張 帥
(1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 湖北 武漢 430070)
鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉(zhuǎn)換方法
張 帥1
(1.中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司 湖北 武漢 430070)
基于ObjectARX技術(shù),結(jié)合拉美某國(guó)鐵路項(xiàng)目,研究了ACAD線路數(shù)據(jù)向GE的轉(zhuǎn)換方法,并簡(jiǎn)述轉(zhuǎn)換后的GE線路圖在鐵路項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)和后期巡檢等管理工作中的實(shí)際應(yīng)用。
AutoCAD;線性工程 ;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;GoogleEarth ObjectARX
近年來(lái),隨著海外市場(chǎng)的開(kāi)拓,我國(guó)參建項(xiàng)目數(shù)量與日俱增。其中不乏鐵路、公路等線性工程。這類工程大多會(huì)遠(yuǎn)離城區(qū),給項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)與施工巡檢工作在線路導(dǎo)航與定位方面造成極大不便。尤其是路線勘測(cè)設(shè)計(jì)階段,一般會(huì)根據(jù)展繪在衛(wèi)片上的線路圖與實(shí)地情況反復(fù)比較、修正,直至線路設(shè)計(jì)最終完成。
在拉美、非洲等地的大部分國(guó)家和地區(qū),設(shè)計(jì)公司習(xí)慣將線路圖繪制在ACAD上,然后轉(zhuǎn)換成KML格式文件,導(dǎo)入手機(jī)GE進(jìn)行實(shí)地導(dǎo)航和踏勘選線工作。由于手機(jī)等智能設(shè)備攜帶方便,又能滿足前期踏勘和后期巡檢的精度要求,因而在這些國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展線路工程管理工作時(shí),ACAD線路數(shù)據(jù)向GE轉(zhuǎn)換顯得尤為重要。
設(shè)計(jì)公司在選線階段,先進(jìn)行紙上定線,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定線路交點(diǎn),再結(jié)合線路的速度(或最小曲線半徑)、最短緩和曲線長(zhǎng)度、周邊自然環(huán)境及城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村規(guī)劃等計(jì)算出圓曲線和緩和曲線位置。在鐵路線路成果文件中,一般包括平曲線參數(shù)表、豎曲線參數(shù)表和超高數(shù)據(jù)表。按照拉美一帶的習(xí)慣,先根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中繪制出各段直線段、圓曲線和緩和曲線,并連成一個(gè)多線段,再根據(jù)對(duì)項(xiàng)目里程精度的需要,間隔一定距離讀取該里程點(diǎn)位的坐標(biāo)(X,Y),此點(diǎn)位為大地坐標(biāo)(B,L)投影后的數(shù)據(jù)。在拉美地區(qū),多采用WGS-84投影橢球,投影方式為通用橫軸墨卡托投影(UTM)。根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型反算出大地坐標(biāo)的經(jīng)緯度(B,L),再按照GE線路文件KML格式進(jìn)行存儲(chǔ)后即可導(dǎo)入手機(jī)GE使用,為踏勘與巡檢提供導(dǎo)航與定位服務(wù)。以上流程如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用總體流程圖
設(shè)計(jì)公司提供的平曲線參數(shù)表一般包括交點(diǎn)坐標(biāo)、主點(diǎn)里程、轉(zhuǎn)角、曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)度等,不能根據(jù)任意里程來(lái)取得坐標(biāo),尤其是整樁號(hào),能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)踏勘和后期巡檢起到有效的定位作用。因而須根據(jù)平曲線參數(shù)表在ACAD中展繪交點(diǎn)并依次連接成線段。直線段和圓曲線較為簡(jiǎn)單,而緩和曲線類型眾多,計(jì)算復(fù)雜,拉美地區(qū)一般采用回旋線擬合,點(diǎn)位沿緩和曲線至直緩點(diǎn)的長(zhǎng)度與坐標(biāo)的關(guān)系經(jīng)冪級(jí)數(shù)展開(kāi)后,如式(1)[1]:
式中C=R·l0。需要說(shuō)明的是,南美、非洲等地的鐵路速度基本在160 km/h以下,緩和曲線類型多采用回旋線。而我國(guó)鐵路工程線路設(shè)計(jì)一般采用三次拋物線[2],公路工程才采用回旋線[3]。其中三次拋物線經(jīng)展開(kāi)后是一個(gè)非線性方程,需要在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行迭代來(lái)完成[4]。
經(jīng)過(guò)在ACAD中的展繪,可在交點(diǎn)附近得到一組組直線段、緩和曲線和圓曲線。再使用ACAD命令“JOIN”連接這些線合成多線段。除了使用ACAD繪制外,還可以采用Civil 3D等專業(yè)軟件快速完成線路文件的設(shè)計(jì)。
ACAD中線路圖形的點(diǎn)位表達(dá)方式均采用經(jīng)過(guò)地球橢球投影后的坐標(biāo)系統(tǒng),不能直接使用在KML文件中,需要根據(jù)橢球參數(shù)和投影類型進(jìn)行反算。
常見(jiàn)的地球橢球有Krassovsky 1948(1954年北京坐系),IAG 75(1980西安坐標(biāo)系)和WGS-84等,投影類型有Gauss-Krüger投影、UTM投影和Lambert等角投影。其中WGS-84協(xié)議地球參考系是美國(guó)國(guó)防部為適應(yīng)全球地圖編制和空間技術(shù)發(fā)展需要而建立的世界大地坐標(biāo)系,也是全球定位系統(tǒng)GPS采用的參考構(gòu)架。UTM投影是美國(guó)編制世界各地軍用地圖和地球資源衛(wèi)星像片采用的投影系統(tǒng)。鑒于此,WGS-84橢球和UTM投影在大地測(cè)量方面具備不可比擬的通用、普適和簡(jiǎn)便等特點(diǎn),也是拉美、非洲等地最常使用的坐標(biāo)基準(zhǔn)。
海外工程的實(shí)施應(yīng)考慮和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的控制網(wǎng)聯(lián)測(cè),因而,應(yīng)該熟悉掌握UTM投影的計(jì)算公式[5]:
UTM投影在中央子午線上存在投影長(zhǎng)度比0.999 6的變形,而離中央經(jīng)線左右約180 km 處有兩條長(zhǎng)度比為1的割線,在該割線上邊長(zhǎng)沒(méi)有變形,離這兩條割線愈遠(yuǎn)邊長(zhǎng)變形愈大。在這兩條割線之內(nèi),邊長(zhǎng)經(jīng)投影后長(zhǎng)度縮小,即長(zhǎng)度變形為負(fù)值,最小為-0.000 4;兩條割線之外,邊長(zhǎng)經(jīng)投影后長(zhǎng)度放大,即長(zhǎng)度變形為正值,最大為0.000 98(B=0)。由于變形的復(fù)雜性和不確定性,所以投影計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量提高精度,避免誤差在經(jīng)過(guò)多次正反算迭代后變形超過(guò)允許范圍。美國(guó)大地測(cè)量專家Karney在2010年通過(guò)增加冪級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)的方法將UTM投影計(jì)算提高到幾個(gè)納米等級(jí)的精度[6],避免了工程測(cè)量中出現(xiàn)以上問(wèn)題。
盡管ACAD繪圖設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大,但并不支持對(duì)線路圖形的整樁里程點(diǎn)坐標(biāo)讀取、相應(yīng)UTM反算投影和KML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,對(duì)其進(jìn)行功能上的訂制再利用,稱為ACAD二次開(kāi)發(fā)。
二次開(kāi)發(fā)常見(jiàn)的編程語(yǔ)言有C/C++、C#、AutoLISP、VBA等,其中C/C++為編譯性語(yǔ)言,對(duì)于大數(shù)據(jù)的處理效率較高,ObjectARX即C/C++針對(duì)ACAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)封裝的SDK。
基于ObjectARX技術(shù),AcdbPolyline:getPointAtDist可以讀取ACAD線路圖形任意里程的坐標(biāo)。反算過(guò)程可采用Karney編寫(xiě)的成熟C++庫(kù) GeographicLib[7],經(jīng)驗(yàn)算,完全可以達(dá)到幾個(gè)納米級(jí)精度。
經(jīng)過(guò)(B,L)=F(X,Y)投影反算后,大地經(jīng)緯度(B,L)即可按照KML格式標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)入文件[8]。
實(shí)際上,GE提供了KMZ和KML兩種文件存儲(chǔ)格式,前者是后者的壓縮形式,因而只需研究KML格式。KML 是一種 XML 描述語(yǔ)言,為文本文件,可直接進(jìn)行編輯,也可通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)地標(biāo)文件內(nèi)部信息的讀取和寫(xiě)入。其中常見(jiàn)的標(biāo)簽如下:
由于KML采用簡(jiǎn)單的XML結(jié)構(gòu),可使用XML庫(kù)Tinyxml等寫(xiě)入KML文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的偽代碼表示如下:
int ConvertToKml_Line(AcdbPolyline &plRoad){
//每間隔1 m讀取ACAD線路坐標(biāo)點(diǎn)(X1m,Y1m)
//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為(B1m,L1m)
//將(B1m,L1m)寫(xiě)入線路KML文件直至線路結(jié)尾}
int ConvertToKml_Dot(AcdbPolyline &plRoad){
//每間隔整樁(按100 m)讀取ACAD線路坐標(biāo)點(diǎn)(X100m,Y100m)
//使用GeographicLib轉(zhuǎn)換為(B100m,L100m)
//將(B100m,L100m)寫(xiě)入整樁點(diǎn)位KML文件直至線路結(jié)尾}
根據(jù)以上原理,編程生成KML文件導(dǎo)入手機(jī)GE進(jìn)行定位導(dǎo)航,效果如圖2~3。
圖2 轉(zhuǎn)換后整體效果圖
圖3 應(yīng)用時(shí)局部導(dǎo)航圖
在南美、非洲等地,由于線路工程路線勘測(cè)設(shè)計(jì)階段缺乏航拍數(shù)據(jù),項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員經(jīng)常結(jié)合GE中的衛(wèi)片進(jìn)行“紙上定線”。在無(wú)法獲得精確信息時(shí),將轉(zhuǎn)換完成的KML文件導(dǎo)入手持智能設(shè)備,用GE或同類軟件打開(kāi)進(jìn)行實(shí)地導(dǎo)航與定位,為項(xiàng)目前期線路設(shè)計(jì)人員的踏勘、選線提供了極大便利,也為后期項(xiàng)目管理過(guò)程中巡檢人員的質(zhì)量、安全檢查提供了簡(jiǎn)便有效的定位手段。
結(jié)合上述方法,南美某國(guó)鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員、施工管理人員大大提高了工作效率。在2014~2015年度,我國(guó)多次在南美地區(qū)提出“兩洋鐵路”(連接大西洋太平洋)概念,部分國(guó)家和地區(qū)在我國(guó)企業(yè)主導(dǎo)或參與下已啟動(dòng)了可行性研究工作。隨著這條鐵路各項(xiàng)工作的深入開(kāi)展,尤其在線路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段,這種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換利用將更加頻繁。
[1] AutoDesk,Inc AutoCAD Civil 3D 用戶手冊(cè) 緩和曲線定義 [EB/OL]. [2015-10-31].http://docs.autodesk.com/ CIV3D/2013/CHS/ index.html?url=filesCUG/GUID-581518E0-DE06-482E-840C-B997C3590489.htm,topicNumber= CUGd30e185916
[2] GB50090-2006.鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3] JTG-D20-2006. 公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4] 余時(shí)民,庹立新.三次拋物線測(cè)設(shè)高速鐵路曲線[J].高速鐵路技術(shù),2010(S1):18-24
[5] 李國(guó)義,姚楚光.UTM投影及其變形分析[J].理空間信息,2013,11(6):80-83
[6] KARNEY CFF.Transverse Mercator with an Accuracy of a Few Nanometers[J].Journal of Geodesy,August 2011,85(8):475-485
[7] KARNEY C.GeographicLib[EB/OL].(2010-02-08)[2015-07-30].http://Geographiclib.Sourceforge.net/
[8] 開(kāi)放地理信息聯(lián)盟(OGC)KML.白皮書(shū)[EB/OL].[2015-08-04].http://Docs.Opengeospatial.org/is/12-007r2/12-007r2.html
P208
B
1672-4623(2016)10-0101-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.032
張帥,工程師,研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、大地測(cè)量及其在大型項(xiàng)目管理中的技術(shù)質(zhì)量控制。
2016-01-06。