道路放样数据计算APP开发与设计

郑志煌

（1.福建经纬测绘信息有限公司，福州350002；2.数字福建自然灾害监测大数据研究所，厦门361024）

0 引言

随着我国经济的高速增长，各种等级、类型的公路越来越多［1-3］.在道路测量现场工作中，需进行大量的数据记录，针对目前普通纸质档记录存在易出错、记录不便且容易损毁遗失的问题，通过移动端设备可及时计算、修改、保存数据，迅速准确地提供放样数据和检核放样成果，极大的方便测量人员的放样工作，减少其劳动强度.我国APP 软件开发市场正处于高速发展中，如地图导航定位、科学计算器等软件在测绘行业中得到较好地利用［4］.在手机平台的选择上，安卓系统具有较强的实用性和可操作性，且系统本身具有开源性，便于软件的开发和应用［5-8］.同时，安卓系统在道路测量数据计算中能突破传统测量中存在的环境、条件等限制，能够降低错误率，从而有效提升测量的精确度.虽然安卓系统得到广泛的应用，但APP 应用在道路施工的坐标点位计算的报道较少，道路测设APP 将充分考虑基于Android 操作系统的道路测设软件的发展现状，使用经典的道路测设数学模型，选择使用广泛、操作便捷、开放性好及可扩展性强的Android平台作为开发平台，利用高效性、通用性、安全性和平台移植性卓越的Java 编程语言，设计实现可在任何一款Android 操作系统的移动设备上进行道路测设相关计算、绘制道路简图及进行简单坐标变换的操作.整个操作过程灵活简单，计算数据迅速精确，可以提高工作效率和质量.因此，本研究通过开发与设计道路数据计算APP，对道路在直线段、圆曲线段及带缓和曲线的圆曲线三种类型的点位坐标进行计算与应用，验证道路放样数据计算APP 提高道路施工放样的效益，成效明显.

1 APP技术流程与开发环境

1.1 设计流程

本研究的技术路线主要包含软件功能需求分析、设计具体功能模块、界面设计及UI 设计、编辑及调试APP、输入数据进行计算、检查结果以及完善APP 与计算成果，在功能模块中包含直线段、曲线段及带缓和曲线段的曲线点位三种类型的坐标计算，具体流程如图1 所示.

图1 软件APP设计技术流程

1.2 平台与环境

目前移动设备的系统种类很多，主要有Android、iOS、Firefox OS、YunOS、BlackBerry、Windows phone 等.Android 是一种基于Linux 的自由及开放源代码的操作系统，应用于移动设备，如智能手机和平板电脑.Android 操作系统最初由Andy Rubin 开发，主要支持手机.因此，本研究是采用Java 语言基于Android Studio 平台开发Android 操作系统进行道路放样数据的点位计算及数据处理.

2 APP需求分析与功能设计

2.1 需求分析

曲线测设是道路工程放样的重要组成部分之一.在道路线路测量中，线路中线都是由直线和曲线组成的，在平面内连接不同路线的曲线称为平面曲线.曲线测设通常采用偏角法和切线支距法，也有极坐标法、旋线支距法、旋线偏角法、正矢法及割线法等.在测距与计算机技术广泛应用状况下，尤其在电子速测仪配合下的极坐标法放样曲线更具其优越性［1］.放样点位的正确性和精度的高低直接关系到施工质量.因此放样结束后，需对实测放样点坐标与相应设计坐标进行比较，若超限需重新放样.在道路放样前需对待放样点位进行坐标计算，在放样后也需进行点位坐标计算来验证放样精确性，计算方法通常有交点法和线元法.交点法是以路线的交点和主要要素来求得坐标，线元法是以路线的起点坐标、方位角、起终点桩号等元素计算出要求的坐标.由于交点法在道路放样及验证中具有较高精度，本研究采用交点法对道路的直线段点位、圆曲线点位及带缓和曲线的圆曲线点位三种类型进行道路放样数据计算.因此本研究APP 功能需求有以下三种：

（1）直线段点位的坐标计算.输入起始点坐标X起，Y起，点间间隔距离D，方位角度、分、秒，输出待放样点坐标Xi，Yi；

（2）圆曲线段点位的坐标计算.输入起点坐标X起，Y起，终点坐标X终，Y终，圆曲线半径R，交点坐标XJD，YJD，交点里程KJD，待放样点设计里程Ki，输出切线长T，曲线长L，外矢距E，切曲差q，待放样点坐标Xi，Yi，设计里程Ki；

（3）带缓和曲线的圆曲线点位的坐标计算.输入起点坐标X起，Y起，终点坐标X终，Y终，交点坐标XJD，YJD，交点里程KJD，圆曲线半径R，缓和曲线长度L0，待放样点设计里程Ki，输出切垂距m，圆曲线内移量P，缓和曲线切线角β0，圆曲线切线长TH，曲线长LH，外矢距EH，切曲差q，待放样点坐标Xi，Yi.

2.2 功能设计

道路测设部分有道路综合要素、各主点里程、设计坐标和放样数据计算、计算数据存储、绘图等功能.坐标变换部分有大地坐标与大地空间直角坐标的变换、不同大地空间直角坐标系间的变换及高斯正反算等.坐标系统可自由选择1954 年北京坐标系、1980 西安坐标系和CGCS2000 国家大地坐标系，计算过程可完成验证检查，防止输入错误.

2.2.1 直线段类型

直线段点位坐标计算是基于道路直线段放样要求经计算得到相应数据，如直线道路的方位角、起始点坐标.按照坐标正算的方式进行计算，从而获得待放样点的坐标.直线段测设的计算原理及思路为：先将直线段构成的数据归算到统一的导线测量坐标系统中，进而再计算放样要素.软件APP 界面包括8 个文本框，表示起始点坐标X起，Y起，点间间隔距离D，方位角的度、分、秒，待放样点坐标Xi，Yi；8 个输入框，对应文本框表示的数据；4 个按钮，分别对应计算、清除、继续运算、保存功能，数据保存功能可完整保存计算得到的数据，具体流程如图2 所示.

图2 直线段坐标计算流程

2.2.2 圆曲线段类型

圆曲线段点位坐标计算是基于道路放样的要求经计算得出道路圆曲线段的交点坐标和里程、圆曲线的半径，按工程测量规范提到计算方法进行计算，从而获得待放样点的坐标［9-10］.圆曲线测设的计算原理及思路为：先将缓和曲线段、圆曲线段以及直线段构成的曲线归算到统一的导线测量坐标系统中，再计算放样要素.软件APP 界面包括16 个文本框，表示起点坐标X起，Y起，终点坐标X终，Y终，圆曲线半径R，交点坐标XJD，YJD，交点里程KJD，待放样点设计里程Ki，切线长T，曲线长L，外矢距E，切曲差q，待放样点坐标Xi，Yi，设计里程Ki；16 个输入框，对应文本框表示的数据；两个选择按钮，对应路线左转和路线右转；3 个按钮，分别对应计算、清空、保存功能，数据保存功能可完整保存计算的数据，流程如图3 所示.

图3 圆曲线段计算流程图

2.2.3 带缓和曲线的圆曲线段类型

带缓和曲线的圆曲线段点位坐标将是基于道路带缓和曲线的圆曲线段放样的计算道路的交点坐标和里程，圆曲线的半径，缓和曲线长度，按照工程测量规范提到的计算方法进行计算，从而获得待放样点的坐标［11-13］.

3 APP开发与设计

3.1 开发平台搭建

开发平台搭建需要进行环境变量的配置.首先安装JDK，注意将JDK 和JRE 安装到相同目录；设置CLASSPATH 目的用来确定Java 执行环境.其次，设置SDK 界面.在开发平台环境配置完成后，该初始界面选定Configure-SDK Manager，选择Android 4.1 以上的SDK 版本安装，完成后设置Android Studio SDK 界面.

3.2 详细设计

3.2.1 APP软件界面设计

在APP 软件界面设计过程中，首先在Android Studio3.0.1 软件开发平台创建项目.其次，设计界面主要运用到布局为Relative Layout（相对布局）和Linear Layout（线性布局），android 中可自定义主题和风格.本研究设计白色背景颜色以及控件大小，并根据美观原则将控件按钮设置与主题相同的颜色，即完成软件界面设计.

（1）主页面界面设计.主界面采用线性布局，里面包括1 个文本框显示应用名称，4 个按钮分别对应直线段计算界面、圆曲线段计算界面、带缓和曲线的圆曲线段计算界面及提示界面.

（2）直线段界面设计.直线段计算界面采用线性布局的嵌套，线性布局下面是一些控件，包括文本框，输入框及按钮等.

（3）圆曲线段界面设计.圆曲线段计算界面采用相对布局和线性布局的嵌套，利用相对布局和线性布局的垂直和水平分布将控件排列出来，还包括文本框、输入框、常规按钮、选择按钮等控件.

（4）带缓和曲线的圆曲线段界面设计.带缓和曲线的圆曲线段计算界面采用相对布局和线性布局的嵌套，利用相对布局和线性布局的垂直和水平分布将控件排列出来，还包括文本框、输入框、常规按钮、选择按钮等控件.

3.2.2 逻辑代码编辑

（1）直线段计算代码编写.直线段计算部分首先声明Butterknife 框架，在主界面已声明是更明确地声明控件.其次开始声明布局页面中的控件，编写清空、继续运算、保存、计算按钮的事件代码.

（2）圆曲线段逻辑代码编写.圆曲线段坐标点位计算的逻辑代码的核心内容如下：

（3）带缓和曲线的圆曲线段逻辑代码编写.带缓和曲线的圆曲线段逻辑代码主要考虑放样点位的具体位置.带缓和曲线的圆曲线段坐标点位计算的逻辑代码的核心内容如下：

3.3 结果核验

贵州省沿河至榕江高速公路土建的第六施工段的部分直线、曲线及转角值成果，如表1 所示.本研究可利用表1 中的数据应用APP 软件对于道路施工的直线段、圆曲线段及带缓和圆曲线段的放样点位坐标计算的正确性进行核验.

表1 道路工程的直线、曲线及转角值

3.3.1 直线段计算检验

从表1 和图4 可得，本研究将JD31 作为起始点，JD31 至JD32 之间的距离作为间隔距离，JD31至JD32 之间的直线方位角作为已知方位角，通过APP 软件的直线段计算功能的界面可计算出带放样点位JD32 的坐标值，并与表格中的数据对比，得到两类数据的结果一致.可验证直线段点位坐标计算程序的准确性.

3.3.2 圆曲线段计算检验

从表1 和图5 可得，本研究将JD33 作为起始点，JD35 作为终点，JD34 作为需要计算的圆曲线段的交点，输入相应的数据，通过APP 的圆曲线段功能的界面可完整地计算出待放样点位的坐标值，且通过计算得到道路圆曲线段的切线长、曲线长、外矢距、切曲差的值，并与表格中的对应的数据作比较，得到两种数据结果无差异，验证得到道路圆曲线段坐标计算程序的准确性.

3.3.3 带缓和曲线的圆曲线段计算检验

从表1 和图6 可得，本研究将JD31 作为起始点，JD33 作为终点，JD32 作为需要计算的带缓和曲线的圆曲线段的交点，输入相应的数据，通过APP软件的带缓和曲线段功能的界面可完整地计算出待放样点位的坐标值，且通过计算得出带缓和曲线的圆曲线段的切线长、曲线长、外矢距、切曲差值，并与表1 中的数据作比较，得到两种数据结果无差异，验证了带缓和曲线的圆曲线段的坐标计算程序的准确性.

通过对曲线测设APP 计算结果的对比以及案例分析，道路测设APP 的计算精度对于一般的工程项目是完全适用的，而且适用于安装在任何一款Android 操作系统的手机或移动设备上.道路测设APP 设计与实现使复杂的曲线计算便捷化、简单化，提高了野外作业的效率，为用户提供了极大的方便.随着Android 操作系统在测绘领域应用越来越广泛，曲线测设APP 将会以其搭载平台广泛、功能清晰、界面友好、使用方便等优点被人们所接受.基于Android 的曲线测设APP 可以进一步与网络相结合，增加一些其他功能模块，实现测量数据的实时动态上传及返回，以达到远程掌控制、处理、返回曲线测设数据的目的.

图4 直线段坐标计算结果

图5 圆曲线段计算结果

图6 带缓和曲线的圆曲线段计算成果

4 结论

本文设计的APP，可实现道路放样数据的测量记录界面无纸化及计算，并对高速公路道路施工的放样数据进行核验，结果精度高.该APP 软件可减少传统的纸质档记录带来的误差及人工计算误差.道路放样是交通工程中一项十分重要的工作，该APP 获得数据可自行保存和随时查看及存档，便于后期内业处理时数据的调用，避免外业数据出错导致频繁返工等问题.应用结果表明，道路放样数据计算APP 的开发设计，可提高道路放样数据计算的效率和准确度，提高道路施工放样的工作效率和资料的管理水平，减少大量人力及物力，增强道路施工测量放样的效益.此外，由于本研究开发条件等限制，本软件只实现关于道路部分类型测设的初步设计与计算，在未来的研究中可使用分布式计算方法来进一步提升其工作效率，提高计算精度，优化软件功能.