利用移动通讯设备终端在Google Earth平台上实现施工现场快速定位

宋 建 威，　李　科，　刘　琪

(中国水利水电第五工程局有限公司 国际公司，四川 成都　610066)

利用移动通讯设备终端在Google Earth平台上实现施工现场快速定位

宋 建 威，李科，刘琪

(中国水利水电第五工程局有限公司 国际公司，四川 成都610066)

摘要：对于从事早期现场勘查的工程技术人员而言，Google Earth软件最具有使用价值。为了进一步发挥Google Earth软件服务工程现场勘查的目的并充分利用移动通信设备终端的GPS定位功能，设想了用三个步骤实现快速定位：一是实现工程设计方案在移动设备的Google Earth中载入；二是实现在载有工程设计方案的Google Earth平面上查看沿线的地理及交通信息；三是实现工程技术人员能在载有设计方案的Google Earth平面上查看本人所在拟建工程的桩号部位，并实现前往某工程部位时的导航。介绍了如何通过坐标换算、KML数据互换、文件载入移动设备等手段实现现场快速定位的过程。

关键词：道路；设计方案；移动设备；Google Earth；施工现场；快速定位

1概述

在公路或铁路等大型线性工程施工启动前，工程技术人员均需要进行实地勘察，而在没有明显打桩标记的情况下，技术人员很难判断自己身处的位置属于拟建工程的具体桩号或部位，而目前测量人员常用的手持GPS虽能较好地进行野外坐标测量，但不能像Google Earth那样直接形象地反映拟建工程周围的平面地理及交通信息，也不能把工程设计方案载入设备中，因此而难以判断自身所在拟建工程的具体桩号部位。笔者假想，如果我们利用移动通信设备的GPS定位功能，并在设备上安装Google Earth软件，再通过Auto CAD与Google Earth数据互换，把道路工程设计方案以地标文件的形式载入到Google Earth中，既能在Goole Earth平面上一目了然地查看拟建工程周围的地理与交通信息，又可以准确定出自身在拟建工程中的具体桩号部位，还可以通过移动设备GPS的定位及导航功能设置拟建工程的某桩号部位作为目的地，选择最近的通往路线，如此就实现了移动通讯设备终端在工程前期勘察中的应用。

2实现该设想的难点

2.1兰勃特坐标与WGS84坐标的互换

摩洛哥属于北非国家，大地测量采用的是兰勃特投影坐标系，从南到北共划分为4个区域，分别为Nord Maroc Zone Ⅰ、sud Maroc Zone Ⅱ、Sa-hara ZoneⅢ与Sahara ZoneⅣ。丹肯高铁项目所在地位于摩洛哥的北部Kenitra市，其纬度属于北纬31.5°至35.55°区间，因此，测量及设计工作均采用Nord Maroc (摩洛哥北部)的兰勃特坐标系。

WGS84坐标是一种地心坐标系，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统，即我们常说的经度与纬度，Google Earth采用的就是WGS84坐标系。

如果我们要把道路设计方案在Google Earth中显现出来，就必须把道路设计图文信息由兰勃特坐标转成WGS84坐标。这就需要复杂的数学模型转换计算。

2.2Auto CAD设计方案与Google Earth数据交换(KML)

若要把Auto CAD设计图文信息坐标导入Google Earth中，就必须建立Google Earth所支持的文件格式——KML。KML(Keyhole Markup Language)是基于XML语法标准的一种标记语言，采用标记结构，含有嵌套的元素和属性，由谷歌旗下的Keyhole公司开发并维护，用来表达地理标记。因此，我们要把设计方案的图文信息(点、线、面、多边行与文字等)进行地理数据的交换，最终用Google Earth的图形元素将道路设计方案展现出来。

2.3将KML地标文件移植到移动通讯设备上

尽管近几年移动通讯设备上的软件开发得到了蓬勃的发展，但是还有很多不完善的地方，例如，Google Earth手机版的菜单功能就没有PC版的完整，目前并未提供导入KML地标文件的路径，鉴于此，我们需借助二次开发的辅助软件，以完成KML地标文件在手机终端上的载入。

2.4多个环节的数据转换导致位置偏差

在该方案中，多个环节的数据转换会导致设计方案在载入到Google Earth时出现位置偏差，其最主要的原因有三个：一是WGS84与兰勃特坐标系的转换误差。因为Google Earth采用的是WGS84坐标体系，而摩洛哥采用的是兰伯特坐标体系，二者原理不同，在坐标数据批量转换的时候会出现位置偏差；二是民用GPS终端精度不高；三是航拍照片拼接造成误差。民用GPS终端精度低于军用GPS终端，在与航拍照片拼接时将产生误差，这两个问题目前难以解决。

3实现流程及解决方案

3.1兰伯特坐标系与WGS84坐标系的换算

兰勃特投影是由德国数学家J.H.Lambert在1722年提出的，设想用一个正圆锥切于或割于球面，应用等角条件将地球面投影到圆锥面上，然后沿一母线展开，即为兰勃特投影平面。投影后的纬线为同心圆弧，经线为同心圆半径。 兰勃特投影采用双标准纬线相割，与采用单标准纬线相切比较，其投影变形小而均匀。若需将兰勃特坐标换算成WGS84坐标，就需要一个比较复杂的反解计算。

假设兰勃特坐标为(X,Y)，WGS84坐标为(φ，λ)，反解计算公式如下：

φ通过迭代获得，式中参数如下：

n=

摩洛哥北部兰勃特坐标系下，原点纬度φ0=33.3°，原点经度λ0=-5.4°，原点极轴半径ρ0=9 716 290.594，第一标注纬度φ1=31.5°，第二标注纬度φ2=35.55°。

3.2借助Auto Civil 3D 批量进行Google Earth数据交换

把Auto CAD图文数据转换成能在Google Earth显示的地理数据，除了进行兰勃特坐标换算成经纬度外，还需根据KML语法结构把道路设计图转换后的经纬度坐标按顺序编制成KML文件，如图1所示，在编制过程中，点、多线段等按语法结构分别排序编辑。考虑到道路设计方案的图文信息量比较大，编制KML文件的时间比较久，我们可以借助辅助软件完成KML的快速汇编，而工程领域最常用的就是Auto Civil 3D。

打开所需要转换的图纸后，选择菜单路径“输出-发布的Google Earth”，在弹出的对话窗口中按照“描述-项-地理参照-偏移-文件-发布和查看”的菜单路径完成操作。值得注意的是：在“地理参照”这个窗口里，需要用户输入自定义的转换的坐标点以及图纸Y轴相对于北向的方位角。我们在设计图纸中间区域选择一个点(398484.5873，412055.4221)，根据兰勃特坐标与WGS84坐标的转换公式计算出经纬度为(-6.5014°，34.3031°)，并输入相对角度-0.8，即可完成设计方案图文信息的批量转换，并生成KML文件。KML文件通常比较大，在生成文件时，可以选择KML的压缩格式——KMZ文件。

3.3KML文件在移动通讯设备上的载入

目前Google Earth的手机IOS版本能够满足用户的定位、查询及浏览地球的功能，但是不支持KML地标文件的载入，因此，我们需要考虑借助第三方软件载入KMZ文件。在现有IOS应用市场中，Casey Evanoff公司开发的“KMZ Loader”软件最为优秀，它能将KMZ文件解压成KML文件后载入到Google Earth中。

将制作好的KMZ文件通过itunes放到该软件目录下，然后在手机上运行KMZ Loader后，按照路径“My KMZ-文件名.KMZ-Open KMZ-在Google Earth运行”，道路设计的图文数据即被加载到Google Earth的图形文件上。以地球的航拍照片作为底图的道路设计方案，结合用户通讯设

图1　多线段的KML文件格式

备的GPS定位功能，我们在实地勘察现场时就能清晰地查看到自己所处于拟建工程的具体部位；若需前往设计方案的某工程部位，我们可以利用手机网络及导航功能，将其设置为目的地，按线路行驶，从而大大提高了工程实勘效率。笔者以摩洛哥丹肯高铁项目的某段落为例进行载入，其效果见图2、3。

图2　在手机中载入KML前的Google Earth平面图

3.4精度分析与位置修正

根据WGS84坐标向兰勃特坐标系换算的原理，先将地球面投影到圆锥面上，然后沿一母线展开，即得到兰勃特投影平面。进行投影换算后，球面上两点原本相同的距离将出现差距，而且这种差距会随着投影长度的增加而变大，同理，在兰勃特坐标系向WGS84坐标系转换时，两点距离也会出现变化，进而形成设计方案的图像在载入Google Earth平面后发生变形。公路与铁路设计长度通常较大，为减少图形变形的影响，在转换时，可以把设计方案沿轴线进行裁剪，分段载入Google Earth。根据具体的实践经验并结合精度分析数据(表1)，以轴线长度10 km为最佳，。

图3　在手机中载入KML后的Google Earth平面

我们不能选择民用GPS的精度，同时，航拍照片拼接的精度也只能靠开发者来改善，因此，为了达到满足工程技术人员使用的需要，宜采用多个实物对比并修正的方式来提高设计方案位置与Goole Earth平面的吻合度。例如，设计图中有多个现存建筑物位置，可以把道路设计图与建筑物位置图一并载入到Goole Earth平面中，对比兰勃特坐标系下的建筑物位置，与Goole Earth平面中建筑物的位置进行对比并量取偏移的距离、方向与轴线偏移角度，返回KML文件的制作步骤进行修正，即可获取一个全新并能与Goole Earth平面吻合较好的KML文件。

表1　精度分析表

4结语与展望

通过借助坐标数据换算、设计方案载入Google Earth及后期修正等手段，我们实现了最初的假想，即道路设计方案在移动设备终端Google Earth平台的载入，使得我们的工程技术人员在现场勘察时仅需携带智能通讯工具(如手机、平板电脑)，既可查看自身在拟建工程中的具体位置，又可通过Google Earth强大的遥感图像信息量查看拟建工程周围的交通、占地情况及地形地貌等信息，从而大大提高了现场勘查的效率。

尽管我们采取了多种修正手段，满足了工程技术人员在现场勘查时的基本精度要求，但是，该方案还有很多方面有待于提高，例如，遥感图形的清晰度有待于提高，尤其是偏远地区；民用GPS误差还比较大，特别是在林区，信号差时。伴随着工程技术人员对设备便利性及精确度的强烈需求，笔者坚信将会有越来越多的硬件和软件开发商参与到其中，生产出同时具备更高GPS精度、更强移动无线网络、携带Google Earth平台并便于设计图纸数据互换的工程智能设备，从而更好地服务于工程建设。

参考文献：

[1]罗全华，邓加娜，余代俊.Lambert投影在线路测量中的应用[J].电力勘测设计.2007，14(3):22-25.

收稿日期:2016-04-06

中图分类号:TV51;TV52;TV522

文献标识码:B

文章编号:1001-2184(2016)03-0046-04

作者简介:

宋建威(1986-)，男,河南周口人，工程师，学士，从事水电站、海外公路与铁路工程施工技术与管理工作；

李科(1984-)，男，河南济源人，工程师，学士，从事海外公路与铁路工程施工技术与管理工作；

刘琪(1985-)，男，陕西西安人，工程师，从事水电站、海外公路与铁路工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)