郝長(zhǎng)春，鄭攀攀

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)分院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，如何快速的測(cè)繪滿足工程要求的地形圖一直以來都是測(cè)繪行業(yè)研究的重要課題。地形圖測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展使測(cè)繪手段不斷更新，從全站儀配合電子平板模式、GPS-RTK 配合草圖模式、大型航空攝影模式，到低空無人機(jī)模式。針對(duì)使用頻率高、更新速度快、植被覆蓋率低、資金投入少的小區(qū)域地形測(cè)繪，上述方法均有不足之處。探尋采用高清高分辨率的Google Maps 衛(wèi)星影像結(jié)合GPS-RTK 及CASS9.0 技術(shù)解決小區(qū)域大比例尺地形測(cè)繪的方法，能有效的降低生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率，加快地形圖的更新速度。

1 Google Maps 和南方 CASS9.0 技術(shù)

1.1 Google Maps 技術(shù)

衛(wèi)星地圖又稱衛(wèi)星遙感地圖，是通過衛(wèi)星在太空中探測(cè)地表物體的電磁波，從中提取物體的位置、幾何形狀及部分屬性信息，再將這些信息通過轉(zhuǎn)換、識(shí)別，得到對(duì)應(yīng)物體的圖像，即衛(wèi)星地圖[1]。Google Maps 是 Google 公司在 2005 年推出的電子地圖產(chǎn)品，能提供不同分辨率的衛(wèi)星影像[2]。與傳統(tǒng)地圖不同，衛(wèi)星地圖是以衛(wèi)星為媒介，向用戶及時(shí)反饋地球表面真實(shí)面貌的圖像，具有更強(qiáng)的時(shí)效性、直觀性和更高的精確度。Google 衛(wèi)星影像地圖為WGS84 大地坐標(biāo)系，分辨率0.5 m～10 m，可以下載1～19 級(jí)的各種影像，高清影像的精度達(dá)到0.5 m[3]。衛(wèi)星地圖還具有更新速度快的特點(diǎn)，Google Maps 區(qū)域地圖每一個(gè)季度更新一次，全球地圖每18 個(gè)月跟新一次，在線衛(wèi)星地圖每天更新一次，每季度全部跟新一次，非常適合于地形圖的調(diào)繪和更新。

1.2 南方CASS9.0 技術(shù)

CASS9.0 是廣東南方數(shù)碼科技股份公司2018 年全新發(fā)布的地籍地形成圖軟件，是基于全球公認(rèn)的最優(yōu)秀的圖形與設(shè)計(jì)平臺(tái)AutoCAD 軟件的基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)完成的[4]。針對(duì)柵格圖像，南方CASS 提供了圖像的插入、糾正、裁剪等諸多功能。本文將基于南方CASS 在柵格圖像處理方面的技術(shù)支持，討論Google 影像在地形測(cè)繪中的應(yīng)用。

2 Google Maps 影像與南方CASS9.0 技術(shù)的結(jié)合

2.1 Google Maps 影像的獲取

根據(jù)測(cè)繪工程項(xiàng)目的特點(diǎn)和要求從Google 衛(wèi)星影像客服端下載相應(yīng)級(jí)別和范圍的影像。以成都水經(jīng)注信息科技有限公司推出的水經(jīng)注萬能地圖下載器為例，該軟件是基于谷歌、天地圖等數(shù)十種地圖服務(wù)器的多線程衛(wèi)星地圖下載器。通過該下載器可以實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)規(guī)劃(在線規(guī)劃或者導(dǎo)入下載范圍)、中央經(jīng)線設(shè)置、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算(WGS-84 與國家坐標(biāo)系之間的七參數(shù))、影像級(jí)別選擇、自動(dòng)下載拼接等功能完成影像圖的下載工作[5]。影像在拼接導(dǎo)出的過程中有多中影像格式可供選擇，如GeoTIF、GeoJPG、PNG 等。隨同影像一起下載的還有.TXT 格式的WGS-84 大地坐標(biāo)文件，如圖1，它是影像所在矩形邊框4個(gè)拐角的坐標(biāo)(通常為十進(jìn)制格式)。通過七參數(shù)投影轉(zhuǎn)換，可將WGS-84 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國家標(biāo)準(zhǔn)的高斯平面直角坐標(biāo)，如圖2，該成果可以用于后期圖像的糾正。

圖1

圖2

2.2 在CASS9.0 中加載衛(wèi)星影像

南方CASS9.0 不但具有地形成圖、地籍成圖、工程測(cè)量等強(qiáng)大功能，而且還提供了柵格影像的處理功能。影像加載的基本步驟如下[6]，如圖3。

（1）打開CASS9.0 的繪圖桌面，按照工程要求在“繪圖處理”中設(shè)置作業(yè)區(qū)域的比例尺。

（2）通過“繪圖處理”中的“展野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)”將影像4 個(gè)拐角的高斯平面直角坐標(biāo)和采集的野外地物平面特征點(diǎn)展繪在繪圖區(qū)，作為影像糾正的依據(jù)和檢驗(yàn)點(diǎn)，如圖4。

圖3

圖4

（3）在“工具”中選擇“光柵圖像”，點(diǎn)擊“插入圖像”，打開“圖像管理器”，單擊“附著”，找到影像所在的位置，加載“.tif”格式的影像，進(jìn)入“圖像”對(duì)話框，勾選“插入點(diǎn)”和“縮放比例”，點(diǎn)擊“確定”進(jìn)入繪圖區(qū)域，在影像拐點(diǎn)和野外采集的特征點(diǎn)附近任意選擇影像的插入點(diǎn)和縮放比例。

2.3 基于CASS9.0 的衛(wèi)星圖像糾正

根據(jù)影像拐點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)(GJ+序號(hào))和野外采集的平面特征點(diǎn)坐標(biāo)(JZ+序號(hào))，對(duì)插入的Google 衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正，使影像上地物的位置和幾何形狀與實(shí)際趨于一致，使平面精度達(dá)到地形測(cè)繪的要求。

（1）進(jìn)入“工具”，“光柵圖像”，選擇“圖像糾正”，根據(jù)提示選取要糾正的圖像，進(jìn)入“圖像糾正”對(duì)話框。

（2）在“圖像糾正”對(duì)話框的“圖面”項(xiàng)，點(diǎn)擊“拾取”，選取影像邊框左上角拐點(diǎn)的坐標(biāo)，再在“圖像糾正”對(duì)話框的“實(shí)際”項(xiàng)，點(diǎn)擊“拾取”，選取影像邊框左上角對(duì)應(yīng)的GJ1 點(diǎn)的高斯平面直角坐標(biāo)，最后點(diǎn)擊“添加”，將該組點(diǎn)添加到“已采集控制點(diǎn)”的列表里。以此類推，將其余組的拐角點(diǎn)加入到“已采集控制點(diǎn)”列表里面。

（3）針對(duì)野外采集的平面特征點(diǎn)，拾取圖面坐標(biāo)時(shí)，只需將衛(wèi)星影像適當(dāng)放大，找到野外采集時(shí)特征點(diǎn)的平面位置，拾取該點(diǎn)圖面坐標(biāo)?！皩?shí)際”坐標(biāo)即是野外實(shí)地采集的特征點(diǎn)的坐標(biāo)，如JZ1 等，以此類推，加載剩余野外控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

（4）糾正方法包括赫爾默特法、仿射變換、線性變換、二次變換、三次變換，其中赫爾默特要求至少3 個(gè)控制點(diǎn)，仿射變換至少4 個(gè)控制點(diǎn)，線性變換至少5 個(gè)控制點(diǎn)，二次變換至少7 個(gè)控制點(diǎn)，三次變換至少11 個(gè)控制點(diǎn)，這些方法均包括1 個(gè)多余控制點(diǎn)。在實(shí)際工作中可根據(jù)控制點(diǎn)情況進(jìn)行選擇。

（5）“誤差”主要是給出圖像糾正的精度。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

為了保障安徽段淮河在汛期的行洪安全，現(xiàn)對(duì)該段的保莊圩堤防的達(dá)標(biāo)進(jìn)行勘測(cè)。胡姚保莊圩是其中的一個(gè)圩子，因現(xiàn)有基礎(chǔ)資料缺乏，相關(guān)地形、地貌資料不足，為滿足本工程科研報(bào)告設(shè)計(jì)需要，要對(duì)該圩的堤防進(jìn)行測(cè)量，提供工程需要的1∶2000 地形圖。目前收集到的資料主要是該圩2005 年的1∶5000 竣工數(shù)字化地形圖，坐標(biāo)系為1954 北京坐標(biāo)系。由于該資料年代較久，現(xiàn)時(shí)性差，成圖不夠規(guī)范，根據(jù)工程需要，擬采用衛(wèi)星影像為底圖，對(duì)原有地形圖進(jìn)行修測(cè)。

3.2 影像加載精度分析

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍應(yīng)用谷歌衛(wèi)星地圖下載器X2 下載測(cè)區(qū)衛(wèi)星影像及影像4 個(gè)拐角WGS84 坐標(biāo)，通過測(cè)區(qū)的布爾莎七參數(shù)模型，將其轉(zhuǎn)換為測(cè)區(qū)1954 北京坐標(biāo)系。在野外，應(yīng)用GPS-RTK 連接省CORS 系統(tǒng)，設(shè)置好測(cè)區(qū)七參數(shù)，采集測(cè)區(qū)影像范圍內(nèi)清晰明顯的平面特征點(diǎn)，如低矮的房角，圍墻拐角，水泥地拐角等。從中選取8 個(gè)控制點(diǎn)用于衛(wèi)星影像的糾正，其中包括4 個(gè)影像拐角點(diǎn)和4 個(gè)實(shí)測(cè)平面特征點(diǎn)，采用二次變換的方法進(jìn)行糾正，糾正誤差均為0，滿足糾正要求，如表1，圖5 和圖6。

表1 衛(wèi)星影像糾正點(diǎn)

圖5

首先將收集到的數(shù)字化地形圖與糾正好的衛(wèi)星影像圖進(jìn)行融合疊加。對(duì)照影像圖，對(duì)發(fā)生變化的地圖部分進(jìn)行內(nèi)業(yè)修測(cè)。對(duì)修測(cè)好的地形圖進(jìn)行打印，并進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，高程采取全外業(yè)模式。為了檢驗(yàn)修測(cè)部分地形圖的平面精度，采用GPS-RTK 進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，采集的平面位置檢驗(yàn)點(diǎn)，如表2。

根據(jù)下面公式計(jì)算地形圖的地物點(diǎn)平面位置中誤差:

由公式計(jì)算得到點(diǎn)位中誤差為m=1.53 m。參照航空攝影測(cè)量規(guī)范GB-T 15967-2008 相關(guān)規(guī)定，如表3，可知1∶2000平地、丘陵地地物點(diǎn)的允許誤差為±2.4 m。因此該地形圖的平面位置精度滿足規(guī)范要求。該方法可以用于簡(jiǎn)單地形的地形圖測(cè)繪。

圖6

表3 物點(diǎn)相對(duì)于最近控制點(diǎn)的圖上點(diǎn)位中誤差 單位：mm

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星影像的分辨率在提高，更新速度在加快。研究利用衛(wèi)星影像結(jié)合CASS 技術(shù)進(jìn)行成圖的方法具有一定的意義，它具有投入成本低，技術(shù)簡(jiǎn)單，便于掌握等特點(diǎn)，在地形測(cè)繪、道路規(guī)劃設(shè)計(jì)、導(dǎo)航、工程選址等行業(yè)和領(lǐng)域得到應(yīng)用。在采用該方法進(jìn)行地形測(cè)繪，主要從以下幾個(gè)方面提高地形圖的平面精度：

（1）下載分辨率足夠高，足夠清晰的衛(wèi)星影像；

表2 平面位置檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)

（2）衛(wèi)星影像4 個(gè)拐角的原始WGS84 坐標(biāo)的精度，轉(zhuǎn)換模型的算法；

（3）選擇影像上清晰的地物的拐角，盡量選擇沒有高度的地物，如道路拐角、球場(chǎng)拐角、圍墻拐角等；

（4）實(shí)測(cè)地物平面特征點(diǎn)的數(shù)量和分布，數(shù)量足夠，分布要均勻。