利用Google Earth影像測制1∶2 000地形圖

張書華，劉云生，張梅

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州 272100)

1 引言

地形測量是傳統(tǒng)測量的主要項(xiàng)目，長期以來，大比例尺地形圖的測量方法是從最初的平板儀測量發(fā)展到全站儀測量。面積較大時(shí)，可采用航空攝影測量的方法。野外工作量大，作業(yè)周期長，成本高;而航空攝影測量雖野外工作量較小，但只較適合大面積地形測量，對(duì)于小面積地形測繪，由于其航攝成本高，航攝要求較苛刻，故小面積作業(yè)不便采用。

近年來，隨著航天技術(shù)與數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量不斷提高，空間分辨率從原來的幾十米發(fā)展到今天的0.41 m(GeoEye－1，全色)，影像處理技術(shù)也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，衛(wèi)星影像資料種類繁多，影像處理軟件層出不窮，影像清晰度不斷提高，處理影像技術(shù)日臻成熟。有關(guān)研究表明［1］，采用 Quick Bird高分辨率全色遙感影像，并采取多項(xiàng)式糾正法進(jìn)行糾正，可實(shí)現(xiàn)較為平坦城區(qū)的1∶2 000比例尺地形圖的更新，條件理想的地區(qū)甚至可更新 1∶1 000比例尺地形圖。Google Earth集成了遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)三種高新技術(shù)的功能，部分地區(qū)影像分辨率高達(dá)0.5 m，可在全球范圍內(nèi)周期性地更新。衛(wèi)星遙感影像具有獲取周期短、成本低、野外工作量小的特點(diǎn)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要探討Google Earth影像在大比例尺地形測量中的應(yīng)用。測區(qū)兗州市的Google Earth影像分辨率為 0.5 m，影像拍攝時(shí)間為2009年12月21日，影像清晰，放大到1∶1 600，道路、房屋等影像邊沿依舊清晰可見，可與航攝影像相媲美。

圖1 放大到1∶1 600，Google Earth影像依舊清晰，可矢量化出地貌、地物

2 測區(qū)簡介及測繪工藝流程

2.1 測區(qū)簡介及測圖要求

兗州市隸屬濟(jì)寧市，位于山東省西南部，東南與鄒城市接壤，西南與濟(jì)寧市任城區(qū)相鄰，西與濟(jì)寧市汶上縣相接，北鄰泰安市寧陽縣，東臨曲阜市，這里交通發(fā)達(dá)，京滬鐵路在兗州市市區(qū)東部穿過，327國道環(huán)繞兗州市市區(qū)西北。測區(qū)位于兗州市城區(qū)西部，為平原地區(qū)，測區(qū)面積28.6 km2，區(qū)內(nèi)主要種植小麥、玉米等作物，耕地全部為水澆地;測區(qū)內(nèi)村莊有38個(gè)，大小企業(yè)有20多家，區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)村公路四通八達(dá)，交通較為便利。測區(qū)樹木較多，植被覆蓋較好，通視不便，困難類別為Ⅱ類。

主要測圖要求:

(1)測圖比例尺為1∶2 000，坐標(biāo)系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系，高程系為1985國家高程基準(zhǔn);

(2)本次測繪測區(qū)內(nèi)的道路、河流、溝渠、橋梁，村莊內(nèi)主要道路，主房、連體房屋可一并繪出;

(3)測區(qū)內(nèi)廠礦企業(yè)要測繪出外圍墻、廠房等建筑物，地物地貌按《工程測量規(guī)范》要求測量;

(4)測區(qū)內(nèi)林地、墳地、果園等類別要實(shí)測分清，沿道路兩側(cè)單體建筑物實(shí)測分清;

(5)高程注記標(biāo)注到0.01 m，等高距為0.5 m。

2.2 測繪工藝流程

圖2 1∶2 000地形測量工作流程圖

3 測圖實(shí)施過程及要點(diǎn)

采用以下測量方案:

(1)在Google Earth影像圖上選擇具有明顯影像特征的像片控制點(diǎn)，選擇依據(jù)是:要均勻分布在整個(gè)校正區(qū)域、特征要固定而明顯、數(shù)量要足夠?？刂泣c(diǎn)應(yīng)是在原始影像中均勻分布并能正確識(shí)別和定位，在地形圖上可精確定位的特征點(diǎn)、特征線(取其中點(diǎn))。如固定的地形地物交叉點(diǎn)、河流拐彎處或交叉處、塔尖、橋梁、鐵路、水壩和交叉路口等。

(2)用全站儀或RTK測量像控點(diǎn);用水準(zhǔn)儀測量像控點(diǎn)的高程。

(3)用ERDAS軟件，以像控點(diǎn)為基準(zhǔn)，糾正Google Earth影像圖為1∶2 000正射影像圖(DOM)。

(4)以1∶2 000正射影像圖為底圖，在內(nèi)業(yè)用矢量化方法制作1∶2 000平面圖。

(5)將1∶2 000平面圖分幅打印，在野外加測平面圖的高程，檢查平面圖的精度，糾正平面圖的錯(cuò)誤，補(bǔ)測漏繪地物和新增地物。

(6)將外業(yè)實(shí)測高程展繪在1∶2 000平面圖上，勾繪等高線，最終完成1∶2 000比例尺地形圖制作。

3.1 控制點(diǎn)的布設(shè)與測量

控制點(diǎn)對(duì)于幾何精校正精度的影響，主要表現(xiàn)在控制點(diǎn)(GCP)的數(shù)量、分布和其定位精度。校正方法(包括數(shù)學(xué)模型、確定亮度值的方法)不同，影響也不同。GCP數(shù)量的增加可以提高校正精度，但也使得尋找GCP的難度加大。GCP的數(shù)量也不宜過多，因?yàn)檫^多不會(huì)顯著提高校正精度，卻使計(jì)算量大大增加。幾何精校正要求GCP均勻分布。若GCP分布不均勻，則在GCP密集的區(qū)域影像校正較好，而在GCP分布稀疏的區(qū)域，則會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。GCP的位置精度越高，校正效果越好。幾何精校正的技術(shù)指標(biāo)是:校正后的圖面中誤差一般不大于0.5 mm。

3.2 像控點(diǎn)的測量

像控點(diǎn)的測量包括平面和高程兩個(gè)方面。測量采用RTK法。為了達(dá)到RTK平高一體化測量的目的，必須首先布設(shè)高程控制網(wǎng)，用高程控制網(wǎng)控制RTK的高程精度。具體做法是:首先用水準(zhǔn)測量的方法測出各基本控制點(diǎn)的高程，將RTK基準(zhǔn)站架設(shè)在測區(qū)中部海拔較高的地方，例如高樓頂部或測區(qū)的制高點(diǎn)上，基準(zhǔn)站周圍應(yīng)視野開闊，樹木較少，便于RTK信號(hào)的傳播。測出高程與坐標(biāo)，然后供內(nèi)業(yè)糾正之用。內(nèi)業(yè)糾正用分片糾正配準(zhǔn)的方法，分片應(yīng)主要以地物密集程度大的片區(qū)為整體，即分片接邊地物較少，接邊簡單為原則，通常以自然村為單位，采用村周圍控制點(diǎn)糾正配準(zhǔn)，再將分片配準(zhǔn)的圖像進(jìn)行無縫鑲嵌，無縫鑲嵌以控制點(diǎn)為準(zhǔn)進(jìn)行，若鑲嵌過程中存在誤差，將誤差按最小二乘法進(jìn)行分配，將鑲嵌后的圖像以像控點(diǎn)為準(zhǔn)進(jìn)行圖上檢核，檢核方法為:在每片影像中篩選精度較高、匹配較好的3個(gè)像控點(diǎn)，以選中的像控點(diǎn)為準(zhǔn)進(jìn)行影像鑲嵌，以鑲嵌配準(zhǔn)后的影像為基礎(chǔ)，量取相鄰不同影像上同名像控點(diǎn)的坐標(biāo)，并計(jì)算其距離ds;同法量取同名影像重合點(diǎn)并計(jì)算距離ds，檢核結(jié)果如表1所示。

內(nèi)業(yè)矢量化控制點(diǎn)及影像重合點(diǎn)檢核結(jié)果 表1

將鑲嵌配準(zhǔn)后的影像圖進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量化，矢量化的原則如下:

(1)建筑物的矢量化，其點(diǎn)位選取以建筑物的地基為準(zhǔn)，若地基位置不清，可以其他影像代替，如房屋的房檐，根據(jù)本地區(qū)的情況，可酌情減去 0.3 m～0.5 m。

(2)溝渠等地貌以實(shí)地影像邊線為準(zhǔn)矢量化，若有樹木覆蓋，以樹木邊沿繪出，若林帶較寬(超過圖上2 mm)，則林帶單獨(dú)繪出。

(3)水塘、道路等邊線，以地形測量《規(guī)范》方法繪出，即水塘繪出水崖線，水塘邊線，道路繪出路邊線、路肩線、路溝兩邊線。將矢量化后的平面圖拿到實(shí)地檢查并加測高程。該項(xiàng)工作是分3個(gè)外業(yè)組分頭進(jìn)行的，每組約合十整幅圖，各組僅用了5 d的時(shí)間就完成了外業(yè)工作，極大地提高了工作效率。

4 野外精度檢查

首先以平面圖為草圖，在村莊及樹木密集區(qū)用全站儀、在視野開闊信號(hào)較好的地區(qū)用RTK進(jìn)行實(shí)地測量，實(shí)地測量目的有三個(gè)，一是補(bǔ)充測量高程點(diǎn)，二是檢核地物、地貌點(diǎn)的精度，三是對(duì)照平面圖判定實(shí)地有無錯(cuò)誤，經(jīng)實(shí)地檢測，地物、地貌點(diǎn)的較差如表2和表3所示。由表2按同精度雙觀測值統(tǒng)計(jì)計(jì)算得控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為 3.0 cm，影像重合點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.59 m;由表3按同精度雙觀測值統(tǒng)計(jì)計(jì)算得控制點(diǎn)高程中誤差為3.1 cm，地形點(diǎn)高程中誤差為1.01 dm，符合測量《規(guī)范》中有關(guān)對(duì)地形測量控制點(diǎn)及地形點(diǎn)的精度要求。

外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)及影像重合點(diǎn)平面精度檢核結(jié)果 表2

野外實(shí)測高程點(diǎn)精度檢核結(jié)果 表3

5 結(jié)論

利用Google Earth測制 1∶2 000地形圖，在較嚴(yán)格的精度控制措施下，所測地形圖的精度可以滿足1∶2 000地形圖的精度要求，雖然利用Google Earth測制1∶2 000大比例尺地形圖過程還比較復(fù)雜，高程點(diǎn)仍需野外實(shí)測，但就大比例尺地形測量而言，還是大大減少了野外工作量，縮短了工期。就以本案例而言，若不利用Google Earth影像而全部采用野外數(shù)據(jù)采集的測量方法，投入3個(gè)野外作業(yè)組，野外工作需60 d，內(nèi)業(yè)工作量需25 d;而采用先進(jìn)行Google Earth影像矢量化，再到外業(yè)檢查補(bǔ)測的方法進(jìn)行測量，外業(yè)工作時(shí)間大大縮短，外業(yè)控制僅用10 d，檢查及加測高程僅用15 d，共野外工作一個(gè)月，野外工作量減少一半，內(nèi)業(yè)工作量雖略有增加(增加5 d)，但和全野外數(shù)據(jù)采集的測量方法相比，總工期還是提前了10 d，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］楊澤運(yùn)，康家銀，趙廣東.利用Quick Bird全色遙感影像更新城市大比例尺地形圖［J］.測繪工程，2005，14(2)，29～31

［2］胡旭偉，王昌翰.利用SPOT一5衛(wèi)星遙感影像更新1∶10000地形圖初探［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(3)，23 ～25

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［4］劉瑞敏，李華，王思鍇等.基于 Google Earth的地鐵亦莊線 GPS控制網(wǎng)布設(shè)［J］.測繪通報(bào)，2008(11)，47～49

［5］彭和強(qiáng)，張有能.基于Google Earth的地形圖制作技術(shù)［J］.測繪通報(bào)，2009(10)，56～58

［6］周園，關(guān)衛(wèi)軍，佟胤錚.基于ERDAS IMAGINE的遙感圖像更新地形圖［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(3)，376 ～378