地形圖制作成.kml問(wèn)題，即可用相同方法處理不良地質(zhì)、鉆孔、建筑物布置，制作流程見(jiàn)圖3。

流程中轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定最為關(guān)鍵，因保密要求，工程中難以獲取不同坐標(biāo)系下橢球體間轉(zhuǎn)換參數(shù)，玉維項(xiàng)目采用獨(dú)立坐標(biāo)系，亦缺少相關(guān)參數(shù)，故以無(wú)轉(zhuǎn)換參數(shù)情況進(jìn)行說(shuō)明。一般地形資料采用某一坐標(biāo)系(北京54、西安80、國(guó)家2000，WGS84，獨(dú)立坐標(biāo))下的投影坐標(biāo)表示，而地圖查看APP中使用的影像(Mapbox，Arcgis)為WGS84地理坐標(biāo)，故問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是解決“某一坐標(biāo)系下投影坐標(biāo)向WGS84地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化”。當(dāng)缺少轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，可在待轉(zhuǎn)地形圖上讀取當(dāng)前坐標(biāo)系下不少于12個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(盡量均勻分布于地形圖上各處)，而后在影像圖中識(shí)別相應(yīng)位置經(jīng)緯度，一一對(duì)應(yīng)輸入91衛(wèi)圖助手“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)”工具中，完成計(jì)算后保存，即獲得“某一坐標(biāo)系下投影坐標(biāo)向WGS84地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的參數(shù)。”將地形圖導(dǎo)入91衛(wèi)圖助手，并調(diào)用轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成地形投影坐標(biāo)系向WGS84地理坐標(biāo)輸入，保存矢量文件，選擇輸出格式為.kml，Omap加載.kml即可現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航應(yīng)用。調(diào)用轉(zhuǎn)換參數(shù)，依次將建筑物、鉆孔布置，不良地質(zhì)導(dǎo)入至APP中，效果見(jiàn)圖4。玉維項(xiàng)目通過(guò)比對(duì)路線中樁、RTK放孔位置，采用上述方法制作的.kml文件，誤差基本在1 m內(nèi)。

如果地形資料采用北京54、西安80、國(guó)家2000、WGS84等標(biāo)準(zhǔn)橢球體坐標(biāo)時(shí)，只需借助91衛(wèi)圖助手高斯投影分帶計(jì)算出圖幅范圍中央子午線后，在加載.dxf文件時(shí)參數(shù)設(shè)置欄內(nèi)選擇相應(yīng)坐標(biāo)系、給定分帶及中央子午線，并勾選是否疊加投影帶號(hào)，即可完成數(shù)據(jù)向91衛(wèi)圖助手的輸入。

至此，加上第一部分自定義地圖制作，已實(shí)現(xiàn)將所有現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)繪中應(yīng)用的地質(zhì)、建筑、地形、勘探布置資料集成于一個(gè)APP中，借助移動(dòng)設(shè)備定位功能，及Omap路點(diǎn)標(biāo)記、軌跡記錄、圖形繪制功能，即可完成調(diào)繪工作需進(jìn)行的信息復(fù)核、錄入。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪成果導(dǎo)出

工程地質(zhì)調(diào)繪最終是以服務(wù)項(xiàng)目建設(shè)為目的，調(diào)繪成果需能與平面地質(zhì)圖進(jìn)行交互，前兩部分完成已有信息向Omap的輸入，該部分解決信息輸出，流程見(jiàn)圖5。將APP中標(biāo)記的路點(diǎn)、軌跡、圖形導(dǎo)出為.kml文件，經(jīng)91衛(wèi)圖助手調(diào)用第2部分已完成計(jì)算的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，輸出成.dxf格式，即可導(dǎo)入CAD，ArcGIS軟件，完成地質(zhì)調(diào)繪成果到平面圖的交互。對(duì)于輸出為北京54、西安80、國(guó)家2000，WGS84等標(biāo)準(zhǔn)橢球體坐標(biāo)時(shí)，亦只需在參數(shù)設(shè)置中，選擇相應(yīng)坐標(biāo)系，按地形圖中央子午線、分帶方式、勾選是否疊加投影帶號(hào)，即可完成記錄數(shù)據(jù)向.dxf文件的輸出。

此外導(dǎo)出的.kml文件，輸入PC端Omap,91衛(wèi)圖助手,圖新地球等軟件中，可查看調(diào)查沿線記錄的軌跡、照片、地質(zhì)點(diǎn)，方便后期對(duì)資料成果的復(fù)查、交流、存檔。

第3部分是第2部分的逆過(guò)程，兩者的核心即是解決“某一坐標(biāo)系下投影坐標(biāo)與WGS84地理坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換”。如果投影坐標(biāo)為國(guó)家2000,WGS84等標(biāo)準(zhǔn)橢球體，采用91衛(wèi)圖助手默認(rèn)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換；如果投影坐標(biāo)采用獨(dú)立坐標(biāo)系，則需選取12個(gè)點(diǎn)手動(dòng)完成地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)的匹配，求出相互轉(zhuǎn)換參數(shù)。

5 結(jié)論及展望

工程地質(zhì)調(diào)繪應(yīng)是“站在巨人肩膀上”以復(fù)核、修補(bǔ)為主導(dǎo)的工作；在現(xiàn)場(chǎng)工作前，應(yīng)充分收集前人成果，并結(jié)合衛(wèi)片、地形、水系資料對(duì)項(xiàng)目區(qū)潛在工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析、整理。一旦開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工作，借助上述信息化調(diào)繪手段，快速將已有成果和現(xiàn)有條件進(jìn)行匹配，以復(fù)核成果準(zhǔn)確性，判斷勘探布置合宜性，并進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充調(diào)查；外業(yè)工作結(jié)束后，將調(diào)繪成果導(dǎo)出至CAD,GIS軟件，進(jìn)行內(nèi)業(yè)成果整理，分析工程地質(zhì)條件是否與工程規(guī)模、類(lèi)型相吻合。文中主要探討了信息化工程地質(zhì)調(diào)繪中資料導(dǎo)入及成果導(dǎo)出兩個(gè)問(wèn)題，共有以下3點(diǎn)認(rèn)識(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)節(jié)可參照APP幫助文檔。

1)收集到的區(qū)域地質(zhì)資料位圖文件，可通過(guò)Global Mapper軟件裁剪后，經(jīng)Omap Desktop制作成Omap APP可調(diào)用的自定義地圖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別、判斷，誤差基本控制在5 m內(nèi)。

2)借助91衛(wèi)圖助手軟件，一一匹配地形圖與衛(wèi)星圖上點(diǎn)，得到轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可在缺少相關(guān)坐標(biāo)系橢球體參數(shù)情況下，將任一坐標(biāo)系下的地形、建筑物、勘探布置等地調(diào)所需資料制作成WGS84地理坐標(biāo)系下.kml文件，用于Omap中導(dǎo)航，誤差約在1 m內(nèi)。

3)地圖查看APP記錄的數(shù)據(jù)，由91衛(wèi)圖助手軟件，調(diào)用轉(zhuǎn)換參數(shù)，即可將其導(dǎo)出成.dxf文件，用于平面圖填繪及修正。

未來(lái)可基于現(xiàn)有地圖查看APP開(kāi)發(fā)地質(zhì)羅盤(pán)功能，便于巖層產(chǎn)狀收集及導(dǎo)出成圖；開(kāi)發(fā)地質(zhì)標(biāo)記點(diǎn)與建筑物軸線平面關(guān)系量化功能。