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1引言

GoogleEarth（以下簡(jiǎn)稱GE）是一款由Google公司開(kāi)發(fā)的三維可視化地球軟件,它把衛(wèi)星影像、航空照片、三維地面模型等GIS信息布置在一個(gè)地球的三維模型上[1]。GE提供了豐富、免費(fèi)的全球不同分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)；GE使用單圓柱投影，并使用WGS84基準(zhǔn)面作為其平面基準(zhǔn)，GE所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系；GE采用開(kāi)放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并提供二次開(kāi)發(fā)的API接口。GE所具備的這三個(gè)特點(diǎn)說(shuō)明GE同傳統(tǒng)地圖一樣具備表達(dá)和傳遞地形、地物信息的功能；建立在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型下；擁有二次開(kāi)發(fā)的接口。GE具有這三個(gè)特點(diǎn)使它能夠作為鐵路選線設(shè)計(jì)的一個(gè)平臺(tái)，滿足鐵路選線設(shè)計(jì)一定階段內(nèi)設(shè)計(jì)需求，并且具有實(shí)時(shí)三維顯示的巨大優(yōu)勢(shì)，這是傳統(tǒng)基于CAD選線設(shè)計(jì)平臺(tái)所不能比及的[2]。結(jié)合傳統(tǒng)的基于CAD平臺(tái)鐵路選線設(shè)計(jì)過(guò)程和特點(diǎn)，基于GE平臺(tái)進(jìn)行鐵路選線設(shè)計(jì)的過(guò)程主要分為平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)[3]。區(qū)別在于在如何實(shí)現(xiàn)在GE平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)選取交點(diǎn)，獲取點(diǎn)位信息;完成平面設(shè)計(jì)工作，如何提取地面線，進(jìn)行下一步的縱斷面設(shè)計(jì)，所有的設(shè)計(jì)元素都要以一定的形式展示出來(lái)，在GE中通過(guò)KML文件的格式將各種元素顯示，因此本文重點(diǎn)對(duì)基于GE平臺(tái)進(jìn)行鐵路選線設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)平面設(shè)計(jì)功能、提取地面線進(jìn)行研究，KML技術(shù)進(jìn)行研究。本文所論述的平臺(tái)系統(tǒng)是的開(kāi)發(fā)是采用C#語(yǔ)言，采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Micro-softVisualStudio2005，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將GE客戶端放入到系統(tǒng)自定義的窗體中。

2平面設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)在GoogleEarth上進(jìn)行選線設(shè)計(jì)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)在GoogleEarth上進(jìn)行選點(diǎn)，但是由于GoogleEarth軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)其操作的各種鼠標(biāo)事件都進(jìn)行了定義，我們無(wú)法完成自己的功能，這里就要利用WindowsAPIHOOK技術(shù)，獲取操作系統(tǒng)發(fā)送給GoogleEarth地圖窗口的某些消息(如在地圖窗口單擊，縮放滾輪等消息)。GoogleEarthCOMAPI類庫(kù)中提供了成員函數(shù)用來(lái)將客戶端坐標(biāo)系中點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為改點(diǎn)的地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度的形式），利用該函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)平面選取的交點(diǎn)地理位置信息的獲取。

2.1WindowsAPIHook技術(shù)微軟的Windows操作系統(tǒng)是建立在事件驅(qū)動(dòng)的機(jī)制上的，鉤子(Hook)，是Windows消息處理機(jī)制的一個(gè)平臺(tái)，應(yīng)用程序可以在上面設(shè)置子程序以監(jiān)視指定窗口的某種消息，而且所監(jiān)視的窗口可以是其他進(jìn)程所創(chuàng)建的。當(dāng)消息到達(dá)后，在目標(biāo)窗口處理函數(shù)之前處理它，鉤子機(jī)制允許應(yīng)用程序截獲處理window消息或特定事件[4]。鉤子實(shí)際上是一個(gè)處理消息的程序段，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，把它掛入系統(tǒng)。每當(dāng)特定的消息發(fā)出，在沒(méi)有到達(dá)目的窗口前，鉤子程序就先捕獲該消息，亦即鉤子函數(shù)先得到控制權(quán)。這時(shí)鉤子函數(shù)即可以加工處理（改變）該消息，也可以不作處理而繼續(xù)傳遞該消息，還可以強(qiáng)制結(jié)束消息的傳遞。HookAPI是指Windows開(kāi)放給程序員的編程接口，使得在用戶級(jí)別下可以對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行控制。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，通過(guò)鉤子鉤住了GoogleEarth軟件定義下的鼠標(biāo)單擊MouseDown事件。在程序中實(shí)現(xiàn)的如下：mouseHook.MouseDown+=newMouseEventH-andler(mouseHook_MouseDown);通過(guò)Hook技術(shù)實(shí)現(xiàn)了獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)所在位置的屏幕坐標(biāo)，這是實(shí)現(xiàn)GE平臺(tái)平面選線最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

2.2四種坐標(biāo)系概述利用Hook技術(shù)，獲取到了目標(biāo)點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)，我們最終目標(biāo)是獲取目標(biāo)點(diǎn)的在GE下的地理坐標(biāo)。在整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，涉及到四種坐標(biāo)系統(tǒng):屏幕坐標(biāo)系、工作區(qū)坐標(biāo)系、GoogleEarth客戶端坐標(biāo)系,WGS84坐標(biāo)系。屏幕坐標(biāo)系是Windows窗體應(yīng)用程序用屏幕坐標(biāo)指定窗口在屏幕上的位置。對(duì)于屏幕坐標(biāo)而言，原點(diǎn)是屏幕的左上角。窗口的完整位置通常用Rectangle結(jié)構(gòu)來(lái)描述，該結(jié)構(gòu)包含定義窗口的左上角和右下角的兩個(gè)點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)[1]。屏幕坐標(biāo)系如圖1所示。Windows窗體應(yīng)用程序使用工作區(qū)坐標(biāo)指定窗體或控件中的點(diǎn)的位置。在C#中即Form窗體的坐標(biāo)系，即系統(tǒng)的界面窗體，工作區(qū)坐標(biāo)的原點(diǎn)是控件或窗體的工作區(qū)的左上角，它同Windows窗體坐標(biāo)系是一致的。工作區(qū)坐標(biāo)確保了無(wú)論窗體或控件在屏幕上的位置如何，應(yīng)用程序在窗體或控件中繪制期間都可以使用一致的坐標(biāo)值。GoogleEarth客戶端坐標(biāo)系[5]，是GE在當(dāng)前視圖下，自定義的一種坐標(biāo)系統(tǒng)，GoogleEarth客戶端坐標(biāo)系如圖2所示。

2.3屏幕坐標(biāo)向工作區(qū)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換在C#語(yǔ)言中，通過(guò)使用Control類中的Point-ToClient和PointToScreen方法就可以實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，要用到的是PointToClient將指定屏幕點(diǎn)的位置計(jì)算成工作區(qū)坐標(biāo)，該函數(shù)語(yǔ)法為：publicPointPointToClient(Pointp)參數(shù)p表示要轉(zhuǎn)換的屏幕坐標(biāo)Point，該函數(shù)返回一個(gè)Point，它表示轉(zhuǎn)換后的Poin（t以工作區(qū)坐標(biāo)表示）[6]。

2.4工作區(qū)坐標(biāo)向GoogleEarth客戶端坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換通過(guò)對(duì)兩種坐標(biāo)系的分析，總結(jié)出兩種坐標(biāo)系三點(diǎn)區(qū)別。(1)坐標(biāo)系原點(diǎn)不同。前者在整個(gè)坐標(biāo)系左上角，后者居整個(gè)坐標(biāo)系中心。(2)Y方向相反，坐標(biāo)值有差異。前者坐標(biāo)都為正值，后者坐標(biāo)有正有負(fù)。(3)單位不同，前者是以整個(gè)工作區(qū)大小（寬度和高度），后者的范圍在正1至負(fù)1中間。基于以上三點(diǎn)，對(duì)兩種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)做出轉(zhuǎn)換，首先利用C#提供的函數(shù)，獲取當(dāng)前工作區(qū)的寬度和高度，然后找出兩種坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系，具體如下。width=this.FindForm().Width；hight=this.FindForm().Height；x=(X-width/2)/width*2；y=(Y-hight/2)/hight*2；width：當(dāng)前工作的寬度；hight當(dāng)前工作區(qū)高度；x、y：GoogleEarth客戶端坐標(biāo)；X、Y：工作區(qū)的坐標(biāo)。2.5GoogleEarth客戶端坐標(biāo)向WGS84坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換GECOMAPI的類庫(kù)中提供了成員函數(shù)[7]：Ge-tPointOnTerrainFromScreenCoords（），該成員函數(shù)用來(lái)將客戶端視圖中的點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度的形式。該函數(shù)語(yǔ)法為：IPointOnTerrainGEGetPointOnTerrainFromS-creenCoords(doublescreen_x，doublescreen_y)該函數(shù)接受兩個(gè)Double類型的參數(shù)，表示視圖中心點(diǎn)在GoogleEarth客戶端坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，這兩個(gè)參數(shù)值均在-1和1之間，該函數(shù)的返回值為IPointOnTerrainGE型。至此，獲取到了目標(biāo)點(diǎn)地理坐標(biāo)，解決了在GE平臺(tái)中平面設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問(wèn)題。

3地面線的提取

平面設(shè)計(jì)工作完成之后，就要進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)工作，而首先是獲取線位的地面線。GoogleEarthCOMAPI的類庫(kù)中提供了成員函數(shù)SetCameraPa-rams（），該成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)將視圖中心移動(dòng)到用戶指定位置。該函數(shù)語(yǔ)法為：voidSetCameraParams(doublelat,doublelon,doublealt,EARTHLib.AltitudeModeGEaltMode,doubleRange,doubleTilt,doubleAzimuth,doublespeed)。該函數(shù)接受八個(gè)輸入?yún)?shù)，除了altMode,其余均為double型。函數(shù)返回值為void，其中l(wèi)at、lon和alt表示視圖中心的經(jīng)緯度和高程；range表示視高；speed表示從當(dāng)前視圖移動(dòng)到設(shè)定點(diǎn)的速度；tilt表示用戶視線和垂直地平線方向的夾角。Azimuth即測(cè)繪學(xué)在中的方位角，表示用戶視線和正北方向的夾角，altMode表示高程的形式，為AltitudeM-odeGE型，該類型是一個(gè)枚舉變量，包括Absol-uteAltitudeGE和RelativeToGroundAltitudeGE兩個(gè)取值，當(dāng)用戶在當(dāng)前視圖設(shè)置地標(biāo)時(shí)，RelativeTo-GroundAltitudeGE取值等于地標(biāo)的高程值是相對(duì)于該位置地面的高度差異，即相對(duì)高程，Absol-uteAltitudeGE代表的高程值是相對(duì)于海平面得高度差異，即絕對(duì)高程。在平面設(shè)計(jì)完成之后，可以得到線路上任意一里程的坐標(biāo)值，要想獲取該里程的地面高程，需要把該里程的坐標(biāo)值作為參數(shù)，傳遞給GoogleEarth的API函數(shù)SetCameraParam（s），實(shí)現(xiàn)將客戶端的視圖中心移動(dòng)到該里程點(diǎn)的位置，此時(shí)該點(diǎn)在GoogleEarth客戶端坐標(biāo)系下的坐標(biāo)是（0,0），即坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后就可以調(diào)用GoogleEarth的API函數(shù)GetPointOnTerrainFromScreenCoord（s），來(lái)獲取該點(diǎn)的地面高程，這樣就完成了線位上任一點(diǎn)地面高程的獲取，進(jìn)而獲取整個(gè)線位的地面線。需要注意的一點(diǎn)是，獲取地面線的過(guò)程，要保證GoogleEarth客戶端處于打開(kāi)狀態(tài)，在讀取地面線的過(guò)程中，不要進(jìn)行其他操作，以免影響客戶端的移動(dòng)，為了保證獲取地面線的精度，利用SetCa-meraParams（）函數(shù)時(shí)，在設(shè)定speed的值時(shí)，不要取的太大，一般取為2，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)中，讀取點(diǎn)是做一個(gè)循環(huán)，最好在每一個(gè)操作之間設(shè)置一個(gè)時(shí)間間隔，以保證讀取的精度，實(shí)現(xiàn)方法是讓主進(jìn)程休眠一定得時(shí)間。

4KML技術(shù)

KML是一種基于XML語(yǔ)法的標(biāo)記語(yǔ)言和數(shù)據(jù)擴(kuò)展格式，通過(guò)生成KML文件，就能夠?qū)Ⅻc(diǎn)、線、多邊形、圖片等顯示在GE中，所以在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)KMl文件的編程控制[8]。C#中類FileStream，這個(gè)類提供了在文件中讀寫(xiě)字節(jié)的方法，要?jiǎng)?chuàng)建FileStream對(duì)象。該類的構(gòu)造函數(shù)具有許多不同的重載版本，在我們程序中要采用的是：FileStream(filePath,FileMode.OpenOrCreate,FileAccess.ReadWrite,FileShare.Read)因?yàn)樵诔绦蛟O(shè)計(jì)中，當(dāng)創(chuàng)建完KML文件后，就要打開(kāi)，這就要用到FileShare.Read，這種模式代表允許隨后打開(kāi)文件讀取，其他的重載版本是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能的。KMl文件是類XmlTextWriter的對(duì)象，創(chuàng)建的對(duì)象包含XML數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)符合W3C可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)1.0和“XML中的命名空間”建議）的流或文件[9]。該類的定義為：XmlTextWriter(stringfilename,Encodingenco-ding)第一個(gè)參數(shù)就是要寫(xiě)入的文件名，第二個(gè)參數(shù)，表示要生成的編碼方式。GoogleEarth定義的KML文件是UTF-8的形式，所以在程序設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建該類的對(duì)象是，這里取的是UTF-8。對(duì)KML文件的打開(kāi)是通過(guò)GoogleEarthCOMAPI提供的函數(shù)OpenKmlFile來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)的定義為：voidOpenKmlFile(stringfileName,intsuppres-sMessages)該函數(shù)接受兩個(gè)輸入?yún)?shù)，參數(shù)一“fileName”，是一個(gè)字符的類型，表示需要打開(kāi)的文件名和包含文件路徑的，例如：@“E:\大論文\Line5.kml”。第二個(gè)參數(shù)取值為“0”或者“1”，表示當(dāng)用戶要開(kāi)的文件和GoogleEarth中已經(jīng)存在的文件如果有沖突，是否處理這種異常情況，一般取為“1”[10]。

5結(jié)論

本文分析研究了基于GE平臺(tái)進(jìn)行鐵路選線設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了詳細(xì)的解決方法。基于GE平臺(tái)進(jìn)行鐵路選線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研究，涉及大地測(cè)量學(xué)、圖形圖像處理、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、軟件工程、鐵路選線設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)體系，限于研究者知識(shí)水平所限，對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)的研究才算剛剛起步。但隨著對(duì)GE的深入研究，GE在鐵路選線設(shè)計(jì)中將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。