GoogleEarth在道路工程中的應(yīng)用探討

劉海強(qiáng)　張科超　張茜　雷楠

3.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100097；4.陜西中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

摘要：文章介紹了Google Earth的功能，并論述了其在道路工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用需求，同時(shí)結(jié)合公路選線(xiàn)、城市道路前期方案規(guī)劃、方案演示等功能需求做具體研究，并提出了可行的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：道路工程；Google Earth；AutoCAD；二次開(kāi)發(fā)。

中圖分類(lèi)號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）05-0050-03

1 概述

Google Earth（簡(jiǎn)稱(chēng)GE）是由美國(guó)Google公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬地球軟件，其將收集到的各種衛(wèi)星照片、航空影像等地理信息整合到虛擬地球儀上，以方便需要的人使用，是一款最為成熟的地理信息系統(tǒng)。Google Earth桌面版共推出了3款以面向有不同需求的對(duì)象，免費(fèi)版、專(zhuān)業(yè)版和企業(yè)版，不同版本提供的功能有差異，但是客戶(hù)端上顯示地形影像等數(shù)據(jù)資料是一樣的。

通過(guò)多年的推廣及GE軟件自身功能的實(shí)用性和通用性，對(duì)該軟件的應(yīng)用研究越來(lái)越多，但大部分以?shī)蕵?lè)性為主，如旅行的路線(xiàn)制定、特殊建筑坐標(biāo)的定位等。對(duì)于GE軟件應(yīng)用于城市道路設(shè)計(jì)中的研究還相對(duì)較少，缺乏較為深入的探討。城市道路設(shè)計(jì)中需要道路位置周邊的地形、地物等數(shù)據(jù)資料，傳統(tǒng)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本以實(shí)測(cè)為主，在方案設(shè)計(jì)、工程匯報(bào)等階段時(shí)，完全可以利用GE軟件中的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工程前期的設(shè)計(jì)工作。由于GE軟件擁有強(qiáng)大的地理信息三維數(shù)據(jù)及全球任何區(qū)域的衛(wèi)星（航空）影像，并提供了可供二次開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)編程接口，通過(guò)KML文件實(shí)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與GE軟件的良好交互，這些為GE軟件在城市道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 Google Earth在道路工程中的功能需求

GE軟件能夠提供全球范圍的三維地形數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像圖數(shù)據(jù)，道路工程走廊帶的地形圖和三維地形數(shù)據(jù)是開(kāi)展道路工程設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)資料，通過(guò)GE軟件可以省去向當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門(mén)購(gòu)買(mǎi)地形圖和實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)的工作，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。此外，GE軟件具有三維漫游的功能，道路方案可以在GE軟件中建立模型進(jìn)行方案匯報(bào)演示。

2.1 基于GE軟件的三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行公路選線(xiàn)

山區(qū)公路進(jìn)行選線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，地形、地質(zhì)及環(huán)境等條件是公路選線(xiàn)方案的主要控制因素。在實(shí)際的公路工程前期方案選線(xiàn)設(shè)計(jì)階段，一般都是利用向當(dāng)?shù)夭块T(mén)購(gòu)買(mǎi)的地形圖進(jìn)行選線(xiàn)設(shè)計(jì)，缺少較為詳細(xì)的三維地形數(shù)據(jù)，每個(gè)方案都要相應(yīng)地摘錄地形數(shù)據(jù)，工作量大，精度低。GE軟件可以提供全球范圍的三維地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度可以滿(mǎn)足道路工程的方案設(shè)計(jì)要求，利用該軟件中提供的路線(xiàn)走廊帶的三維數(shù)據(jù)可以通過(guò)建立數(shù)字三維地面模型，并應(yīng)用在道路的方案設(shè)計(jì)階段中，降低基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理工作強(qiáng)度，提高方案設(shè)計(jì)工作效率，增加數(shù)據(jù)精度。

提取三維地形數(shù)據(jù)需要利用GE軟件的API數(shù)據(jù)接口，通過(guò)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

2.1.1 利用GE軟件下載設(shè)計(jì)控制區(qū)域內(nèi)三維地形數(shù)據(jù)。

2.1.2 利用GE軟件的API查詢(xún)點(diǎn)三維坐標(biāo)的功能，按設(shè)置的捕捉點(diǎn)距離，獲取控制區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，并按一定的格式保存為數(shù)據(jù)文本。

2.1.3 利用道路專(zhuān)業(yè)軟件（如維地、CARD/1等）將GE軟件中提取出來(lái)的高程數(shù)據(jù)文本，建立數(shù)據(jù)三維地面模型，并用于道路工程的方案選線(xiàn)設(shè)計(jì)工作。

2.2 基于GE軟件的衛(wèi)星地圖進(jìn)行城市道路方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)

城市道路工程設(shè)計(jì)的主要控制因素是現(xiàn)況城市道路網(wǎng)、城市功能區(qū)規(guī)劃、現(xiàn)況建筑、城市內(nèi)河流水系等。一般采用向當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門(mén)購(gòu)買(mǎi)該項(xiàng)目區(qū)域的地形圖資料，但該地形圖年代較為久遠(yuǎn)，城市的發(fā)展較快，因而與實(shí)際現(xiàn)況地形出入較大，需結(jié)合實(shí)測(cè)細(xì)部地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，給設(shè)計(jì)工作造成較大困難。

由于GE軟件內(nèi)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資料較為完整，且城市范圍內(nèi)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)精度高，可清晰辨別居民區(qū)、工廠(chǎng)、河流水系、現(xiàn)況道路等信息，另外GE軟件中衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)更新比較快，GE軟件中的衛(wèi)星影像圖基本都是最近幾年拍攝的，與測(cè)繪部門(mén)提供的地形圖相比較，更能清晰反映城市的現(xiàn)況信息，可以為城市道路方案規(guī)劃提供最新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

提取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)需要利用GE軟件的API數(shù)據(jù)接口，通過(guò)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

2.2.1 在GE軟件內(nèi)選取城市道路項(xiàng)目控制區(qū)域。

2.2.2 通過(guò)二次開(kāi)發(fā)程序?qū)刂茀^(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星影像圖進(jìn)行分塊捕捉對(duì)應(yīng)塊圖像，并計(jì)算出每塊圖像的4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2.3 利用AutoCAD（或CARD/1等）軟件，將塊圖形按4個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入完成拼接大圖，在該軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)城市道路的方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。

利用GE軟件提供的衛(wèi)星影像資料，設(shè)計(jì)人員可以掌握項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)現(xiàn)況、水系現(xiàn)況、路網(wǎng)現(xiàn)況等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，省去了較多的外業(yè)踏勘工作量，提高了工作效率，較快地完成城市道路方案規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。

3 數(shù)據(jù)的處理

道路工程設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)與GE軟件的數(shù)據(jù)是通過(guò)GE軟件的API數(shù)據(jù)接口建立聯(lián)系。GE軟件的API是應(yīng)用編程的數(shù)據(jù)接口，方便二次開(kāi)發(fā)人員利用它，通過(guò)編輯語(yǔ)言（如Visual Basic等）建立兩個(gè)不同平臺(tái)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3.1 KML文件的介紹

GE軟件提供了KML文件擴(kuò)展方法，可以將點(diǎn)、線(xiàn)、面、多邊形的三維數(shù)據(jù)按一定的格式要求保存成KML文件。在GE軟件中打開(kāi)KML文件即可顯示設(shè)計(jì)中的點(diǎn)、線(xiàn)、面、多邊形等圖元。通過(guò)該方法可以將道路工程的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)、道路構(gòu)筑物等三維模型導(dǎo)入到GE軟件中，并根據(jù)需求顯示，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目方案的匯報(bào)演示工作。

3.2 KML文件格式

<？xml version="1.0" encoding="UTF-8"？>

C：＼××路平面圖.kml ‘生成數(shù)據(jù)文件名稱(chēng)

From AutoCAD ‘?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源

1

line ‘直線(xiàn)

#m_autocad_301

1

relativeToGround

116.1079370141，40.0446439963，0.0000000000 ‘圖元點(diǎn)數(shù)據(jù)

116.1079238796，40.0446241775，0.0000000000 ‘圖元點(diǎn)數(shù)據(jù)

116.1079110647，40.0446042357，0.0000000000 ‘圖元點(diǎn)數(shù)據(jù)

116.1078985712，40.0445841741，0.0000000000 ‘圖元點(diǎn)數(shù)據(jù)

…… ‘圖元點(diǎn)數(shù)據(jù)

highlight

#s_autocad_301

道路設(shè)計(jì)成果在GE軟件中可以利用“線(xiàn)圖元”來(lái)表示，需要對(duì)“線(xiàn)圖元”點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)及“線(xiàn)圖元”的寬度進(jìn)行設(shè)置。道路構(gòu)筑物的三維模型可以利用“多邊形圖元”表示，由于在GE軟件中的圖元可以設(shè)置顏色，增加了圖元顯示的易觀(guān)性。

3.3 數(shù)據(jù)的匹配處理

隨著GE軟件的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，很多專(zhuān)業(yè)軟件（如Autodesk Civil 3D、ArcGIS等）增加了相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，將其專(zhuān)有格式的成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GE軟件兼容的KML文件格式，以方便將設(shè)計(jì)成果顯示在GE軟件中。此外，可以根據(jù)項(xiàng)目自身需要，通過(guò)編寫(xiě)程序生成所需的KML文件。

專(zhuān)業(yè)軟件的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GE軟件數(shù)據(jù)后都會(huì)存在一定的差異。這是由于兩個(gè)軟件的坐標(biāo)系不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)的精度低等原因造成的。因此在將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配以減小偏差。

由于GE軟件提供的衛(wèi)星影像圖及三維地形數(shù)據(jù)精度較低，在GE軟件中選取2～4個(gè)特征點(diǎn)作為坐標(biāo)控制點(diǎn)，在專(zhuān)業(yè)軟件中找到對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，依據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的關(guān)系，對(duì)輸出各點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行偏差矯正計(jì)算（即等比例放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作），即在生成KML文件時(shí)考慮各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的偏差量，這樣就可以得到準(zhǔn)確的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 項(xiàng)目實(shí)例

結(jié)合具體的道路工程設(shè)計(jì)需求，在AutoCAD2006

平臺(tái)下。利用VBA編寫(xiě)程序，通過(guò)GE軟件提供的API數(shù)據(jù)接口，將道路工程專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件與GE軟件聯(lián)系到一起使用，實(shí)現(xiàn)了GE軟件中控制區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星影像圖自動(dòng)下載，并在道路專(zhuān)業(yè)軟件中自動(dòng)拼圖，道路設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)換成KML文件的功能。下面簡(jiǎn)單介紹一下作者在實(shí)際中的應(yīng)用。

筆者在廣西南寧欽防高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)可研項(xiàng)目中，通過(guò)GE軟件下載了較為符合現(xiàn)況的衛(wèi)星影像圖，與測(cè)繪部門(mén)提供的地形圖相比較，信息更符合現(xiàn)況，新的廠(chǎng)房及建筑等信息是購(gòu)買(mǎi)地形圖上沒(méi)有的。

通過(guò)GE軟件下載衛(wèi)星影像圖片后在專(zhuān)業(yè)軟件中拼接成大圖，得到該道路工程所在控制區(qū)域的衛(wèi)星影像，該圖詳細(xì)顯示了道路走廊帶內(nèi)的控制物情況（村鎮(zhèn)、道路、水系、橋梁等），降低了設(shè)計(jì)人員的外業(yè)工作量，提高了道路的方案設(shè)計(jì)效率，并提高了工程量的精度。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著GE軟件的廣泛應(yīng)用，其在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，尤其在項(xiàng)目的方案規(guī)劃階段、工程可行性研究階段降低了前期資料的收集工作強(qiáng)度，降低了外業(yè)工作量，提高了工作的效率和質(zhì)量。在道路工程方案的匯報(bào)演示中，利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立的三維數(shù)據(jù)模型，可以直觀(guān)地將道路顯示出來(lái)，能夠使設(shè)計(jì)人員更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，使審查人員有直接的認(rèn)識(shí)和了解。

參考文獻(xiàn)

[1] http： // www . godeyes. cn.

[2] 張瑞.Google Earth在道路及規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].華中科技大學(xué).

作者簡(jiǎn)介：劉海強(qiáng)（1984-），北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院助理工程師，研究方向：道路、互通式立交設(shè)計(jì)；張科超（1984-），交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所助理研究員，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)隱蔽工程檢測(cè)技術(shù)；張茜（1982-），中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；雷楠（1984-），陜西中交公路巖土工程有限責(zé)任公司助理工程師，研究方向：橋涵設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）