面向交通土建工程的网络化移动勘测办公系统

乐亚南，杨建中，张献州，黄惠峰，产光杰，莫 春

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031;2.沪宁城际铁路股份有限公司，江苏 南京 210042)

面向交通土建工程的网络化移动勘测办公系统

乐亚南1，杨建中2，张献州1，黄惠峰1，产光杰2，莫 春1

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031;2.沪宁城际铁路股份有限公司，江苏 南京 210042)

现今的交通土建类大型工程项目数据繁冗复杂。传统的数据处理方式速度慢、精度低，已不能满足大型工程管理的需要。GeoNMOS软件可弥补在大型工程项目中数据处理方面的不足。文中提出网络化移动勘测办公系统的设计理念，着重分析GeoNMOS各个模块的特点及其主要功能。

GeoNMOS；数据处理；数据采集；控制网；预测评估

随着国内外铁路、公路、桥梁、隧道等大型工程项目的实施，现有工程项目呈现：工程量大、数据繁冗复杂、数据精度要求高、干扰因素多、参与单位多、质量控制及规范化、标准化管理难度大等特点，对工程的质量和工期都提出更高要求。特别是在我国西部交通不便利地区，传统公路和铁路仍不能满足生活和生产建设需要；在沿海发达地区高速铁路的兴建，也促使线路工程需要一个高效、高质量的集数据采集、内业解算、数据管理、分析及实时变形监测于一体的管理系统，以保证海量数据的分类归档存储和建立内部联系。

测绘软件种类繁多且功能相对独立，一般的平差处理软件能较好地进行平差计算[1]却不具备数据管理功能，而大部分数据库存储系统能对数据分类管理却无法进行相关测绘工作。针对现今交通土建工程这一特点，西南交通大学测量系历经十年自主研发了基于PDA/Server硬件系统和Network/Datebase软件技术[2]的网络化移动勘测办公系统(GeoNMOS)。该系统是一种面向交通土建工程的实现测量内外业一体化的勘测办公软件，已成功应用到工程项目中，目前升级到V2.1.1版本。

1 系统总体功能结构

本系统可应用于交通工程勘测设计、施工，运营管理阶段的外业数据采集、内业数据解算、控制网数据管理、沉降预测评估、变形预测评估分析等环节。系统总体功能结构如图1所示。

2 模块功能介绍

2.1 数据采集

数据采集负责对外业全站仪、电子水准仪、GPS测量数据进行记录和处理，并在处理时检查各项限差是否满足要求。其主要由线路数据采集、常规测量数据采集、椭球投影与坐标转换3部分组成。

1)线路数据采集。由于线路工程施工线路长，工作量很大，如果采用原始的方法进行测量，则需要人工记录并计算，耗费大量的人力、物力，且由于数据流转过程繁杂，人为干扰因素比较多，很难保证测量精度和数据质量。

数据采集模块针对各类全站仪的通用PDA采集软件，PDA采集的数据可以通过有线网、GPRS或无线网与GeoNMOS系统连接进行数据的传输，在网络化移动勘测办公系统中与之配套的内业处理程序查看外业采集的数据[3]，并将数据按用户的需要导出成文本文档或电子表格等形式，再用相同传输方式将超限数据传回PDA中，真正实现内外业一体化，减少数据流转环节，保证数据的精度和质量，更高效地完成工作，减少人工劳动量。同时，利用PDA外业采集功能时，可以设置相应限差，及时发现问题，减少返工。

线路数据采集支持铁路、公路等各种曲线方程，并基于该曲线的应用服务(例如，三维放样、横断面采集、斜交断面采集、铁路既有线测量)。

2)常规测量数据采集。外业测量大多采用人工记录及处理，经常出现司镜者与记录者间的人工错误，由于全站仪及计算机的使用，GeoNMOS使外业数据采集的自动记录有了基础平台，可以直接自动形成电子文档资料并可以被后续专业软件所采用，与其他各专业紧密结合。常规测量数据采集具有导线测量、水准数据采集、地形点采集等功能。

3)椭球投影与坐标转换。兼顾用户使用的各种转换方法，适应任意中央子午线投影面坐标变换，对坐标进行换算[4]。针对WGS-84坐标系、1954北京坐标系、1980西安坐标系和国家2000坐标系所对应的椭球构造工程椭球，长半轴a的增量取值分别对应测区高程补偿法、法线方向增长法、平均曲率半径法，转换模型分别采用空间直角坐标过渡法、纬度增量法、长半轴补偿法，进行不同坐标系统下坐标转换，有效增强数据共享率，提高工作效率，将经坐标转换后的数据生成文本文档、Excel文件。

椭球投影与坐标转换主要功能：高斯投影、兰勃特投影、UTM投影、EGM地球重力场模型计算、高程拟合、地面长度归算、大地坐标主题元素解算、正常水准面不平行、三维坐标转换、二维坐标转换。

2.2 控制网平差与优化设计

控制网平差与优化设计模块主要包括控制网的优化设计、平面网数据处理、高程网数据处理、GPS网数据处理等功能。

1)控制网优化设计，需在工程建设建立控制网的基础上[5]。由于控制网在布网时，会受到地理环境的影响和精度要求，因此在控制网设计阶段有必要先对控制网进行优化设计，从而提高工作效率、减少经济支出、提高精度，见图2。

GeoNMOS软件中的控制网优化部分可以对导入的数据自动进行平差，计算出原始观测方案的测角中误差与测距中误差以及观测值的可靠性指标——多余观测分量。再输入目标方案对于多余观测分量平均值的要求(较小值)，即可剔除具有较大多余观测分量的观测值，以达到目标要求。该部分主要具有分带辅助设计、一般控制网优化设计、桥梁的特殊结构网优化设计、隧道贯通误差计算等功能。

2)控制网平差。控制网平差模块可解算工程中常见的各种控制网，并进行平差[6]；其解算的速度快、参数设置详细、精度高、操作简便、报表详细可靠、节省时间和费用；该模块将两种不同观测手段的数据一起进行联合平差，保证数据的准确性。在GPS网平差中，只需将测得的WGS-84坐标系下的坐标转换为所需要的工程椭球高斯坐标[7-8]，设置不同的GPS平差参数即可。且GPS网平差可以统计同步环和独立环闭合差。

同时，该平差模块还有一些人性化功能，例如，生成科傻需要的观测数据文件格式.in1.in2格式，输出观测手薄，输出平差报告显示操作界面且保存于工程文件夹下，为以后查看、调用文件提供方便。该模块主要功能：高程网平差、平面网平差、GPS网平差、联合平差、生成平差文件、约束网平差、闭合环计算。

2.3 控制网数据管理与分析

在大型工程中，由于数据量大、数据冗长，造成管理难度大，而传统的做法是数据处理完成后，再将数据存储到第三方软件中，往往第三方软件却不能进行相关的测绘工作。GeoNMOS软件中的控制网数据管理与分析模块弥补了这一缺点，它包含可视化数据管理与分析、控制网复测精度分析功能，满足大型工程需求。

控制网数据管理与分析模块主要具有本地或服务器模式、可视化数据管理与分析、控制网复测精度分析等功能。控制网数据管理与分析模块使用本地模式和服务器模式两种方式对采集的外业数据和解算的内业数据进行统一管理，可以对多期的数据进行分析。

如果用户不建立服务器数据，则可以使用本地化模式。本地化模式采用数据库文件(*.FDB)进行工程数据管理，也无需进行用户验证。

服务器登录模式：链接网络数据库数据源或本地数据库数据源，需要进行用户权限认证。登录前，需要输入用户名、密码、服务器IP、服务器端口。

该模块实现数据管理的可视化，用户可以直接查看工程项目中的数据，并可以对其进行数据分析。控制网复测精度分析功能则是检验控制网稳定性的重要方法。

2.4 高铁沉降预测评估

针对高铁的沉降观测，GeoNMOS包含完整的数据质量控制与处理模块，并能得出高精度的预测与评估，为工程提供沉降项目管理、沉降数据质量检查、带工况的平差处理、成果输出、沉降预测与分析、异常数据分析、区段沉降数据管理、沉降区段图绘制、沉降预测评估、基准点修正、梁体徐变计算等多项功能。该模块还可适用于其他大型工程的沉降观测数据处理、管理、分析。

该模块是基于多层分布式应用架构开发，采用组件化设计与模块化集成构建系统，使系统结构部署方便灵活[9]；采用网络数据库管理系统进行海量沉降监测数据管理，支持千万级记录存储、检索与管理，实现内容动态分类归档与网络化沉降信息存储管理、结构化与非结构化测绘数据一体化管理模型，是国内首个沉降观测数据质量控制、平差处理、信息管理、评估分析一体化集成系统。

在数据处理时，可按规范设置各项限差，同时输入已知数据，在导入观测数据后进行各项限差计算，同时提示是否满足限差的要求，保证外业的观测质量。

沉降预测分析时，采用数学模型对沉降观测数据进行拟合分析，可实现单点、多点或整区段沉降预测计算，沉降图可视化、成果输出等。沉降预测流程如图3所示。

图3 沉降预测流程

2.5 变形预测评估

变形预测评估模块具有变形监测数据处理与入库、预测评估、工程构筑物三维建模、模糊综合评估、可视化分析等功能。

该模块实现4种预测模型：时间序列ARMA预测模型、灰色系统GM(1,1)预测模型、BP神经网络预测模型、卡尔曼滤波预测模型[9-10]。用户可根据工程需要选择适合的模型进行预测，如图4所示。

模块中有单点和全部两种预测方式。该模块将全部预测数据每个点都进行预测并生成报告，对于一些应用全部预测方法预测不到的点可进行单点预测，从而保障预测点的全面性；可视化分析包括正射投影、透视投影、漫游和空间查询功能；工程评估包括分段变形形态定量分析(CSA)、层次分析估计权重(AHP)、叠置分析-模糊综合评估(FCE)、整体综合评估分析(TAE)功能，在工程分析功能中，用AHP方法来分析估计权重，可计算出各监测子项目的权重比，可以根据其权重比对工程进行评估；该模块可进行三维建模并对生成的三维模型结果进行动画录制与制作。

变形预测评估模块与测量机器人、网络技术相结合，形成由测量机器人、测量控制装置、数据通信装置及数据自动处理软件构成的变形监测系统，在变形监测网的布设、三维建模、工程评估、变形预测等方面给出解决方案。

图4 变形预测评估模块

3 系统特点

1)一体化作业。外业工作人员将采集的数据信息通过有线或无线网实时地传输到服务器上，通过网络化移动勘测办公系统对数据进行处理，系统会自动将合格的数据存入服务器数据库中进行统一管理，而不合格的数据该系统会以同样的方式再次传输给外业工作人员，提示工作人员对不合格数据进行重新测量或处理。

2)网络化管理。该系统中的控制网数据管理与分析模块是在Firebird数据库的基础上开发的[11]。该模块具有本地登录和服务器登录两种模式，且可以相互切换，实现不同数据库间资源共享。当存储的数据量较小时，选择建立本地数据库，实现小数据管理。当工程项目较大，体系较复杂时，选择网络建立数据库，各单位可以用服务器登录模式，在网上进行数据查看、上传、下载等。数据库网络化的管理模式既保证数据可以及时共享，又弥补了数据量大、数据冗余的缺点。

3)面向土建工程。GeoNMOS是面向土建工程的一体化软件。GeoNMOS不仅给出公路、铁路等线性模型及其计算方法，提供了模拟PDA手簿方便定位放样；GeoNMOS还为用户提供沉降数据处理预测分析及变形预测评估等服务，并可自动生成报告、报表，减少工作人员的劳动量。

4 结束语

网络化移动勘测办公系统成为将工程测量外业数据汇集到内业处理、管理和预测分析的重要工具。目前，我国采用的外业数据采集和内业解算方式效率低下，不能很好满足线路工程高效率和高质量的需求。网络移动勘测办公外业数据采集、处理及应用不是一个静态的目标概念，而是一个伴随社会进步、经济发展、IT技术前进以及人们认识水平的提高而不断丰富与完善的概念。随着我国勘测设计作业中网络移动勘测办公进程的发展和计算机运用水平的提高，对于进一步开展基于移动勘测办公技术、智能全站仪、电子水准仪、GPS及计算机的铁路勘测设计网络移动勘测办公外业数据采集、处理及工程系统的研制工作，还需要更多的人力物力投入。

[1]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2]翟正刚,边召海,李波，等.计算机原理[M].北京：北京理工大学出版社,2010

[3]陈珂,张献州,杨曦，等.面向服务的网络化移动勘测办公系统[J].测绘科学,2014，39(4)：145-148.

[4]鲍建宽,李永利,李秀海.大地坐标转换模型及其应用[J].测绘工程,2013,22(3):56-60.

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[6]宋力杰.测量平差程序设计[M].北京：国防工业出版社，2009．

[7]刘大杰，施一民，过静珺.全球定位系统的原理与数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫局 GB/T 18314-2009全球定位系统(GPS)测量规范[S].北京：中国标准出版社，2009.

[9]明祖涛,游振兴,张届,等.高速铁路桥隧沉降预测模型的研究[J].测绘通报,2011(08):17-19.

[10]黄声享,尹晖，蒋旺．变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2003．

[11]陈玮.利用Firebird嵌入式数据库实现软件保护[J].计算机应用与软件,2010(10):159-161.

[责任编辑：张德福]

Transportation civil engineering-oriented Geodetic Network Mobile Office System

LE Ya-nan1,YANG Jian-zhong2,ZHANG Xian-zhou1,HUANG Hui-feng1,CHAN Guang-jie2,MO Chun1

(1.School of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Shanghai-Nanjing Intercity Railway Co.,Ltd.,Nanjing 210042,China)

With more large-scale projects of transportation and civil engineering，the data is more and more complex as a burdensome.The traditional way of data processing speed is slow withlow precision，unable to meet the needs of large engineering now.The software of GeoNMOS makes up for the lack of data processing in large-scale projects.A design concept of Geodetic Network Mobile Office System (GeoNMOS) is proposed and each module feature of GeoNMOS with main function is analyzed.

GeoNMOS;the data processing;data acquisition;control network;forecast evaluation

2013-10-19

中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU10ZT02);铁道部科技研究开发计划项目(2014G009-C)

乐亚南(1987-)，女，硕士研究生.

TP391.7

：A

：1006-7949(2014)11-0062-05