浅谈Arcgis地理信息系统数据库在建设工程

浅谈Arcgis地理信息系统数据库在建设工程

王子源

甘肃路桥公路投资有限公司甘肃兰州730030

摘要：土地的征用和使用是建设工程项目管理过程中最基本、最关键、最重要的工作和任务之一。Arcgis地理信息系统数据库的应用，不仅可以大大简化建设项目土地面积的丈量工作，而且可以更加形象直观的利用地图数据库对征占用土地范围进行动态的管理和数据的更新，改善了建设工程项目管理中土地的征用和使用的工作条件，同时也是科学动态管理的一种突破和创新。

关键词：建设工程项目管理，土地征用，地理信息数据库

引言

Arcgis地理信息系统数据库是目前最流行的地理信息系统平台软件，主要用于创建和使用地图，编辑和管理地理数据，分析、共享和显示地理信息，并在一系列应用中使用地图和地理信息，如果把该地理信息系统数据库应用到建设工程项目管理进度目标控制当中去，不仅可以大大地简化土地的丈量登记工作，而且可以简单、直观的对项目建设红线用地范围进行科学的管理和数据动态的更新，使建设工程项目管理进度目标控制过程中关于土地的征用和使用等方式取得前所未有的技术性的突破和创新。

一、建设项目土地征用现状

土地的所有权，分为国家所有与集体所有；土地的使用权，分为建设用地使用权、土地承包经营权、宅基地使用权和地役权。公路建设建设项目是所属国家基础建设项目类型之一，它的使用权主要属于建设用地使用权，占用土地类型根据实际设计占地划分，分别占用了国有和集体土地，按土地类型划分有农用地（耕地、林地、草地、其他土地等）建设用地和未利用地（草地、其他土地等）。

集体土地的征收，是由地方政府主管部门通过丈量登记补偿方式，将集体土地征收转变为国有土地后，划拨给公路建设单位使用。在项目建设前期，土地的丈量工作是一项繁重而艰巨的重要工作，公路项目建设单位需要配合地方政府国土主管部门联合集体土地所有人现场确认土地面积及地上附着物，并在丈量登记后及时形成签字确认表，政府主管部门按照签字确认表依据部门规章及地方性法规给予失地集体或农民同等代价的补偿。在早期科学技术不发达的条件下，大量的土地丈量工作均由人工通过皮尺进行丈量来完成，对于面积过大形状不规则的土地或者坡度较陡的斜坡土地，人为皮尺的丈量难免会带来较大的误差，导致初步设计面积与实际丈量面积数据出入较大，同时对于工程建设费用预算的编制也带来了不便。但是，随着科学技术的发展，公路建设项目新设备、新技术的引用，以前土地丈量过程中存在难以解决的问题，发现了新的科学应对措施—GPS坐标定位测量和Arcgis地理信息系统数据库，他们的出现使得公路建设项目进度目标控制过程中土地的丈量和登记工作模式发生了前所未有的巨大的变革。

二、GPS坐标定位测量

1、GPS卫星定位系统概述

GPS全球卫星定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）是美国国防部为满足军事部门对海上、陆上和空中进行高精度导航和定位要求而建立的。该系统始建于1973年，1994年全部建成。它具有全球性、全天候、实时连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性，是世界上新一代卫星导航与定位系统。

2、GPS卫星定位系统应用领域及发展前景

起初GPS定位系统的发明，只使用于军事领域，但随着科技的发展和进步，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。

在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建设变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。

经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

3、GPS卫星定位系统工作原理

GPS系统包括三大部分：1）空间部分—GPS卫星星座；2）地面控制部分—地面监控系统；3）用户设备部分—GPS信号接收机

空间部分：通过24颗距地面高度为20200km，并且与轨道倾角55度的卫星运行于6个卫星轨道面，通过12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30度的电磁波束；卫星的运行周期为11小时58分。

地面部分：GPS的地面监控系统包括主控站、监控站和注入站；

主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。

监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。

注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

4、常用工程坐标系

常见坐标系统可以分为三种：平面坐标系统（PlannarCoordinateSystem）、地理坐标系统（GeographicCoordinateSystem）和投影坐标系统（ProjectionCoordinateSystem）。

1）平面坐标系是最常用的坐标系，也是可以自行定义的坐标系统，在AutoCAD制图软件、Arcgis数据库等软件中打开默认的坐标系统，同时也可以由用户自行进行设定。

2）地理坐标系是由大地基准面和地图投影确定的，而大地基准面则是利用特定椭球体对特定地区地球表面的无限逼近，最终接近平面而确定的坐标系统，因此每个国家或地区均有各自的大地基准面，我们通常使用的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标系统，而WGS84坐标系是以地心为中心作为参照的坐标系统。所以，针对同一地理位置，索取不同基准面作为参考的坐标系统，它们的经纬度坐标是有差异的。

3）投影坐标系统，是把地球椭球体面上的经纬网按照一定的数学法则转绘到平面上而建立的坐标系。而地图投影的方法分为几何法和解析法。几何法是以平面、圆柱面、圆锥面为承影面，将曲面（地球椭球面）转绘到平面（地图）上的一种古老方法；解析法是确定球面上的地理坐标与平面上对应点的直角坐标之间的函数关系，从而投影到圆柱表面形成的坐标系统，我们最常用的投影坐标系统高斯—克

吕格投影就是采用解析方法绘制而成。高斯—克吕格投影分为3°和6°分带两种，当比例尺地形图采用经差1:2.5万－1:50万时采用6度分带，比例尺的地形图采用经差1:1万时采用3度分带。

5、坐标系之间的转换

我国公路工程设计及测量成果应用中通常使用的地理坐标系统是以1954年北京坐标系、1980年西安坐标系或是地方（任意）独立坐标系为基础的坐标数据，而GPS卫星定位系统采集到的数据通常是WGS-84坐标系数据，因此，GPS采集数据使用之前必须将WGS-84坐标转换到北京54坐标系、西安80坐标系或者地方（任意）独立坐标系。北京54坐标系、西安80坐标系均为参心坐标系，而WGS-84坐标系为地心坐标系，两种坐标系的转换属于不同基准面下的坐标系统转换，目前一般采用的转换方法是布尔莎公式—七参数法（七参数及两个坐标系之间的X平移值x0，Y平移值y0，Z平移值z0，X旋转角度εx，Y旋转角度εy，Z旋转角度εz，尺度比m。）

图1.七参数转换公式

七参数不是固定的，而是不同的地区有不同的值。为求得七个转换参数两个坐标系中至少有三个公共点。

例：WGS-84坐标系到北京54坐标系的转换，得到北京54坐标数据：

XBJ54=（1+m）XWGS84+ΔX+εzYWGS84-εyZWGS84

YBJ54=（1+m）YWGS84+ΔY-εzXWGS84+εxZWGS84

ZBJ54=（1+m）ZWGS84+ΔZ+εyXWGS84-εxZWGS84

（其中ΔX、ΔY、ΔZ为WGS84坐标原点相对于BJ54新坐标原点在三个坐标轴上的分量，通常称之为三个平移参数，西安坐标系的转换式同上。）

完成坐标系的转换后，坐标系统下坐标的表现形式也有很多种，如空间直角坐标系（X，Y，Z）、大地坐标系（B，L）、平面直角坐标（X，Y）等。通常工程坐标最直接、也是最常用的表现形式为平面直角坐标系，经过不同基准面下的坐标系统的转换后，我们得到了BJ54坐标系统下的空间直角坐标系，我们还需根据实际的应用的需求对坐标系统下再进行各转换，直至得到工程所需的坐标。

三、Arcgis概述

1、Arcgis产品发展史

美国环境系统研究所（EnvironmentalSystemsResearchInstitute，Esri）创建于1969年，总部位于加州的雷德兰兹。1982年Esri发布了它的第一套商业GIS软件—ARC/INFO1.0。它可以在计算机上显示诸如点、线、面等地理特征，并通过数据库管理工具将描述这些地理特征的属性数据结合起来。ARC/INFO被公认为是第一代现代商业GIS系统。

1991年，Esri推出了Arcview软件，它使得人们用更少的投资就可以获得一套简单易用的桌面制图工具。同一年，Esri还发布了ArcData，它用于发布和出版商业的、即拿即用的、高质量的数据集，使用户可以更快的构建和提升他们的GIS应用。

20世纪90年代，Esri公司的产品线继续增长，分别推出了基于WindowsNT的ArcInfo、MapObjects、基于COM组件技术的ArcGIS、基于工业标准的ArcGISEngine以及为企业GIS应用服务的ArcGISServer。

直至今日，ArcGIS一举实现了协同GIS、三围GIS、时空GIS、一体化GIS、云GIS等五大飞跃，并以简单易用、功能强大、性能卓越等特点为个人及企业用户提供了地理数据创建、协同、分析、管理等功能强大，操作方便的工作平台，为动态地理数据库管理这个科技理念的实现，做出了突出的贡献。

2、ArcGIS基础构架及操作构成

ArcGIS是一个构架完整、功能强大、扩展方便、部署灵活的地理信息平台，广泛支持多种类型的客户端，包括浏览器、移动终端及传统的桌面应用。

桌面GIS是用户在桌面系统上创建、编辑和分析地理信息的平台，也是用户最直接最简便的操作和使用平台，包括ArcReader、ArcGISDesktop、ArcGISEngine和ArcGISExplorer。其中ArcGISDesktop包含了一套带有用户界面的Windows桌面应用程序：ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe和Arcscene，并通过ArcToolbox和ModelBuider模块实现地理数据的组织、管理、编辑和应用。

3、ArcMap程序的应用

ArcMap是ArcGISDesktop中一个主要的也是GIS用户最长使用的应用程序，通过创建、编辑地理数据应用程序，对编辑的地理数据进行处理和分析构建成模型后通过地理数据视图和地图布局视图实现显示和浏览的目的。

目前，ArcMap已经广泛被个人和企业所应用，甚至各地方政府部门也通过该软件对土地和林地等地的利用与规划进行了科学的统计和管理。对于公路建设等线性工程在设计和施工过程中如何科学的学习和利用动态地理数据库进行数据的统计和管理是未来实现项目电子动态化管理的主要发展趋势和目标。

四、Arcgis在项目管理土地征用和使用过程中的应用

1、项目管理进度目标控制中土地丈量过程存在问题

公路、铁路等基础建设项目从建设手续批复至建设任务完成为止，手续的办理和土地的征用可以说是在项目建设所有环节当中最首要、最基础也是最关键的环节，它直接决定着施工的进度目标控制和施工作业的顺利展开，同时也决定着建设项目的进度、质量目标是否能够按照计划得以实现，所以说项目建设目标的控制基础就是进度目标的控制，进而从土地的征用和使用工作中慢慢地深入展开。

在以往建设项目土地丈量登记工作中，涉及到集体土地的耕地和林地丈量工作，都是以人为皮尺或铁尺丈量，并形成纸质表格数据归档为主，这样在丈量过程中因人为原因产生的误差较大，并且如果土地面积碎小不规整，数量过于庞大的情况下很容易造成一块地重复丈量和边界线划分不清等情况发生，无形中增加了土地丈量工作人员的工作量，且达不到精准丈量的目的，在数据后期归档过程中，因原始地貌破坏后无法形成数据的参照和利用，造成土地丈量底表归档的数据无从查证，为后期项目建设管理人员土地数据的审核和账务清对工作带来了非常大的不便。

2.GPS和ArcGIS在土地丈量过程中的应用

GPS技术在项目前期设计过程中，和项目建设过程中最为常用，通过GPS定位原理可以精准的实现定点、定位测量来指导项目建设，如此方便和精准的技术为何不能运用到前期土地征用和丈量工作中来呢？

通过GPS精准测量和数据处理，确定每一块土地位置及面积，并利用图形处理软件对采集的数据进行编辑存档，大大降低了土地丈量工作量，而且可以杜绝重复丈量及原始地貌破坏后无从查证等遗留问题出现。

五、总结

GPS和ArcGIS地理信息系统数据库等应用程序在工程建设过程中的应用越来越被项目建设管理人员所熟知，尤其是高速公路、铁路等国家基础设施建设工程。如何通过科学技术设备及软件的应用来提高建设项目管理人员自身专业素质及改进专业科技管理水平变得越来越重要，这是项目建设科学管理模式发展所必须的，科技创新、智能动态管理模式的发展也是以后建设项目管理模式改进的必要趋势。通过科技设备和科学技术的应用，为建设企业项目管理水平达到科技智能的动态化管理水平打开一个新的平台和新的领域。同时，随着科技设备的更新和科学技术的发展，通过GPS定位、高清视频监控及企业客户和个人终端导航设备技术的联合应用，可以更好的被建设个人和企业单位所利用，使建设项目科学管理和智能化科技创新理念由幻想变为实现。

参考文献:

[1]牟乃夏，刘文宝，王海银，戴洪磊.ArcGIS10地理信息系统教程—从初学到精通[M].测绘出版社出版.2012年12月

[2]曾庆化.全球导航卫星系统.国防工业出版社出版[M].2014年11月

[3]杜文举.工程测量（测绘类）.西南交通大学出版社出版[M].2016年05月