（道路与铁道工程专业论文）基于PDA的道路工程勘测设计系统研究.pdf

摘要 随着我国公路建设的蓬勃发展，各等级公路数量不断增多，公路勘测设计的 任务也日益繁重。传统的道路测量内外业的分开，道路实地勘测与设计调整与路 线调查的分开，大大降低了道路建设的工作效率，而且很多勘测设计数据得不到 实时准确的实地对照修改，增加了设计的盲目性而且需要反复修改。 p d a 作为一种新兴产品，经过十几年的发展，已经日益成熟，体积小，可靠性 高，重量轻，耗电少，功能强大，操作简单，操作系统可视化程度好，符合人们 使用w i n d o w s 的习惯，价格便宜，适合随身携带、供电时间长而且也能实现所测 图形的实时显绘等优于笔记本电脑的优点，所以基于p d a 的道路工程勘测设计软 件具有一定的市场前景，将真正实现道路勘测设计一体化。 因此，本文在对多个勘测设计单位调研和总结的基础上，针对控制测量、碎 步测量、平纵横的设计与调整、纵横断测量、3 d 测设和路线的各种调查等，研究 和开发了基于p d a 的道路工程勘测设计一体化系统软件，系统具有良好的输入、 输出、管理分析等功能。系统主要分为五大模块：数据管理模块、控制测量和碎 步测量模块、设计模型模块、测设模块、路线调查模块等。能够完成初步设计方 案的放线、实地调线、纵横断面测量、沿线的各种调查数据的采集等，几乎能够 在实地一次性完成道路及线形构造物勘测设计工作的全部外业工作。可使用几乎 各种测量手段进行测量、放线，且p d a 与测量仪器采用蓝牙无线传输。实地定线和 图上定线在实地紧密结合，可以尽量避免事后调线引起的断链。并且在算法和作 业方式上有很大创新，不仅能很大程度满足勘测设计单位的需要，大大提高工作 效率，而且为勘测设计成果及管理的自动化、智能化、一体化、实时化、可视化 等奠定了基础。 关键词：p d a ；道路勘测；纵横断面测量；道路设计；一体化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fo u rc o u n t r y sh i g h w a y , t h en u m b e ro ft h ev a r i o u sr o a di s n l c ，r ea n dm o r e s ot h es u r v e ya n dd e s i g nt a s ko fr o a di si n c r e a s i n g l ya r d u o u s t h e 仃a d i t i o h a lm e t h o di st h a to u t s i d es u r v e y i n ga n di n s i d ed e s i g n i n ga r es e p a r a t e d w h i c h r e s u l t e di nr e d u c i n ge f f i c i e n c ea n dm u c hm o r ed a t ao fs u r v e y i n ga n dd e s i g nc o u l dn o t a c c u r a t e l ym o d i f yc o m p a r i n gt ot h es i t e s ot h i si n c r e a s e st h eb l i n d n e s so fd e s i g na n d n e e dm o d i f ya g a i na n da g a i n p d a ，8 8an e wp r o d u c t ，d e v e l o p i n gm o r et h a n 10y e a r s ，h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y m a t u r e r , s m i l e rs i z e ，h i g h e rr e l i a b i l i t y ，l i g h t e rw e i g h t ，l e s sp o w e rc o n s u m p t i o n , l a r g e r f u n c t i o n , s i m p l e ro p e r a t i o n ，t h eb e t t e rv i s u a l i z a t i o no fo p e r a t i n gs y s t e m ，c h e a p e ra n d m o r es u i t a b l ef o rc a r r y i n g a n di t si nk e e pw i t ht h eu s eo fw i n d o w sa n d i th a sg r a p h i c s a n dr e a l - t i m ed i s p l a ya n dt h e i rp o w e rc a nl a s tal o n gt i m e ，w h i c hm a d e ap d a b e t t e r t h a np o r t a b l ec o m p u t e r s ot h es y s t e mo fr o a ds u r v e ya n dd e s i g nb a s e do np d a h a s m u c hm o r em a r k e ta n dw i l lr e a r l yr e a l i z e do n e - s h o tj o bb e t w e e ns u r v e ya n dd e s i g n t h e r e f o r e ，o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i o no ns u r v e y i n ga n dd e s i g nk n o w l e d g e o fm a n y s u r v e y i n gu n i t sa n da n a l y s i sal o to fe s i s t i n gs o t w a t ea b o u ts u r v e y i n ga n dd e s i g n i n g a i r m e dt oc o n t r o ls u r v e y , c h o p p ys t r i d es u r v e y , r o a dd e s i g na n da d j u s t ，p r o f i l ea n d c r o s ss e c t i o ns u r v e y i n ，3 ds u r v e ya n di n v e s t i g a t eo fr o a da n ds oo n t h ep a p e rs t u d i e s t h a ts u r v e y i n ga n dd e s i g n i n gs y s t e mi nr o a de n g i n e e r i n gb a s e do np d a w h i c hi sg o o d i ni n p u ta n do u t p u ta n dm a n a g e m e n ta n a l y s i sc a p a b i l i t i e sa n dw h i c h h a sf i v em o d u l e s ， d a t am a n a g e m e n tm o d u l e ，c o n t r o ls u r v e ym o d u l e ，d e s i g nm o d u l e ，3 d s u r v e y i n gm o d u l e a n di n v e s t i g a t em o d u l eo fr o a d t h es y s t e mc a nc o m p l e t es u r v e ya n dm o d i f yp r o g r a m a n dp r o f i l ea n dc r o s ss e c t i o ns u r v e y i n ga n dv a r i o u si n v e s t i g a t e so fp r e l i m i n a r yd e s i g n , a l lt h ew o r ko fr o a ds u r v e y i n ga n dd e s i g n i n g a l m o s ta l lc a n b eu s e dt os u r v e y b e c a u s e o fi t sc o n s t i t u t e db e t w e e nb l u e p r i n td e s i g na n ds p o td e s i g n , d e s i g n e r sc a l la v o i dc h a i n b r e a k i n gp r e c i s i o n l y s oi ti sg o o d t oe n h a n c ee f f i c i e n c yo fs u r v e y i n ga n dd e s i g n i n ga n d s a t i s yt h en e e do fs u r v e y i n ga n dd e s i g n i n gu n i t s w h a t i sm o r e ，i tp r o v i d e sas t a b i l i t y f o u n d a t i o nf o ra u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，i n t e g r a t e d ，r e a l t i m e v i s u a l k e yw o r d s ：p d a ；r o a ds u r v e y i n g ；p r o f i l ea n dc r o s ss e c t i o ns u r v e y i n ；r o a dd e s i g n ； o n e s h o tj o b 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储虢嘻砍 日期：0 0 3 年冬月引日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：李队 日期：吣年弓月弓1 日 指导教师签名：帆 日期：沙裼年弓月；1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 1 1 1 我国公路的发展 中国经济和社会的发展，促进了高速公路的建设和发展。改革开放以来，我 国交通基础设施建设有了一个突飞猛进的发展，但对于整个国民经济发展的需要 来说，交通还处于滞后状态。经济的进一步发展、改革开放的进一步深化，对铁 路和公路交通建设提出了更高、更新的要求。为了适应建设的需要，必须着力于 提高铁路和公路勘察设计的效率、质量和水平。目前，中国的东部及部分中部地 区的高速公路路网己完成，公路建设现正向着中、西部地区延伸。当今公路建设 主要集中在崇山峻岭地区，面临的地形条件恶劣，地质条件复杂，大多数地区基 础资料空白，且公路建设要求的技术含量高、周期短、任务重，对土地利用、生 态环保提出了更高的要求。公路建设的这些发展和特点，给公路建设的前期工作 公路勘测设计带来了新的巨大挑战。 公路测设分为勘测和设计两大环节，勘测设计的首要任务是地形数据的获得， 而后进行设计并实地放线调整设计。传统的公路测设方法是将勘测工作分解成平、 纵、横三个部分分别测量口一1 ，这等于是将一项工程人为地分为三个部分，三部分 数据之间缺乏内在联系，特别是横断面数据本身也无内在联系。设计过程中亦是 根据这三部分数据分别进行设计，再考虑平、纵、横的协调问题h 1 。而且测量工作 往往大大滞后于设计，使内外业没有很好的协调作业，设计的调整具有盲目性。 有些单位的公路测设主要采用人工模拟图解的方法测绘大比例尺地形图，然后从 图上读取或用数字化仪采集地形数据进行初步设计；在施工图阶段，再通过野外 实测的方式采集数据，但是这样设计的修改变更却得不到及时有效的处理，从而 使得设计费工费时、效率低下。 随着计算机技术和空间技术的发展，数字地面模型的理论和方法日益成熟， 三维地形数据采集技术和手段也获得了极大的发展，r t k 、激光测量、摄影测量 与遥感等技术在公路勘测中得到越来越广泛的应用，这为数字高程模型( d e m ) 在公 路工程中的应用提供了理论和实践基础。在公路勘测设计中必须获得地形的高程 信息，数字高程模型由于信息量少、简单易建，可以广泛用于道路辅助设计系统 中h 1 。结合3 s 技术的现代路线c a d 技术已经有了一定的发展，并且大量应用于道 路的勘测设计中，极大地提高了道路内业的设计工作，但是短时间的普及还很难。 一些发达国家在公路工程三维设计方面起步较早，经过长时间的发展，已经 形成了一套基于数字地面模型的三维测设方法。我国由于近几年才开始大规模公 路建设，在公路工程三维测设技术方面还相当落后，目前国内的公路工程设计软 第一章绪论 2 件普遍缺乏数字高程模型的支持，特别是在数模精度控制方法上研究的较少，一 些高校和科研机构曾经进行过这方面的研究和探讨，但都未能应用于生产实践。 总之，在基于已知测量数据的内业设计中，技术水平已比较高，但是施工图 设计阶段实地的测量放线修改调整设计还没有达到一体化，这是制约公路建设效 率的关键因素。因此，必须加强研究实地测量与设计的结合高效率方式。 1 1 2 道路测设方法的历史进程及现状 工程测量的发展与测绘仪器和计算机技术的进步紧密相联，作为工程测量的 一个重要分支，道路测量的技术也是随着测量仪器和计算机技术的进步而不断发 展的。 如表1 1 所示，自2 0 世纪4 0 年代以来，道路放样大致经历了由光学仪器时 期到光电仪器时期的四个发展阶段，道路测设正朝着智能化、一体化、自动化的 方向发展，即表1 1 中的第四、五个阶段。在表1 1 所示的前两个时期，测绘仪 器不够发达，功能相对比较简单，所以外业道路测设只能采用极坐标法来实施。 此时，虽然诸如c a s i o 可编程计算器、p c e 5 0 0 便携机等小型计算设备得到推广， 但要将其用于施工放样计算，则需要测绘人员进行基于b a s i c 语言的自主开发， 这成为了阻碍这些小型计算设备在道路测量中普及的重要原因。实际工作中，道 表1 1 道路测设方法比较表 t a b 1 1c o m p a r i s o nt a b l eo fr o a dm e a s u r i n gm e t h o d s 时间仪器测量方法计算方法算法便捷性智能性一体化 光学仪器经纬仪计算器手工曲线要 极坐标很差很差无 时期钢尺计算素法 光学仪器 经纬仪计算器或可曲线要素无或很 + 电子仪极坐标法差较差 测距仪编程计算器法差 器 全站仪 可编程计算曲线要素 较差 光电仪器坐标法器，计算机道法积木较好较好 r t k 路设计软件法 智能型电智能型全 智能型全站基于线元 坐标法仪嵌入式道的道路整好好好 子仪器站仪 路计算软件理算法 全站仪基于线元 嵌入式p d a 光电仪器 r t k + 坐标法的道路整好好好 软件 p d a 体算法 第一章绪论 路施工测量人员更多地使用普通计算设备手工完成道路放样数据的计算，道路测 设的内业工作繁琐、耗时，效率很低，工作量大，可靠性低。 测绘仪器进入到全站仪、r t k 时代后，用坐标放样成为了可能，极坐标法不再 是道路放样的主要方法。随着计算机技术的发展，道路测设软件应运而生，道路 放样更加快捷。同时，出现了内置道路坐标计算软件的电子产品，如电子手簿、 p d a 等。国内具有代表性的产品是由南方测绘开发的测绘j 豆( s p d a ) 啼1 。s p d a 有 着w i n d o w sc e 的操作系统和可视化的友好用户界面，智能化程度也比较高。 也有一些知名品牌测绘仪器生产厂家又在其生产的部分型号全站仪中加入了 道路放样功能，配置了电子手薄，使用了微软公司的w i n d o w sc e 操作系统，这些 开放的通用操作系统，大大地方便了用户进行二次开发，将需要外接设备完成的 功能，部分整合到仪器当中，如l c i c a 、t o p c o n 、n i k o n 等品牌均推出了内置道路 放样软件包的全站仪，这样虽然便捷，满足了智能化、一体化的要求，增强了全 站仪的功能，但是由于功耗、存储空间和成本的限制，且多数专用全站仪都采用 d o s 或类似于d o s 的操作系统，在这样的硬件环境和操作系统中所开发出来的道 路放样模块，其交互能力、实用性都是非常有限的，在较复杂的运算方面力不从 心，如：数据库和图形方面。而且到目前为止的所有全站仪和r t k 上，配置的测 设程序均为一些专用的、基本的程序，相当多的工作需要人工完成，而且没有与 道路的设计修改相结合，其原因一是全站仪和r t k 上的计算机不能满足运行较大 程序的要求，二是仪器厂商的技术人员对工程设计不了解，不具备开发此类程序 的能力。 目前，国内也引进或开发的大多数电子外业手簿与各种速测仪、全站仪连接， 实现数据采集的自动记录与存贮，大大减少了外业工作量，提高了工作效率，使 测量方法趋于自动化、数字化。但软硬件设备过于专用化，有着诸多的局限性： 如没有自己真正的操作系统，直接影响其文件存贮；由于内存的限制，很难进行 大规模的外业数据的采集，不能达到真正的可视化( v i s u a l ) ，功能拓展性差，开 发难度仍然很大。总之，目前的电子手簿依赖性强、系统完整性差。 基于p c 机的道路放样计算软件已经很常见，许多公司或个人都推出了自己的 产品，如北京中翰仪器有限公司推出的z hr o a d 道路施工系统哺3 ，速通测绘软件 开发中心开发的公路施工测量坐标计算系统，杨运英个人开发的“道路测设大师 等。另外一类是基于非可视化掌上电脑的道路计算软件，如基于p c e 5 0 0 的道路 计算程序。由于硬件的非可视化、内存小、数据管理不便等缺点，这类软件的功 能普遍较差，且这种硬件大部分已经停产，可以说，基于类似p c e 5 0 0 掌上电脑 的道路计算程序已经成为历史。 掌上电脑由于体积小，可靠性高，重量轻，耗电少，功能强大，操作简单， 第一章绪论 4 价格便宜，适合随身携带、供电时间长而且也能实现所测图形的实时显绘等优于 笔记本电脑的优点，而且其操作系统可视化程度好，符合人们使用w m d o w s 的习 惯，所以基于p d a 的道路测设软件具有一定的市场前景。与其结合将真正实现道 路外业勘测设计一体化，因此，现阶段主要的研究还是全站仪r t k + p d a 的道路 勘测设计系统。目前一些测绘单位纷纷将基于p c e 5 0 0 和笔记本电脑的应用程序 向p d a 掌上电脑上移植阳1 。所以将测量仪器和p d a 结合我们完成我们的测量工 作，由于p d a 的特性，我们可以将设计工作融入测量中，真正实现内外业测量的 一体化。 1 2 基于p d a 的勘测设计系统研究现状 p d a 计算机自2 0 0 0 年商业化后，在工程方面主要用于测绘土地调查等如南方 的测图精灵，东南大学的土地测量系统等。 实际工程中，施工图阶段道路外业的勘测放线虽然已经达到了一定的信息化， 但与线路的设计与调整不能一体化相互协调工作，使的设计或修改线形滞后于道 路的勘测，整个设计效率不高。 基于p d a 的勘测设计软件研究现状主要为：国内各测绘生产及科研单位和高 校在测量工程的内外业一体化和自动化方面做了大量的研究工作，并取得了一定 的成果。如江苏省水文资源勘测局常州分局研究的“基于p d a 的公路测量放样系 统川引，同济大学、上海市测绘院和上海天测科技有限公司合作研发的“基于p d a 的工程测量软件”呻1 ，山东正元、武汉瑞得、北京清华山维及威远图、上海天测、 广州南方及开思等公司研究和开发的大比例尺数字测图系统，武汉大学测绘学院 研制的地面控制与施工测量工程一体化自动化系统( 简称“科傻 c o s h 系统) ， 武汉大学测绘学院与铁道部第- - i 程局( 中铁二局) 联合研制的铁路工程施工测量 自动化处理系统，武汉大学测绘学院与华达系统集成( 宜昌) 有限公司联合研制的 全站仪定位系统h d s t g p s ，武汉大学测绘学院为深圳市规划国土资源局研制的 g p s 测图与放样内外业一体化系统，武汉大学测绘学院完成的国家测绘局重点教 学改革项目成果“地面测量工程计算机辅助教学实习改造”等，为我国的地面测 量工程包括道路勘测的自动化和内外业一体化起到了很好的推动和促进作用旧1 ，但 是这些系统大多还处于初级阶段，主要是针对道路测量工作，测量模式不够先进， 线路平面坐标的算法不够先进，许多现有道路坐标计算软件只能计算固定曲线组 合类型，这种算法公式多、模型多，需要不断转换平面直角坐标系。系统功能较 为单一，功能不够完善，应用局限性较大；全站仪与p d a 数据通讯多采用串口线， 野外操作十分不便；且没有与道路的设计和图形实时显示调整修改成果相结合。 道路设计是一个从图上到实地，以及从实地到图上的反复的工作过程。已有 第一章绪论 的道路几何c a d 设计系统，主要是根据实地测量和调查的数据，在内业完成道路 的初步设计和施工图设计。而现有的基于p d a 或其它掌上可编程工具的道路测量 系统，则基本上是一个单纯的“测量系统”，没有将设计及其路线调整工作纳入其 中，因此没有那一种系统能够真正完成全部的道路测量工作。勘测和设计这两个 方面的工作，从来相互脱节，并未实现真正意上的道路勘测设计“一体化 。而且 现有的基于各种平台的道路测量系统也没有将道路勘测工程的各种调查工作纳入 范围。 将内外业工作的真正结合，才有可能设计出最优的、令各方满意的方案，并 且最大限度地提高道路勘测设计的工作效率。因此，研究一种基于p d a 的能够完 成所有的道路外业的勘测设计工作道路外业勘测设计系统非常必要。 1 3 本课题研究的内容意义 1 3 1 主要研究内容 研究道路勘测设计的功能结构，包括控制测量、碎步测量、纵横断面测量、 3 d 测设、路线平纵横的设计、路线构造物的设计、路线调查等。 道路勘测设计各种数据的管理方式研究，各种数据结构研究，包括已知数 据、测量数据、设计数据、调查数据等，及数据库结构功能设计研究。 对勘测设计系统功能上的各种关键算法研究。 为提高勘测设计的精度和可靠性，还必须研究系统的自动测量精度，设计 限差控制技术。 研究p d a 与全站仪、r t k 、电子水准仪等仪器的数据通讯。( 包括串口通讯， 蓝牙通讯) 。 研究图形化界面显示功能，包括比例尺的确定，坐标的映射，图形的放大 缩小平移及图上点信息的拾取等。 研究p d a 数据的上下载以及与专题地理信息系统、道路设计软件系统、数 字化测图系统的无缝连接技术。 研究基于w i n c e 的嵌入式代码编写方法对系统功能的实现。 1 3 2 研究意义 随着我国公路建设的蓬勃发展，各种等级的公路数量不断增多，公路勘测 设计的任务也日益繁重。传统的道路测量与设计的分开，道路勘测与设计调查的 分开，大大降低了道路建设的工作效率，而且很多勘测设计数据得不到实时准确 的实地对照修改，增加了设计的盲目性。工程的设计方案及整体效果仅凭设计者 的经验决定，在设计中存在较大的随意性，难以达到设计成果的最优化。本文的 研究能够推动我国公路建设的发展，真正意义上实现道路放样的内、外业一体化， 第一章绪论 6 大大提高我国道路勘测设计的工作效率，降低成本，并且有效增加数据的可靠性。 同事能够很好的推动其它工程内外业一体化的发展。 提出线路坐标计算的通用算法，使道路坐标计算由“不同坐标系下不同数 学模型分段计算+ 平面坐标系统转换”的积木型算法过渡到“统一坐标系下统一数 学模型计算 的整体型算法，并且首次将其它一些高次曲线引入到缓和曲线的设 计中，提出了适合于任意线形的坐标的正反算。理论上的创新，能够推动道路线 形及缓和曲线的发展。 实现全站仪快速横断面测量上“四组合一 的作业模式，可将加密控制点 组、中桩组、中平组、横断面测量四组合一。而且在准确确定横断面方向的同时 实现任意设站任意顺序横断面测量，完全按照测量人员的工作习惯和便利程度来 实施。在横断面中能随时检查断面图形并随意插入或者删除断面测点。在断面图 形上实现断面点坐标高程以及植被信息的随时点击查看。测设模式和作业方式的 创新，使外业工作更加方便，朝着更加人性化的方向发展，并且大大提高工作效 率。 本论文的研究成果将能够解决一些w i n d o w sc e 环境下的软件开发的关键 问题，如数据的管理，图形的显示和仪器之间的连接，对同类产品的开发可以起 到一些借鉴作用。 本系统的研究能很好的推动各种测量仪器和p d a 的发展，更好的满足工程 的需要。 1 4 研究的关键技术及算法 测量数据各项限差的实时检核；植入路线设计限差，当线路设计调整过程 中不满足要求时自动提示。开发自动精度控制与自动超限报警技术。能够对任意 测设与检测方案进行误差预计。并与内置各种规范限差进行比较实现精度预警。 对导线、后方交会和水准测量等自动进行平差计算。 实现p d a 与全站仪、g p s 等多种测量仪器的数据通信，( 包括串口通讯， 蓝牙通讯) 。使仪器能够与大多数电子测量仪器进行联机工作。并能在f d a 上操作 仪器，实现测量数据的自动传输记录存储。 为了适应未来道路的发展，除研究以回旋线为缓和曲线的各种情况下中线、 边线坐标的正算和反算。而且要增加一些除回旋线外的其它一些高次曲线组成的 缓和曲线的坐标正算和反算问题，并研究其精度。 图形化界面，显示平面图，将设计的特征线、轴线和当前测设及检测点均 进行实时的图形显示，便与实地对照和修改。 各种测量、设计和调查数据全面管理，包括数据库设计与开发，快速查找 第一章绪论7 技术等。 为提高精度和速度，全站仪自由设站应进行严密平差技术。 实现全站仪快速横断面测量上“四组合一的作业模式，可将加密控制点 组、中桩组、中平组、横断面测量四组合一。而且实现横断面测量上任意设站任 意顺序测量横断面。准确确定横断面方向，为全面提高工作效率，对其测量没有 先后顺序；横断面上跑点也没有顺序要求。完全按照测量人员的工作习惯和便利 程度来实施。在横断面中能随时检查断面图形并随意插入或者删除断面测点。在 断面图形上实现断面点坐标高程以及植被信息的随时点击查看。 1 5 论文的组织安排 第一章主要是从系统研究的背景、目的、意义及现状进行阐述，并提出了研 究的必要性，列出了主要研究内容、关键技术与算法。 第二章提出了系统设计的目标、原则、野外操作要求与技术指标，给出了系 统总体功能结构设计框架，分析了勘测设计系统的数据种类、数据类型及数据管 理方式等。 第三章在第二章总结设计与要求的基础上给出了系统的硬软件环境及开发工 具等，并简单介绍其基本知识，总结出开发过程中的注意事项。 第四章、第五章和第六章是对系统关键算法和创新算法的研究，是本文的核 心内容。其中第四章在总结现有缓和曲线的计算方法的基础上，分析了通用模型 求解的多种方法，为推动道路线形的发展，笔者首次对除回旋线外的多种高次曲 线敷设的缓和曲线中桩坐标的正反算方法进行研究，总结出通用算法。第五章对 全站仪测量的关键创新算法进行了总结，包括自由设站的严密平差、任意点的加 桩和纵横断面的测量等。第六章对系统实现中的一些关键技术进行阐述和分析。 包括全站仪与p d a 的数据传输、数据库的实现方法及图形显示与调整的各种算法 第七章是整个系统的实现，展示系统各模块的的设计成果。 第八章是全文的总结和展望，总结自己所做的工作，取得的成果，并提出一 些进一步改善的建议。 第二章系统的总体设计 第二章系统的总体设计 2 1 系统设计的总体要求 2 1 1 设计目标 作为道路外业勘测设计的系统，首先要求能在作业进行时实时检查测量数据 是否合格( 包括测量数据和设计数据) ；能对设计数据进行实时修改，可以实地进 行线形的调整，能处理测量出错，还应有测量数据设计数据实时图形显示，方便 检查修改，最终的观测数据以及测量成果能输出成果报表，能同一些大型的道路 设计软件接口；作为实用性软件系统，还要求系统有较高的稳定性、实用性，能 尽可能多的处理操作人员可能出现的操作错误。 功能上：要求能够完成各种平面及高程控制测量、低等级公路一阶段勘测设 计；道路图上量测设计( 工可或初测) ；道路初测( 含实地跳线) ；道路定测( 含 实地调线) 。也可以从事道路勘测设计的各种单项工作，如路线设计与调整；中桩 放样；纵断面测量；横断面测量；建立路线平面与高程控制；放征地线；桥涵布 置及初测和详测的各项调查；以及局部调线及补测补调。 2 1 2 性能要求 除满足道路勘测设计各功能的先进、 的指标。若系统反应过慢或不适于操作， 算法和作业模式，效率上也很难提高。 一体化外，系统的各种性能应达到一定 占用大量时间，整个系统即使有先进的 操作上：作为道路工程勘测设计的系统，要适于工作人员长时间的野外操作， 因此，首先重量要轻，界面要友好，便于查找和使用各种工具。系统反应时间至 少在几秒之内，这就需要较好的芯片和较高的内存。 图形显示上：图形的显示要快捷，应设置专门的工具栏，以适应快捷的图形 操作。 数据容量和查询上：由于勘测设计数据种类多，数据量大，包括已知数据、 控制点数据和碎步点数据、设计数据、调查数据、纵横断面数据、限差及各种参 数信息等，特别是纵横断面数据，系统的存储要至少满足1 0 公里路线的数据存储 量，因此必须要有足够的存储空间，而且在数据的查询要上应快捷方便。 物理性能的要求：可在强烈日光和极端条件下工作，断电数据自动保存，可持 续3 天以上的电量。 2 1 3 设计原则 作为一套能够实际应用的系统，除了要求先进的算法，合理的作业模式和能 够完成预定的各种功能外，在设计时还必须遵循实用性、完备性、可靠性、兼容 性、可扩充性等原则，具体如下： 第二章系统的总体设计 9 可靠性：把测量和线型设计的各项限差内置在系统中，在测量过程中实时监 控，自动检查，保证了原始观测数据的质量，实现测、编、绘一体化，提高工作 效率，降低了测量人员的劳动强度，能够快速、准确地提供测量设计数据成果。 针对性、实用性：系统的主要目的是提高公路勘测设计外业工作效率，因此 系统的设计是紧密围绕这些工作而进行功能设计，功能上不在于多，而是应有很 强的针对性实用性。 友好性：系统的友好性是指界面的美观和使用的方便程度，主要体现在：界 面美观，布局合理，符合用户的操作习惯，操作容易。 可维护性：为适应未来系统需求的变化，系统应具有较好的可维护性，以便 系统维护人员能够很方便的做到一下几个方面：增加新的功能；对人机界面进行 适当的调整；可对系统作适当修改以适应体制的变化；在系统遭破坏时能够快速 地实现系统的恢复。 可扩充性：道路的勘测设计正处在发展之中，许多新兴技术不断涌现，要完 善系统，必须要求系统具有良好的可扩充性，使能够方便地将新的应用纳入本系 统中；在系统容量上也要具有较好的可扩充性。例如：数据量的急骤增加，新型 硬件的使用和外设数量的增加等。 可移植性和适应性：为满足不同用户的需求，系统应具有很强的适应性和良 好的可移植性，因此，系统硬软件的选择要考虑当前和今后较长时间的需要，不 至于很快就被淘汰；技术的先进性和费用间的权衡，即选择合适的性价比；而且 在兼容软硬件环境下能够方便地实现软件的移植。 标准性：系统的标准性是指系统既要维护信息的真实性，还要符合开发的标 准和国家颁布的各种技术标准和行业标准。系统主要遵循的标准为： ( 1 ) s l l 9 7 9 7 水利水电工程测量规范( 规划设计阶段) ； ( 2 ) g b t 7 9 2 9 1 9 9 5 1 ：5 0 01 ：1 0 0 01 ：2 0 0 0 地形图图式； ( 3 ) g b 5 0 0 2 6 9 3 工程测量规范； ( 4 ) g b 1 2 8 9 8 9 1 国家三、四等水准测量规范； ( 5 ) s l 5 2 9 3 水利水电工程施工测量规范： ( 6 ) j t j 0 6 1 8 5 公路路线勘测规程； ( 7 ) j t j 0 6 2 8 2 公路桥位勘测设计规程； ( 8 ) j t gd 2 0 2 0 0 6 公路路线设计规范； ( 9 ) j t gb 0 1 2 0 0 3 公路工程技术标准； ( 1 0 ) c j j 3 7 9 0 城市道路设计规范： ( 1 1 ) 中华人民弓和国交通部公路勘测技术标准( j t j 0 3 7 ) 1 9 9 7 ； ( 1 2 ) 中华人民弓和国铁道部铁路勘测技术标准( j t j 0 7 8 ) 2 0 0 1 ； 第二章系统的总体设计 l o ( 1 3 ) 中华人民弓和国交通部公路施工规范( j t j 0 7 8 ) 2 0 0 1 ； ( 1 4 ) 中华人民弓和国水电部电力线路施工规范( j t j 0 7 8 ) 2 0 0 1 ： ( 1 5 ) 中华人民弓和国交通部港口及航道工程施工规范( j t j 0 7 8 ) 2 0 0 1 ； 2 2 系统的总体功能结构设计 2 2 1 功能分布 本系统为高效的全功能道路勘测设计一体化软件，总体结构设计如图2 1 所 示。主要分为五大功能模块：数据管理模块、控制测量和碎步测量模块、设计模 型模块、测设模块、路线调查模块等。 项目管理模块主要包括项目信息、全站仪测量限差、水准仪测量限差、路线 设计规范、常数参数、桥梁设计参数、涵洞设计参数、隧道设计参数等。 控制测量和碎步测量模块将控制测量和碎部测量作位一个单独的模块，统称 “控制测量 。分为“全站仪测量、“水准仪测量 和“g p s - r t k ”测量三个模块。 主要用于完成勘测设计和施工放样所需的各项控制测量和碎部测量工作。平面控 制测量：可完成各种导线、边角网的测量。测站控制( 临时测站点) 的3 d 坐标的 测量。高程控制测量：可完成各等级水准、三角高程测量。碎部测量：可完成与 设计有关的少数碎部点的测量，以用于提供实地定线时的平面控制条件。单路线 平差：自动判断闭合并计算闭合差，不超限时自动平差改正各点坐标。 设计模型模块能够在实地完成道路及沿线构造物的几何设计与实时修改。基 本分为七个方面，即路线的平面设计、纵面设计、横断面设计、交叉口与端部设 计以及其它构造物的几何控制参数或坐标的设计与修改。其中路线平面设计是在 路线方案确定，设计者根据实际地形条件在实地确定路线平面线形，主要是将平 面设计资料输入系统，例如交点坐标、圆曲线半径、缓和曲线类型、缓和曲线长 度等，系统根据这些资料按照程序计算路线里程、平曲线要素和曲线上各特征点 的桩号以及逐桩坐标。设计者可以根据设计结果，反复调整设计参数，直到满意 为止n9 i 。纵面设计是指在获取了纵断面地面高程的基础上确定纵断面设计线。横 断面设计主要根据路线所经地区的地形、地质、水文、气候等条件，归纳可能出 现的横断面形式和处理方式，确定各段的标准设计横断面型式及构造物布置形式， 计算机根据标准横断面自动进行横断面设计。设计成果通过计算机逐个显示在屏 幕上，设计者可以根据地形、地质条件等在屏幕上修改不合理的设计断面。系统 自动提取并存入修改后的数据，计算土石方工程数量和土石方累积数据，根据土 石方累积曲线，进行土石方调配。 测设模块包括了一般测设和纵横断面测量，纵横断面测量是可使用全站仪或 r t k 进行纵横断面测量，也可接收传统方法的数据；现主要研究的以全站仪快速横 第二章系统的总体设计 断面测量为主。纵横断面可单独测量，也可纵横断面合并测量；可进行有中桩作 业和无中桩作业；可进行自由顺序测量；平面图形显示对照所见即所得。 图2 1 系统总体设计图 f i g 2 1o v e r a l ld e s i g no fs y s t e m 第二章系统的总体设计1 2 路线调查模块用于存放设计所需的野外调查的数据，如征地拆迁、青苗、砍 树挖根、地质、土石分类等。 本系统主要用于任何道路、线形构造物的实地勘测设计工作。能够完成初步 设计方案的放线、实地调线、纵横断面测量、沿线的各种调查的数据采集、管理、 计算方法、各种测量、平差以及数据传输。几乎能够在实地一次性完成道路及线 形构造物勘测设计工作的全部外业工作。可使用几乎各种测量手段进行测量、放 线。在用地紧张地带可以进行精确的布线调线，精确避让，实地定线和图上定线 在实地紧密结合，定线尽量避免事后调线引起的断链。 2 2 2 数据管理方式与输入输出 一个优秀的勘测设计系统应该对其所有数据进行有效的管理，以方便数据的 存储、查询、修改等。基于p d a 的道路工程勘测设计系统应包括已知数据、限差 数据、标准数据、项目信息数据、测量数据、设计数据、纵横断面数据和项目的 调查数据等。 根据系统需要和数据的特点，勘测设计数据采用了两种方式进行管理，即文 件管理和数据库管理。文件管理这种方式可以自定义，组织比较灵活简单，但如 果对于数据量非常大的情况下，不便于管理和检索以及查询更新；而数据库可以 管理海量的数据，数据更新查询非常方便，数据按照表的方式，内容具有依赖关 系，能描述比较详细的业务逻辑，方便数据的检索查询。 数据文件主要包括项目信息、全站仪测量限差、水准仪测量限差、路线设计 规范、常数参数、桥梁设计参数、涵洞设计参数、隧道设计参数、分段调查、分 段调查i i 、分段调查i i i 、地材调查、外购材料等。 数据库文件中共有七个数据库，分别管理测量数据、中桩数据、横断面数据、 平面交点设计数据、纵面设计数据、横断面设计数据和横断面类型表。使用a c c e s s 数据库存放，由数据库管理模块的1 6 个函数完成数据库的建立、记录的读写、增 加、插入、删除；字段值的修改等操作。系统中都采用了结构体管理数据。数据 量大时可采取索引检索。 数据的输入可以采用手动输入，仪器自动输入，室内路线设计软件所设计数 据的自动导入，已知点数据的输入；测量数据和设计数据可以采用矢量图显示； 数据的输出可以输出报表，图形输出，也可以输入到专业专题地理信息系统、道 路设计软件系统、数字测图系统等。 2 3 本章小结 本章主要从系统设计的目标、功能、操作、容量、各种性能和原则出发，在 第二章系统的总体设计 功能和结构上对系统进行总体设计，功能上要求能够完成各种平面及高程控制测 量、低等级公路一阶段勘测设计；道路图上量测设计( 工可或初测) ；道路初测( 含 实地调线) ；道路定测( 含实地调线) 。也可以从事道路勘测设计的各种单项工作， 如路线设计与调整；中桩放样；纵断面测量；横断面测量；建立路线平面与高程 控制；放征地线；桥涵布置及初测和详测的各项调查；以及局部调线及补测补调。 结构上主要分为五大模块：项目数据管理模块、控制测量和碎步测量模块、设计 模型模块、测设模块、路线调查模块等。并且分析了系统的数据种类、数据管理 方式等，指出了具体的数据库和数据文件。 第三章p d a 及操作系统选择1 4 第三章p d a 及其操作系统选择 3 1p d a 及其操作系统选择 根据系统结构和功能设计的需要，对硬软件有一定的要求。开发中所需的硬 件环境为基于a r l v i ，m i p s ，s h 3 ，s h 4 体系结构的系列芯片，所需内存大于1 6 兆。软件环境为操作系统为w i n d o w sc e 系列、m i c r o s o f tp o c k e tp c2 0 0 2p r e m i u m e d i t i o n 及其以上，w i n d o w sm o b i l e 系列。在实验过程笔者所使用的p d a 为h p 4 7 0 0 系列的，开发工具为e m b e d d e dv i s u a lt o o l s3 0 。 3 2p d a 简介 p d a 是p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 的缩写，字面意思是“个人数字助理”。对p d a 有狭义的理解和广义的理解，狭义的理解可以称作电子记事本，其功能较为单一， 主要是管理个人信息，如通讯、记事和备忘、日程安排、便签、计算器、录音和 词典等功能，而且这些功能都是固化的，不能根据用户的要求增加新的功能；广 义的p d a 主要指掌上电脑，通常，数码世界只会将掌上电脑称为p d a ，也正代表了 p d a 的真正含义，他们有其自身的操作系统，可以利用编程语言开发相应的应用程 序，本文所指的p d a 即广义的p d a ( 即掌上电脑) 。p d a 一般都不配备键盘而用手 写输入或语音输入，现在多数情况下用软键盘输入n 0 j 。 p d a 的发展可以追溯到a p p l e 公司于1 9 9 3 年推出的n e w t o nm e s s a g ep a d 。之 后不久，就有厂商推出类似产品，经过十年的发展p d a 由开始的3 5 公斤到现在 只剩下几百克，体态越来越轻盈，原来的p d a 没有操作系统或是有封闭和简单的 操作系统且存储能力小，所以主要功能为p i m ( 个人信息管理) ，如电话号码簿、联 系人、任务等。 现在的p d a 不但有专门的操作系统，而且界面友好，使用方便。p d a 主要有 两种系n - 基于p a l mo s 操作系统的和基于w i n d o w sc e 操作系统的，由于价格的 原因，基于p a l m0 s 的目前在世界p d a 市场上占有绝对优势，w i n d o w sc e 到目 前一直