以中山石岐水道電子海圖制作為例，結(jié)合Google Earth影像與GIS制作地形圖

李偉

摘 要：自從Google Earth問(wèn)世以來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用Google Earth提供的海量地理信息數(shù)據(jù)，以其為三維地理信息平臺(tái)，進(jìn)行地理信息提取，經(jīng)過(guò)GIS軟件系列處理從而獲得高精度的數(shù)字化地形圖是一種簡(jiǎn)單可行的方法。

關(guān)鍵詞：Google Earth影像 GIS 地形圖

1.前言

Google Earth（簡(jiǎn)稱GE）是谷歌公司2005年向全球推出的一款虛擬地球軟件，將衛(wèi)星影像、航拍圖片和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上，被形象地稱為“上帝之眼”。GE擁有不同分辨率的衛(wèi)星影像及航拍數(shù)據(jù)，提供免費(fèi)的基礎(chǔ)地理地圖。GE有兩種類型的地標(biāo)文件，分別是KML文件和KMZ文件。KML文件采用XML描述語(yǔ)言，且為文本格式，因此KML格式的地標(biāo)文件非常利于GE應(yīng)用程序的開發(fā)。KMZ文件是一個(gè)經(jīng)過(guò)ZIP格式壓縮過(guò)的KML文件。此外針對(duì)調(diào)用Google地圖資源的問(wèn)題，GE還推出了Google Maps API，任何人都能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的API調(diào)用來(lái)開發(fā)自己的Google地圖服務(wù)，開發(fā)基于GE的GIS應(yīng)用項(xiàng)目。

傳統(tǒng)的地形圖獲取方法，即采用野外實(shí)測(cè)的方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近些年由于衛(wèi)星遙感、航空攝影、GPS、數(shù)字成像等技術(shù)的不斷發(fā)展，而且GE目前可以提供解析度小于1米的高精度影像，這使人們通過(guò)影像生成高精度地形圖提供了基礎(chǔ)。本文通過(guò)在中山石岐水道外業(yè)測(cè)量及制圖工作中，提出在GE中獲取高精度二維影像地圖的方法，通過(guò)影像下載、圖片拼接等步驟生成地理影像柵格文件，能夠在開發(fā)GIS平臺(tái)中使用，制作所需的地形圖。影像地圖數(shù)據(jù)來(lái)源免費(fèi)，獲取方法簡(jiǎn)單快速，這樣我們?cè)趯?shí)際工作中節(jié)省了大量的人力，物力與財(cái)力，縮短了工作周期。

2.影像地圖的生成

2. 1影像下載

影像地圖最常見(jiàn)的方法就是打開GE軟件，找到你所需要下載的區(qū)域，選擇保存圖像即可。這種方法適用于小面積的截圖。如果需要獲取大面積的高分辨率的地圖時(shí)，這種方法就比較耗時(shí)耗力了。為了影像地圖的方便快捷下載，目前很多在Google公司提供的API接口基礎(chǔ)上開發(fā)的GIS軟件實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)定位、截圖下載的功能。具體步驟如下：

（1）首先輸入所需下載影像地圖四個(gè)邊界的經(jīng)緯度坐標(biāo)，截圖參數(shù)。不同軟件有著不同的參數(shù)表述，主要包括影像地圖顯示的比例尺、層級(jí)、圖片的分辨率大小、截圖高度和延遲時(shí)間等等。

（2）軟件根據(jù)設(shè)置的截圖參數(shù)，將整個(gè)范圍的影像圖切分成若干個(gè)小的地圖切片。

（3）開始截圖時(shí)，截圖方框依次移動(dòng)，逐個(gè)截取地圖切片的影像，將截取的影像保存為圖片格式的文件，同時(shí)會(huì)生成一個(gè)同名的文本文件，里面保存的截取圖片四個(gè)角點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，以便圖片的后續(xù)拼接處理工作。

2.2圖片拼接與輸出

圖片拼接，即通過(guò)photoshop等位圖軟件將下載的圖片按照依次排序，同時(shí)去掉圖片重疊部分，拼接形成一副完整的影像圖片。如果通過(guò)人工截取地圖圖片，無(wú)法保證每次是在同一比例下截圖，這樣截取的圖片就會(huì)大小不一，產(chǎn)生重疊部分，而通過(guò)GIS軟件下載影像圖片時(shí)，已經(jīng)將所需下載的范圍自動(dòng)等分成若干個(gè)地圖切片，所以各圖片間不存在重疊部分。通過(guò)GIS軟件打開這些圖片文件，系統(tǒng)會(huì)讀取截圖產(chǎn)生包含切片四角地理坐標(biāo)的文本文件，將圖片放置在對(duì)應(yīng)的位置，形成一幅完整的地圖圖片。最后選擇輸出圖像格式將拼接完整的圖片導(dǎo)出保存。常用的地圖柵格文件格式包括GeoTIFF、JPG、BMP等。

Google Earth采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS84坐標(biāo)系，截取的影像地圖文件也同樣為WGS84坐標(biāo)系。實(shí)際工作中可能需要其他坐標(biāo)系統(tǒng)的圖片文件，這就需要對(duì)完成的圖片進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。目前基于GE的GIS軟件大多提供坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的功能，可以根據(jù)自己實(shí)際工作需要，選擇對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，按操作轉(zhuǎn)換輸出即可。

目前，在Google Earth API基礎(chǔ)上開發(fā)的GIS軟件實(shí)現(xiàn)了下載，拼接與輸出于一體的軟件，無(wú)需過(guò)多的人工處理，可以下載完成你需要的任意影像圖片。本文結(jié)合中山石岐水道電子海圖制作為例，選取了Goody GIS軟件對(duì)測(cè)區(qū)的影像進(jìn)行了下載、拼接與輸出。石岐水道位于中山市中部，全長(zhǎng)46公里。根據(jù)測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行圖幅的分幅，確定好每幅圖幅范圍的經(jīng)緯度坐標(biāo)，在軟件中設(shè)置好截圖高度等參數(shù)，選擇輸出國(guó)家2000平面坐標(biāo)系，獲取影像完成拼接并輸出。如圖1所示。

3.圖片糾正

由于受到傳感器成像方式、地球曲率、大氣折射、地球起伏引起的像點(diǎn)位移和地球自傳的影響，以及下載影像時(shí)選擇不同層級(jí)或者分辨率、拼圖、文件格式轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)系通轉(zhuǎn)換，都會(huì)造成下載的影像地圖與實(shí)際的矢量地形圖存在一個(gè)坐標(biāo)誤差或者偏移，這種誤差與偏移沒(méi)有規(guī)律特性，通常在1米～30米之間。所以當(dāng)我們需要更高精度的影像圖片時(shí)，還需要對(duì)其進(jìn)行幾何糾正處理。

圖像幾何糾正也就是通過(guò)計(jì)算機(jī)將離散結(jié)構(gòu)的圖像像元逐個(gè)進(jìn)行校正處理的方法，主要分為幾何粗糾正和幾何精糾正，我們?nèi)粘Ｋ龅臑閹缀尉m正。幾何精糾正即通過(guò)地面控制點(diǎn)將衛(wèi)星圖片的像元與實(shí)際位置建立一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，把原圖片上像元轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)空間上去。其主要有兩個(gè)環(huán)節(jié)：圖像像元空間的位置轉(zhuǎn)換和像元灰度值的重采樣。影像到糾正精度的幾個(gè)因素主要有地面控制點(diǎn)、重采樣方法以及圖像本身質(zhì)量。

本次實(shí)際測(cè)量中，結(jié)合海圖性質(zhì)，其對(duì)陸地要素的精度要求相對(duì)較低。我們采用廣東CORS系統(tǒng)信號(hào)，其測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)，使用RTK對(duì)范圍內(nèi)比較明顯的特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，例如道路拐點(diǎn)、橋梁、碼頭和河流兩岸的石堤等等。將測(cè)量的特征點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何糾正。糾正后的影像同部分實(shí)測(cè)地形比較，誤差在1米左右，滿足制圖的需要。目前影像處理軟件很多，常用的有ER Mapper等等。

4.影像地圖的數(shù)字化

糾正后的影像我們即可對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理。影像地圖數(shù)字化主要分為面狀地物的數(shù)字化和線狀地物的數(shù)字化，以及等高線的提取與矢量化。常用的數(shù)字化方法有很多種，比如采用ArcGIS軟件，在軟件中打開我們下載完成的影像地圖，利用ArcCatalog建立不同屬性的圖層，圖層創(chuàng)建完，可以從arcmap加載圖層，分層矢量化各圖層。矢量化完成后進(jìn)行設(shè)置字段及屬性錄入，最后進(jìn)行地圖的修飾和輸出。

結(jié)合本次工作實(shí)際情況，海圖所需的地物要素不需要很詳細(xì)，我們將糾正后的圖片嵌入到CAD中去了。再利用CASS軟件打開CAD文件，根據(jù)我們所需地物要素，比如道路、橋梁、河堤等等，選擇相應(yīng)的線性進(jìn)行描繪。

在精度要求不高的情況下，GE利用三維模擬功能，即在GE上建立一定海拔的平面，使之與起伏的地表相切，就能得到等高面范圍線。目前大多基于GE開發(fā)的GIS軟件能自動(dòng)完成等高線的提取與輸出。例如在GOODGIS中，首先在需要提取等高線的地方用多邊形進(jìn)行圈定，然后設(shè)置好采樣點(diǎn)間隔及等高距參數(shù)，這樣就可以對(duì)多邊形范圍內(nèi)的地形就行等高線的提取，設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)，即可將成果輸出CAD格式的文件。再于之前數(shù)字化的成圖合并，即可完成相應(yīng)的地形圖。再對(duì)圖形交接部分不合理的地方及圖形要素發(fā)生改變的地方進(jìn)行修改，這樣我們所需的外業(yè)成圖即完成（如圖2），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工修飾完成電子海圖的制作。

5.結(jié)束語(yǔ)

目前GE提供地形圖精度糾正后平面精度接近1∶2000，高程精度相對(duì)比較粗糙。隨著GE的不斷豐富與發(fā)展，衛(wèi)星影像的精度越來(lái)越高，以及更新頻率周期的縮短，使其在測(cè)繪方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。利用GE來(lái)制圖，大大提高了測(cè)量工作的實(shí)效性。筆者多次采用此方法進(jìn)行測(cè)量制圖，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)糾正后得到的數(shù)字化地形圖均能滿足工作所需，提高了測(cè)繪工作生產(chǎn)效率，減少了成本投入。

參考文獻(xiàn)：

[1]莫平浩，胡茂林.利用Google Earth制作衛(wèi)星影像圖[J].勘測(cè)設(shè)計(jì)，2008（2）：30.

[2]寧瑩，金水祥.影像數(shù)據(jù)在導(dǎo)航電子地圖中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011，34（5）：103-106.

[3]方昆，邱小波，金宏斌.基于Google Earth影像地圖數(shù)據(jù)獲取的研究[J]信息技術(shù)，2014，04-0096-04.