鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉換方法

張 帥

（1.中工武大設計研究有限公司 湖北 武漢 430070）

鐵路工程中AutoCAD與GoogleEarth線路圖轉換方法

張 帥1

（1.中工武大設計研究有限公司 湖北 武漢 430070）

基于ObjectARX技術，結合拉美某國鐵路項目，研究了ACAD線路數據向GE的轉換方法，并簡述轉換后的GE線路圖在鐵路項目路線設計和后期巡檢等管理工作中的實際應用。

AutoCAD；線性工程 ；數據轉換；GoogleEarth ObjectARX

近年來，隨著海外市場的開拓，我國參建項目數量與日俱增。其中不乏鐵路、公路等線性工程。這類工程大多會遠離城區，給項目前期設計與施工巡檢工作在線路導航與定位方面造成極大不便。尤其是路線勘測設計階段，一般會根據展繪在衛片上的線路圖與實地情況反復比較、修正，直至線路設計最終完成。

在拉美、非洲等地的大部分國家和地區，設計公司習慣將線路圖繪制在ACAD上，然后轉換成KML格式文件，導入手機GE進行實地導航和踏勘選線工作。由于手機等智能設備攜帶方便，又能滿足前期踏勘和后期巡檢的精度要求，因而在這些國家和地區開展線路工程管理工作時，ACAD線路數據向GE轉換顯得尤為重要。

1 線路數據轉換及應用的基本流程

設計公司在選線階段，先進行紙上定線，結合現場踏勘確定線路交點，再結合線路的速度（或最小曲線半徑）、最短緩和曲線長度、周邊自然環境及城鎮鄉村規劃等計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表、豎曲線參數表和超高數據表。按照拉美一帶的習慣，先根據平曲線參數表在ACAD中繪制出各段直線段、圓曲線和緩和曲線，并連成一個多線段，再根據對項目里程精度的需要，間隔一定距離讀取該里程點位的坐標（X，Y），此點位為大地坐標（B，L）投影后的數據。在拉美地區，多采用WGS-84投影橢球，投影方式為通用橫軸墨卡托投影（UTM）。根據橢球參數和投影類型反算出大地坐標的經緯度（B，L），再按照GE線路文件KML格式進行存儲后即可導入手機GE使用，為踏勘與巡檢提供導航與定位服務。以上流程如圖1所示。

圖1 數據轉換及其應用總體流程圖

2 線路圖形在ACAD中的繪制

設計公司提供的平曲線參數表一般包括交點坐標、主點里程、轉角、曲線半徑和緩和曲線長度等，不能根據任意里程來取得坐標，尤其是整樁號，能夠為現場踏勘和后期巡檢起到有效的定位作用。因而須根據平曲線參數表在ACAD中展繪交點并依次連接成線段。直線段和圓曲線較為簡單，而緩和曲線類型眾多，計算復雜，拉美地區一般采用回旋線擬合，點位沿緩和曲線至直緩點的長度與坐標的關系經冪級數展開后，如式（1）[1]：

式中C=R·l0。需要說明的是，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。而我國鐵路工程線路設計一般采用三次拋物線[2]，公路工程才采用回旋線[3]。其中三次拋物線經展開后是一個非線性方程，需要在計算機中進行迭代來完成[4]。

經過在ACAD中的展繪，可在交點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等專業軟件快速完成線路文件的設計。

3 投影類型簡述和UTM投影計算

ACAD中線路圖形的點位表達方式均采用經過地球橢球投影后的坐標系統，不能直接使用在KML文件中，需要根據橢球參數和投影類型進行反算。

常見的地球橢球有Krassovsky 1948（1954年北京坐系），IAG 75（1980西安坐標系）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協議地球參考系是美國國防部為適應全球地圖編制和空間技術發展需要而建立的世界大地坐標系，也是全球定位系統GPS采用的參考構架。UTM投影是美國編制世界各地軍用地圖和地球資源衛星像片采用的投影系統。鑒于此，WGS-84橢球和UTM投影在大地測量方面具備不可比擬的通用、普適和簡便等特點，也是拉美、非洲等地最常使用的坐標基準。

海外工程的實施應考慮和當地坐標系的控制網聯測，因而，應該熟悉掌握UTM投影的計算公式[5]：

UTM投影在中央子午線上存在投影長度比0.999 6的變形，而離中央經線左右約180 km 處有兩條長度比為1的割線，在該割線上邊長沒有變形，離這兩條割線愈遠邊長變形愈大。在這兩條割線之內，邊長經投影后長度縮小，即長度變形為負值，最小為-0.000 4；兩條割線之外，邊長經投影后長度放大，即長度變形為正值，最大為0.000 98（B=0）。由于變形的復雜性和不確定性，所以投影計算時應盡量提高精度，避免誤差在經過多次正反算迭代后變形超過允許范圍。美國大地測量專家Karney在2010年通過增加冪級數展開項的方法將UTM投影計算提高到幾個納米等級的精度[6]，避免了工程測量中出現以上問題。

4 使用ObjectARX技術完成數據轉換

盡管ACAD繪圖設計功能強大，但并不支持對線路圖形的整樁里程點坐標讀取、相應UTM反算投影和KML數據轉換，對其進行功能上的訂制再利用，稱為ACAD二次開發。

二次開發常見的編程語言有C/C++、C#、AutoLISP、VBA等，其中C/C++為編譯性語言，對于大數據的處理效率較高，ObjectARX即C/C++針對ACAD進行二次開發封裝的SDK。

基于ObjectARX技術，AcdbPolyline:getPointAtDist可以讀取ACAD線路圖形任意里程的坐標。反算過程可采用Karney編寫的成熟C++庫 GeographicLib[7]，經驗算，完全可以達到幾個納米級精度。

經過（B，L）=F（X，Y）投影反算后，大地經緯度（B，L）即可按照KML格式標準寫入文件[8]。

實際上，GE提供了KMZ和KML兩種文件存儲格式，前者是后者的壓縮形式，因而只需研究KML格式。KML 是一種 XML 描述語言，為文本文件，可直接進行編輯，也可通過代碼實現地標文件內部信息的讀取和寫入。其中常見的標簽如下：

由于KML采用簡單的XML結構，可使用XML庫Tinyxml等寫入KML文件。數據轉換實現的偽代碼表示如下：

int ConvertToKml_Line（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔1 m讀取ACAD線路坐標點（X1m,Y1m）

//使用GeographicLib轉換為（B1m，L1m）

//將（B1m，L1m）寫入線路KML文件直至線路結尾}

int ConvertToKml_Dot（AcdbPolyline &plRoad）{

//每間隔整樁(按100 m)讀取ACAD線路坐標點（X100m,Y100m）

//使用GeographicLib轉換為（B100m，L100m）

//將（B100m，L100m）寫入整樁點位KML文件直至線路結尾}

根據以上原理，編程生成KML文件導入手機GE進行定位導航，效果如圖2～3。

圖2 轉換后整體效果圖

圖3 應用時局部導航圖

5 鐵路工程中GE線路文件的應用

在南美、非洲等地，由于線路工程路線勘測設計階段缺乏航拍數據，項目設計人員經常結合GE中的衛片進行“紙上定線”。在無法獲得精確信息時，將轉換完成的KML文件導入手持智能設備，用GE或同類軟件打開進行實地導航與定位，為項目前期線路設計人員的踏勘、選線提供了極大便利，也為后期項目管理過程中巡檢人員的質量、安全檢查提供了簡便有效的定位手段。

結合上述方法，南美某國鐵路項目設計人員、施工管理人員大大提高了工作效率。在2014～2015年度，我國多次在南美地區提出“兩洋鐵路”（連接大西洋太平洋）概念，部分國家和地區在我國企業主導或參與下已啟動了可行性研究工作。隨著這條鐵路各項工作的深入開展，尤其在線路勘測設計階段，這種數據的轉換利用將更加頻繁。

[1] AutoDesk,Inc AutoCAD Civil 3D 用戶手冊 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.鐵路線路設計規范[S].

[3] JTG-D20-2006. 公路路線設計規范[S].

[4] 余時民,庹立新.三次拋物線測設高速鐵路曲線[J].高速鐵路技術,2010(S1):18-24

[5] 李國義,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] 開放地理信息聯盟(OGC)KML.白皮書[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，研究方向為工程測量、大地測量及其在大型項目管理中的技術質量控制。

2016-01-06。