手机GPS在道路勘察设计中的应用研究

刘利民，刘艳娟

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)



手机GPS在道路勘察设计中的应用研究

刘利民，刘艳娟

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

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

LIU Limin，LIU Yanjuan

摘要：智能手机的GPS功能能够进行定位与导航，给生活带来了极大便利，但在道路勘察设计中几乎未被开发利用。本文通过对坐标转换及Google Earth二次开发技术的研究，在安卓手机端和PC端开发了测量点大地坐标和生成KML文件等功能，实现了手机GPS功能在道路勘察设计中的应用，并且在实际工程项目中进行了检验，达到了良好的效果。

关键词：智能手机；GPS；Google Earth；道路；勘察设计

智能手机与大多数人的日常生活息息相关，成为生活中不可或缺的一部分。智能手机中带GPS功能，排除卫星钟及大气干扰等因素，其定位精度一般为几米至几十米。通过手机的GPS模块接收卫星信号来进行定位，可绕过移动通信运营商，不需要增加运营成本，用户也无需负担额外的服务费用，可以快速实时地找到当前位置。不过，目前绝大多数GPS手机用户还仅仅停留在GPS的定位与导航应用，其在工程勘察设计中几乎未被开发利用。文献[1]中基于GPS导航手机，使用Google Earth辅助完成野外地质勘察工作，但也仍然处于定位的简单应用阶段。

近年来，随着手机Google Earth卫星影像越来越清晰，在原来东南部经济发达地区和大中城市卫星影像较为清晰的基础上，中西部地区的影像越来越清晰，卫星影像的精度也越来越高。如在湖北省孝感市周边的卫星影像已经可以达到0.5 m左右的分辨率。因此，手机GPS和手机Google Earth相结合应用于工程勘察设计成为可能。本文研究的目的就是利用手机GPS、手机Google Earth并将二者结合，通过坐标系转换，实现手机GPS应用于道路勘察设计。

一、坐标转换

1. 坐标转换方法

手机GPS和手机Google Earth采用的坐标系均为WGS-84大地坐标系，而道路勘察设计中常用的坐标系为平面直角坐标系，一般为1954北京坐标系或1980西安坐标系，也经常采用独立坐标系或假定坐标系。把手机GPS和手机Google Earth应用到道路勘察设计中，必须解决WGS-84与道路坐标系之间的坐标转换问题。

坐标转换的方法很多，一般情况下，应根据已知条件的不同而使用不同的坐标转换方法。当道路勘察设计的坐标系为1954北京坐标系、1980西安坐标系或已知转换关系的独立坐标系时，WGS-84坐标系与之采用的椭球基准不同，需要进行转换参数计算，宜采用布尔莎七参数法实现WGS-84坐标系与道路勘察设计坐标系之间的高精度坐标转换。当道路勘察设计坐标系的椭球参数和投影参数缺失或为假定坐标系(在前期工作中常见)时，坐标系的椭球参数及投影参数未知。根据文献[2]，GPS坐标向地方坐标转换时二维转换方法比较简便，效果较好，通过相似变换，得到四参数(平移x、y，尺度变化m，旋转角度α)。该方法不需要知道道路勘察设计坐标系的椭球参数和投影参数等坐标系相关参数。

2. 公共点的获取

采用布尔莎七参数法和二维转换方法，分别需要至少3个和2个以上公共点来进行坐标转换参数的计算，从而实现坐标转换。

当能够获取精确公共点资料时，可使用精确的公共点进行转换参数的计算。但在实际道路项目中，获取精确的公共点资料对一般设计人员而言，并不是一件容易的事情。一方面可能坐标系是年代久远、资料不全的地方局部坐标系，或本身是假定坐标系，根本就不存在精确的公共点。另一方面，即使坐标系椭球参数和投影参数已知，公共点的获取也相当困难，要么需要从测绘部门获得公共点资料，而公共点资料往往保密或需要购买；要么还未进行控制测量，实测需要时间和费用。手机GPS应用到道路勘察设计必须通过公共点资料来实现坐标系的转换，因此公共点资料需要寻求更加容易的来源。

手机GPS定位精度在几米至几十米之间，精度并不高。经过实践验证，当不能获取精确的公共点时，通过直接从地形图和Google Earth读取同一地形或地物特征点坐标来作为公共点进行转换参数计算，为一种行之有效的方法。具体的坐标转换过程在此不再论述，有众多文献可以查阅。

二、手机GPS功能开发

1. 功能实现

通过手机GPS在勘察设计中的应用研究及坐标转换方法，利用Google Earth二次开发技术，在安卓手机端的JSL-路途系统中实现了如下功能：

1) 测量点大地坐标，并导出为KML文件，应用于道路方案设计。

2) 记录车行或步行轨迹，并导出为KML文件，应用于道路勘察。

3) 拍摄GPS照片，应用于道路勘察和设计。

在PC端的JSL-路线专家系统中实现了如下功能：

1) 将KML文件中的大地坐标点和轨迹转换为AutoCAD实体对象，应用于道路设计。

2) 将道路设计中心线根据数据转换成KML文件，实现了道路中心线的KML一键生成，在JSL-路途系统中结合手机GPS使用。

3) 将任意AutoCAD DWG文件，包括但不限于道路的线位图、公路平面总体设计图和道路三维模型等，实体包括直线(Line)、圆弧(Arc)、多段线(LWPolyline)、曲面(3DFace)和文字(Text)等常用CAD对象，转换成KML文件，在JSL-路途系统中结合手机GPS使用。

4) 将GPS照片文件名追加道路路线里程桩号，便于照片检索，应用于道路设计。

通过以上功能实现了手机Google Earth资料与道路勘察设计资料的相互转换，能够应用到道路勘察设计中。

2. 转换精度分析

手机GPS应用于道路勘察设计的精度取决于两个方面：一是手机定位本身的精度，它受卫星信号等多方面因素控制，人为控制因素少；另一方面是坐标转换的精度，由于坐标系参数、公共点等原因，人为可控因素多，是研究重点。

对于坐标转换而言，精确的公共点进行七参数转换的精度足够满足勘察设计的需求。但只有低精度的公共点资料时，如何提高转换转换坐标的精度值得研究。第一，由于人工读取坐标，错误或偶然误差会比较多，可以通过公共点的残差剔除一些精度较低的点，来提高坐标转换的精度；第二，直接从地形图和Google Earth读取的公共点精度较低，根据文献[3]及实际工程项目验证，适当均匀地增加公共点个数，能有效地提高坐标转换精度，公共点分布范围越广越均匀，所得转换坐标精度越稳定；第三，由于公共点的大地高直接从Google Earth上读取，误差较大，根据文献[4]，即使公共点中高程存在500 m的误差，其平面坐标的差异也在米以内，高程误差对坐标转换的影响较小。

通过多个实际项目验证，直接从地形图和Google Earth读取公共点的方法，通过最小二乘法进行参数计算，坐标转换精度可达到10 m左右。因手机GPS及手机Google Earth本身精度并不高，在道路勘察设计中10m左右的精度还是可以接受的，能够满足道路勘察设计的较多应用需求。

三、应用及工程实例

1. 寻找控制点

在野外勘察中，测量阶段需要寻找控制点所在位置。通常情况下，根据控制点的点之记去寻找控制点，往往很浪费时间。通过把控制点转换为KML文件，结合手机定位和手机Google Earth，寻找控制点时可以大幅度提高效率。

2. 寻找线位

通过JSL-路线专家系统将设计线或公路平面总体设计图转成KML文件。现场踏勘时，可以根据手机GPS定位和手机Google Earth，显示当前位置和路线的相对关系，从而找到准确的路线位置，方便现场踏勘，也可用于现场测量、外业调查和地质钻探及现场核对等方面。

在内蒙古自治区某项目中，业主要求抽查现场钻孔情况。项目里程超过260 km，全线均为戈壁滩，没有明显的地形或地物特征点，人工根本无法快速找到指定位置，而通过手机GPS、手机Google Earth及线位KML，快速找到了钻孔位置。由此可见，手机GPS在一些特殊地区的道路勘察设计中可以应用。

3. 测量地物坐标

利用GPS的定位功能，在野外用JSL-路途系统或OruxMaps等软件直接测量地形或地物特征点的WGS-84系统坐标，导出地形或地物特征点KML文件。

通过JSL-路线专家系统，将KML文件直接转成AutoCAD中的实体，作为路线方案的控制点，精度可以达到10 m左右。这主要用于工程可行性研究阶段或初步设计阶段，方案研究或未进行控制测量时，测量路线控制点使用。

在107国道孝感市肖港至张公堤段改建工程中，在路线走廊中存在众多500 kV和220 kV的高压线，由于时间紧迫，地形图和控制测量尚未完成，如何避开高压电塔，以满足规范要求的角度穿越高压线，减少或避免高压电塔的拆迁，确定合理的路线方案，是一个难以完成的任务。通过手机GPS测量电塔坐标，转换为AutoCAD实体，根据手机GPS测量结果进行路线方案设计，达到了理想的结果。

4. 记录轨迹

野外现场踏勘经常会出现找不到进场的道路或因为道路不通畅而在实际踏勘中出现走错路或走回头路的情况。那么，通过手机GPS的记录轨迹，可以让未到过现场的人员通过轨迹跟踪功能在地形复杂的地形也能找到别人走过的正确路线，方便进行勘察设计。

5. 拍摄GPS照片

在现场踏勘和地质调绘等外业调查中，经常要拍摄一些现场照片，来作为勘察设计资料。当这些照片较多时，其整理工作是一个大问题。一方面整理工作量大，另一方面若未进行整理，时间久了会忘记照片的具体位置。通过带GPS的手机或相机拍摄GPS照片，GPS照片跟普通JPG图片在外观上没有任何不同，只是其EXIF信息里记录有GPS定位信息。GPS照片拍摄后，可以用JSL-路线专家系统读取照片的GPS定位信息，坐标转换后到道路的平面直角坐标系，然后找到对应的桩号，最后在照片的文件名上追加对应桩号信息，便于以后设计中查找、使用。另外还可以把GPS照片在Google Earth上进行展示，方便资料整理和方案汇报。

四、结束语

手机GPS应用于道路勘察设计具有重要的实用价值，给勘察设计带来了便利。但由于其单点定位精度较低，还不能直接应用于中桩等外业测量中，只能作为常规测量的一种粗略补充测量手段，为道路勘察设计服务。本次研究作为手机GPS在勘察设计中的应用尝试，未来可进一步研究，以提高手机GPS的定位精度，更好地应用到道路勘察设计中。手机GPS还可以用到铁路、水利和电力等工程行业的勘察设计中。

参考文献：

[1]陈兵，张燕．基于GPS导航手机的Google Earth在野外地质勘察中的导航定位应用[J]．内蒙古石油化工，2013(14)：39-40．

[2]赵宝锋．GPS坐标转换方法比较分析[J]．测绘，2009(4)：188-189．

[3]王玉成，胡伍生．坐标转换中公共点选取对于转换精度的影响[J]．现代测绘，2008(5)：13-15．

[4]王文利，郭春喜，程传录．大地高误差对Bursa七参数平面转换精度的影响[J]．测绘科学，2011，36(5)：37-38．

[5]孟祥锐，费龙，程彬．GPS技术在手机中的应用浅析[J]．长春师范学院学报(自然科学版)，2008(6)：75-78．

[6]黄沙路，雷凡.公路勘察设计结合谷歌地球的应用方法[J].宜春学院学报，2014(3)：56-58.

中图分类号：P258

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)03-0080-03

作者简介：刘利民(1975—)，男，教授级高级工程师，主要从事道路路线、互通设计及道路专业软件研发。E-mail：13707175815@139.com

收稿日期：2015-03-17

引文格式： 刘利民，刘艳娟. 手机GPS在道路勘察设计中的应用研究[J].测绘通报，2016(3)：80-82.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0092.