GoogleEarth在道路工程中的应用探讨
2013-04-19刘海强张科超张茜雷楠
刘海强 张科超 张茜 雷楠
3.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097；4.陕西中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075）
摘要：文章介绍了Google Earth的功能，并论述了其在道路工程设计过程中的应用需求，同时结合公路选线、城市道路前期方案规划、方案演示等功能需求做具体研究，并提出了可行的技术解决方案。
关键词：道路工程；Google Earth；AutoCAD；二次开发。
中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0050-03
1 概述
Google Earth（简称GE）是由美国Google公司开发的一款虚拟地球软件，其将收集到的各种卫星照片、航空影像等地理信息整合到虚拟地球仪上，以方便需要的人使用，是一款最为成熟的地理信息系统。Google Earth桌面版共推出了3款以面向有不同需求的对象，免费版、专业版和企业版，不同版本提供的功能有差异，但是客户端上显示地形影像等数据资料是一样的。
通过多年的推广及GE软件自身功能的实用性和通用性，对该软件的应用研究越来越多，但大部分以娱乐性为主，如旅行的路线制定、特殊建筑坐标的定位等。对于GE软件应用于城市道路设计中的研究还相对较少，缺乏较为深入的探讨。城市道路设计中需要道路位置周边的地形、地物等数据资料，传统获取基础数据基本以实测为主，在方案设计、工程汇报等阶段时，完全可以利用GE软件中的数据来实现工程前期的设计工作。由于GE软件拥有强大的地理信息三维数据及全球任何区域的卫星（航空）影像，并提供了可供二次开发的数据编程接口，通过KML文件实现道路设计数据与GE软件的良好交互，这些为GE软件在城市道路设计中的应用提供了强大的技术基础。
2 Google Earth在道路工程中的功能需求
GE软件能够提供全球范围的三维地形数据和卫星影像图数据，道路工程走廊带的地形图和三维地形数据是开展道路工程设计工作的基础资料，通过GE软件可以省去向当地测绘部门购买地形图和实测地形数据的工作，减少设计时间，降低设计成本，提高设计效率。此外，GE软件具有三维漫游的功能，道路方案可以在GE软件中建立模型进行方案汇报演示。
2.1 基于GE软件的三维地形数据进行公路选线
山区公路进行选线设计时，地形、地质及环境等条件是公路选线方案的主要控制因素。在实际的公路工程前期方案选线设计阶段，一般都是利用向当地部门购买的地形图进行选线设计，缺少较为详细的三维地形数据，每个方案都要相应地摘录地形数据，工作量大，精度低。GE软件可以提供全球范围的三维地形数据，数据精度可以满足道路工程的方案设计要求，利用该软件中提供的路线走廊带的三维数据可以通过建立数字三维地面模型，并应用在道路的方案设计阶段中，降低基础数据的整理工作强度，提高方案设计工作效率，增加数据精度。
提取三维地形数据需要利用GE软件的API数据接口，通过对软件的二次开发来实现：
2.1.1 利用GE软件下载设计控制区域内三维地形数据。
2.1.2 利用GE软件的API查询点三维坐标的功能，按设置的捕捉点距离，获取控制区域内各点的三维数据，并按一定的格式保存为数据文本。
2.1.3 利用道路专业软件（如维地、CARD/1等）将GE软件中提取出来的高程数据文本，建立数据三维地面模型，并用于道路工程的方案选线设计工作。
2.2 基于GE软件的卫星地图进行城市道路方案规划及设计
城市道路工程设计的主要控制因素是现况城市道路网、城市功能区规划、现况建筑、城市内河流水系等。一般采用向当地测绘部门购买该项目区域的地形图资料，但该地形图年代较为久远，城市的发展较快，因而与实际现况地形出入较大，需结合实测细部地形图数据进行方案设计，给设计工作造成较大困难。
由于GE软件内的卫星影像数据资料较为完整，且城市范围内的卫星影像数据精度高，可清晰辨别居民区、工厂、河流水系、现况道路等信息，另外GE软件中卫星影像数据更新比较快，GE软件中的卫星影像图基本都是最近几年拍摄的，与测绘部门提供的地形图相比较，更能清晰反映城市的现况信息，可以为城市道路方案规划提供最新的基础数据。
提取卫星影像数据需要利用GE软件的API数据接口，通过对软件的二次开发来实现：
2.2.1 在GE软件内选取城市道路项目控制区域。
2.2.2 通过二次开发程序对控制区域内的卫星影像图进行分块捕捉对应块图像，并计算出每块图像的4个角点坐标。
2.2.3 利用AutoCAD（或CARD/1等）软件，将块图形按4个角点的坐标导入完成拼接大图，在该软件平台上实现城市道路的方案规划及设计工作。
利用GE软件提供的卫星影像资料，设计人员可以掌握项目区域内的城镇现况、水系现况、路网现况等大量基础数据，省去了较多的外业踏勘工作量，提高了工作效率，较快地完成城市道路方案规划及设计工作。
3 数据的处理
道路工程设计中的基础数据及成果数据与GE软件的数据是通过GE软件的API数据接口建立联系。GE软件的API是应用编程的数据接口，方便二次开发人员利用它，通过编辑语言（如Visual Basic等）建立两个不同平台间的数据转换。
3.1 KML文件的介绍
GE软件提供了KML文件扩展方法，可以将点、线、面、多边形的三维数据按一定的格式要求保存成KML文件。在GE软件中打开KML文件即可显示设计中的点、线、面、多边形等图元。通过该方法可以将道路工程的设计成果数据、道路构筑物等三维模型导入到GE软件中，并根据需求显示，利用该方法可以实现项目方案的汇报演示工作。
3.2 KML文件格式
<？xml version="1.0" encoding="UTF-8"？>
116.1079370141，40.0446439963，0.0000000000 ‘图元点数据
116.1079238796，40.0446241775，0.0000000000 ‘图元点数据
116.1079110647，40.0446042357，0.0000000000 ‘图元点数据
116.1078985712，40.0445841741，0.0000000000 ‘图元点数据
…… ‘图元点数据
道路设计成果在GE软件中可以利用“线图元”来表示，需要对“线图元”点的三维数据及“线图元”的宽度进行设置。道路构筑物的三维模型可以利用“多边形图元”表示，由于在GE软件中的图元可以设置颜色，增加了图元显示的易观性。
3.3 数据的匹配处理
随着GE软件的应用范围越来越广，很多专业软件（如Autodesk Civil 3D、ArcGIS等）增加了相应的数据转换功能，将其专有格式的成果数据转换成GE软件兼容的KML文件格式，以方便将设计成果显示在GE软件中。此外，可以根据项目自身需要，通过编写程序生成所需的KML文件。
专业软件的设计成果数据转换成GE软件数据后都会存在一定的差异。这是由于两个软件的坐标系不统一、数据的精度低等原因造成的。因此在将设计成果进行数据转换时需进行数据的匹配以减小偏差。
由于GE软件提供的卫星影像图及三维地形数据精度较低，在GE软件中选取2～4个特征点作为坐标控制点，在专业软件中找到对应控制点的坐标，依据对应点间的关系，对输出各点的坐标进行偏差矫正计算（即等比例放大、缩小、旋转等操作），即在生成KML文件时考虑各个点坐标的偏差量，这样就可以得到准确的点坐标数据。
4 项目实例
结合具体的道路工程设计需求，在AutoCAD2006
平台下。利用VBA编写程序，通过GE软件提供的API数据接口，将道路工程专业设计软件与GE软件联系到一起使用，实现了GE软件中控制区域内的卫星影像图自动下载，并在道路专业软件中自动拼图，道路设计成果转换成KML文件的功能。下面简单介绍一下作者在实际中的应用。
笔者在广西南宁钦防高速公路改扩建设计可研项目中，通过GE软件下载了较为符合现况的卫星影像图，与测绘部门提供的地形图相比较，信息更符合现况，新的厂房及建筑等信息是购买地形图上没有的。
通过GE软件下载卫星影像图片后在专业软件中拼接成大图，得到该道路工程所在控制区域的卫星影像，该图详细显示了道路走廊带内的控制物情况（村镇、道路、水系、桥梁等），降低了设计人员的外业工作量，提高了道路的方案设计效率，并提高了工程量的精度。
5 结语
随着GE软件的广泛应用，其在道路工程设计中的应用范围越来越广，尤其在项目的方案规划阶段、工程可行性研究阶段降低了前期资料的收集工作强度，降低了外业工作量，提高了工作的效率和质量。在道路工程方案的汇报演示中，利用设计数据建立的三维数据模型，可以直观地将道路显示出来，能够使设计人员更好地表达设计意图，使审查人员有直接的认识和了解。
参考文献
[1] http： // www . godeyes. cn.
[2] 张瑞.Google Earth在道路及规划设计中的应用[D].华中科技大学.
作者简介：刘海强（1984-），北京市市政工程设计研究总院助理工程师，研究方向：道路、互通式立交设计；张科超（1984-），交通运输部公路科学研究所助理研究员，研究方向：桥梁结构隐蔽工程检测技术；张茜（1982-），中国公路工程咨询集团有限公司工程师，研究方向：桥梁结构设计；雷楠（1984-），陕西中交公路岩土工程有限责任公司助理工程师，研究方向：桥涵设计。
（责任编辑：周 琼）
