控制點導(dǎo)航采集與大數(shù)據(jù)三維地圖制作探討

姜宇榕 周霞 劉彥文

摘 要 以中三角地區(qū)為研究對象，首先對導(dǎo)航輔助下進(jìn)行外業(yè)影像校正控制點采集的方法進(jìn)行了闡述，在中三角DEM和影像數(shù)據(jù)校正處理中進(jìn)行了驗證，控制點采集的效率相對于傳統(tǒng)外業(yè)采集方法有明顯提高。其次利用超圖軟件對大數(shù)據(jù)量的影像、DEM數(shù)據(jù)緩存切片及時響應(yīng)的處理方法，探索了大數(shù)據(jù)支持下中三角三維旅游地圖的制作。實驗證明超圖軟件以切片緩存的方式很好地解決了大數(shù)據(jù)量與用戶需求及時響應(yīng)的瓶頸。

關(guān)鍵詞 控制點；三維地圖；導(dǎo)航；DEM緩存；影像緩存

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）225-0149-04

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)正處于一個重要的發(fā)展時期，新概念和新產(chǎn)品層出不窮。在需求與市場的雙重推動下，結(jié)合地理信息系統(tǒng)在各行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，其發(fā)展一度達(dá)到了飛速的地步，技術(shù)進(jìn)展主要表現(xiàn)在網(wǎng)格GIS、開源GIS、組件GIS、WebGIS、移動GIS等方面[1-4]。眾所周知，對于任何類型的GIS，數(shù)據(jù)始終是其核心，隨著需求的精細(xì)程度不斷提高，GIS要面對更大量數(shù)據(jù)的處理與響應(yīng)，如李清泉等提出的大數(shù)據(jù)GIS中的5V特性，Volume（體量大）：大量TB級以上已有的數(shù)據(jù)等待處理；Velocity（速度快）：需要響應(yīng)以s甚至ms計的流數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生；Variety（模態(tài)多樣）：數(shù)據(jù)來源和類型繁多；Veracity（真?zhèn)坞y辨）：指數(shù)據(jù)的不確定性；Value（價值）：大數(shù)據(jù)的終極目標(biāo)在于從數(shù)據(jù)中挖掘價值[ 5 ]。上述GIS研究的熱點，在實際應(yīng)用時多方面熱點往往交織在一起顯示出GIS

在新時代下的再一次的巨大應(yīng)用潛力，比如將網(wǎng)絡(luò)GIS與三維GIS結(jié)合在一起，用戶只需借助簡單的瀏覽器即可欣賞城市三維地圖，并可以進(jìn)行簡單的查詢與分析。此外，GIS又與RS、GPS緊密聯(lián)系在一起，比如RS的影像數(shù)據(jù)，通過GPS采點校正控制處理后，可以在GIS中進(jìn)一步分析處理。本文探索在影像傳統(tǒng)控制點采集的基礎(chǔ)之上，通過手持GPS導(dǎo)航進(jìn)行控制點采集的方法，并利用處理結(jié)果制作中三角地區(qū)的三維旅游圖。

1 航片野外控制點的導(dǎo)航采集

傳統(tǒng)方法由野外實地測量獲取GIS數(shù)據(jù)的效率較為低下，隨著測繪技術(shù)的不斷進(jìn)展，利用航片獲取4D數(shù)據(jù)已漸成趨勢。由于成本等原因，小范圍小型無人機作業(yè)航片校正所依賴的外業(yè)控制點往往還是人工獲取。理論上航拍前應(yīng)該在地面布置能在航片上可見的如小紅旗之類的標(biāo)志物，便于后期辨別采集相應(yīng)控制點。但實際實施時，往往由于各種原因，而不乏采取先拍攝，后直接在影像上找尋特征點作為控制點的方法。如本文作業(yè)時在影像上找尋的控制點如圖1所示。

此種方法作業(yè)的優(yōu)勢在于不需要拍攝前在實地標(biāo)定控制點，拍攝不受地面控制點測量進(jìn)度的影響，航片上控制選點較為靈活。但不足之處也較為明顯，因為作業(yè)區(qū)域?qū)刂泣c采集人員而言往往不熟悉，在航片上選擇的控制點在實地找尋時由于對當(dāng)?shù)夭皇煜?，往往需要花費大量的時間。

本文曾作過試驗，如果利用Google Earth影像高倍放大后幫忙實地辨別方位，其效率非常低下，約為實際控制點采集所需時間的3～5倍左右。為此，本文提出基于手持GPS導(dǎo)航找尋相應(yīng)控制點的辦法，技術(shù)路線如圖2所示。

手持GPS導(dǎo)航尋找相應(yīng)控制點大體的做法是先利用已有的矢量數(shù)據(jù)獲得航片上標(biāo)定的控制點的坐標(biāo)信息，再利用影像作為底圖數(shù)據(jù)，將其分割后導(dǎo)入手持GPS當(dāng)中，同時導(dǎo)入矢量標(biāo)定的控制點信息、規(guī)劃好的外業(yè)控制點測量最短的路徑數(shù)據(jù)。外業(yè)實際作業(yè)時，實測人員不需要熟悉當(dāng)?shù)胤轿?，直接依?jù)手持機的導(dǎo)航指南，可以迅速到達(dá)航片上標(biāo)定的控制點處。其誤差依賴與手持機的標(biāo)稱精度與有無相應(yīng)WGS-84坐標(biāo)和作業(yè)所采用的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)換信息。

本文三維地圖制作過程中由于采用了二者轉(zhuǎn)換高精度的七參數(shù)信息，所以誤差在1m～2m以內(nèi)，即相當(dāng)于開車測量控制點時，可以直接到達(dá)控制點上，以70～80個分布于5～6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的控制點信息采集為例，作業(yè)時間可以壓縮近60%，可以極大提高傳統(tǒng)控制點采集的效率。

2 單機版數(shù)字制圖選題實例

“中三角”即“長江中游城市集群”，是以武漢、長沙、南昌為核心，組合沿長江、環(huán)洞庭湖、環(huán)鄱陽湖的武漢城市圈、長株潭城市群，通過整體規(guī)劃和集成，形成跨省域的經(jīng)濟(jì)一體化城市集群。其所在的三省旅游資源十分豐富，有以一江兩湖為代表的水域景觀，以廬山、三清山、張家界為代表的山岳景觀，以武當(dāng)山、龍虎山、衡山為代表的宗教朝圣景觀，以黃鶴樓、滕王閣、岳陽樓為代表的江南名樓景觀，以南昌、瑞金、井岡山、紅安、韶山為代表的紅色革命史跡景觀，代表性景點如圖3。

本文在SuperMap軟件的支持下，選取中三角地區(qū)為研究對象，以旅游為主題，運用傳統(tǒng)方法和導(dǎo)航尋找控制點輔助校正后的DEM和遙感影像數(shù)據(jù)，在SuperMap的支持下，探索大數(shù)據(jù)量制作三維旅游地圖的方法。

3 數(shù)據(jù)介紹

大數(shù)據(jù)量一直是用戶需求與軟件及時響應(yīng)之間的一對矛盾，實例中的大數(shù)據(jù)最主要的是空間數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及其他地圖數(shù)據(jù)等。從國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺（http：//datamirror. csdb.cn/index.jsp）數(shù)據(jù)檢索欄目輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)后查詢下載中三角DEM數(shù)據(jù)，共168幅，每幅范圍3601×3601像素（1°×1°，1"分辨率，約30m）。從Google Earth上下載12-16級中三角遙感影像數(shù)據(jù)，選用數(shù)據(jù)共3G左右，詳見表1。另外，還搜集到一些旅游景區(qū)的風(fēng)景圖片、旅游線路數(shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)處理

地圖導(dǎo)入超圖軟件導(dǎo)入進(jìn)來的柵格數(shù)據(jù)是沒有空間位置的，為了對導(dǎo)入的柵格數(shù)據(jù)賦予實際地物空間的位置，需要對其進(jìn)行配準(zhǔn)，對柵格圖進(jìn)行坐標(biāo)和投影的校正，以使得其坐標(biāo)準(zhǔn)確。同時配準(zhǔn)也可以糾正掃描時由于各種因素引起的圖形變形。打開 SuperMap deskpro軟件，右擊工作空間中的“數(shù)據(jù)源”，選擇“新建數(shù)據(jù)源”，新建一個新的名為“中三角”的數(shù)據(jù)源。右擊“中三角”， 在彈出的列表中，選擇“導(dǎo)入數(shù)據(jù)集”選項，導(dǎo)入所需數(shù)據(jù)。在彈出的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”對話框中，點擊“添加文件”按鈕，在彈出的“打開”對話框中選擇“湖北省地圖”文件，“湖北省地圖”導(dǎo)入到數(shù)據(jù)源中。

地圖配準(zhǔn)。超圖軟件配準(zhǔn)過程如圖4所示。右鍵單擊底圖→屬性，選擇“投影信息”，點擊“重新設(shè)定投影”，在彈出的對話框中選擇所需要的經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)（底圖為北京80 坐標(biāo)系下高斯克呂格投影，所以要統(tǒng)一坐標(biāo)系）點擊確定。選取相距較遠(yuǎn)的多個具有代表性地物（如道路交叉路口），在 Google Earth 找到相應(yīng)點地理坐標(biāo)，并且記下此坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

將 Google Earth 上獲取的控制點對應(yīng)大地坐標(biāo)信息解算有兩種方式，一是通過前述的導(dǎo)航尋找外業(yè)控制點實測的方法獲取，前文已有敘述；二是手動或運用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行處理。具體操作是通過某點的經(jīng)度，計算出相應(yīng)的中央子午線、投影代號，利用坐標(biāo)點轉(zhuǎn)化工具，選擇大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)系，通過輸入該點的緯度（B）、經(jīng)度（L）、海拔（H）以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換下拉列表中的投影設(shè)置中的中央子午線數(shù)值，就可以轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。利用轉(zhuǎn)換好的控制點坐標(biāo)對，在超圖軟件中對湖南、湖北、江西三個省的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)分層。中三角旅游地圖涵蓋了各種不同類型的地理要素，因此在進(jìn)行矢量化之前，先要對不同地理要素進(jìn)行合理分層，對各數(shù)據(jù)集的表結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定。以方便底圖的矢量化以及后期對數(shù)據(jù)的處理。本次在超圖中建立了中三角一個數(shù)據(jù)源，包括了點、線、面、文本數(shù)據(jù)集。

地圖矢量化與圖層風(fēng)格設(shè)置。為了使遙感影像上的地圖信息更為豐富與準(zhǔn)確，需要對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，以更于后期疊置到影像上顯示，如水系、鐵路、主要行政駐地等。在矢量化之后，為了達(dá)到制圖的要求并達(dá)到美觀的效果，要根據(jù)具體數(shù)據(jù)的需要進(jìn)行風(fēng)格設(shè)置。由于軟件自帶的符號庫有限，故往往需要自己設(shè)計符號。如本文對線狀符號的制作，具體操作步驟為：工具→符號庫→編輯符號庫→新建符號→繪制符號→編輯符號信息→保存符號。此外，對于其他點圖層的風(fēng)格設(shè)置，還可以通過設(shè)計并導(dǎo)入符號數(shù)據(jù)文件，例如中三角旅游地圖在繪制過程中添加了風(fēng)景圖片，就是利用網(wǎng)絡(luò)下載的圖片進(jìn)行處理后導(dǎo)入進(jìn)去，再進(jìn)行風(fēng)格設(shè)置的。

5 大數(shù)據(jù)切片緩存與結(jié)果展示

數(shù)據(jù)處理與地圖制作過程中，體驗了對大數(shù)據(jù)量的處理與應(yīng)用，如對海量DEM數(shù)據(jù)鑲嵌配準(zhǔn)裁剪以及對其中異常點的剔除、影像海量數(shù)據(jù)的處理等。對于大數(shù)據(jù)的響應(yīng)，不同的軟件有不同的處理方式，超圖軟件以切片緩存的方式很好的解決了大數(shù)據(jù)量與用戶需求及時相應(yīng)的瓶頸。切片響應(yīng)的處理方式一般見于對影像圖片的處理，如Google影像等，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，其采用Web Mercator投影將全球數(shù)據(jù)分級切片，但對于DEM數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)量非常龐大，如何及時傳輸、及時響應(yīng)用戶地圖展示的需要，仍需要深入研究。超圖在此方面實現(xiàn)了類似的切片緩存處理并在軟件當(dāng)中將其實現(xiàn)，即將DEM也分割為小片，以四角坐標(biāo)將其顯示時于以拼接，其對硬件的需求可以滿足普通用戶的支撐能力。在SuperMap軟件中，DEM和遙感影像分別生成場景緩存和影像緩存，瀏覽時一起加載，使得中三角三維場景能夠立體出現(xiàn)，貼近實際。本文在地圖配準(zhǔn)中對于大數(shù)據(jù)DEM選取了近百個配準(zhǔn)點，以保證配準(zhǔn)效果的準(zhǔn)確性。

中三角旅游圖借助SuperMap、Photoshop等軟件，最終制作出中三角發(fā)展歷程圖、中三角三維旅游地圖、中三角衛(wèi)星影像圖等。各項地圖清晰展示了“中三角”旅游魅力，吸引廣大游客的關(guān)注，為觀光游客的旅行提供了極大的便利。景點名稱與圖片并存，交通路線也給游客提供更多路線的選擇，二三維結(jié)合給游客不一樣的視覺感受，游客可以借此從多方面、多角度認(rèn)識中三角、了解中三角，制圖部分結(jié)果如圖5所示。

6 數(shù)據(jù)分析

中三角三維地圖在聯(lián)想揚天電腦上進(jìn)行了測試，在沒有加載地形緩存數(shù)據(jù)時，其運行相對流暢，加載了地形數(shù)據(jù)之后，響應(yīng)速度有明顯變化，其單機版響應(yīng)效果內(nèi)部測試用戶滿意度估計約為0.7。這一結(jié)果相對于作者此前未利用緩存技術(shù)的響應(yīng)效果而言，已經(jīng)有了質(zhì)的變化，未利用緩存時，湖北、湖南、江西3個省份的DEM、影像同時顯示，同樣配置的機器，卡機現(xiàn)象非常明顯，單機版尚且如此，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的移動版就更難。在GIS領(lǐng)域，隨著高分辨率衛(wèi)星、航測技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，越來越多關(guān)于這個世界的細(xì)節(jié)信息被挖掘和保存到硬盤上。為了解決大數(shù)據(jù)及時響應(yīng)的瓶頸，使用分布式切片處理DEM、影像等數(shù)據(jù)是一個最簡單的選擇。

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