測量控制數(shù)據(jù)可視化管理與應用系統(tǒng)開發(fā)

劇成宇，師艷，高首都，孫步陽，張俊鵬

(1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007； 2.河南地礦職業(yè)學院，河南 鄭州 450007)

1 引 言

伴隨測繪地理信息生產(chǎn)部門生產(chǎn)項目的不斷累積，測量控制數(shù)據(jù)的數(shù)量和分布的范圍也在不斷增多。近年來由于測繪地理信息技術的飛速發(fā)展，這類數(shù)據(jù)數(shù)的數(shù)量也呈指數(shù)級別增長。測量控制數(shù)據(jù)是測繪地理信息行業(yè)的基礎數(shù)據(jù)，對測繪地理信息項目有著至關重要的作用，因此從行業(yè)現(xiàn)狀和行業(yè)需求等角度出發(fā)，對測量控制數(shù)據(jù)進行管理應用是必然要求。目前國內外學者對該領域都有了一些研究，但均未涉及可視化管理和坐標系統(tǒng)轉換及KML數(shù)據(jù)交換的應用上。賀愛民[1]開發(fā)了控制點管理系統(tǒng)，未實現(xiàn)可視化和KML交換文件等功能。楊曉彤[2]開發(fā)的控制數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了管理和一些應用功能，但均基于谷歌地圖API，已不符合目前行業(yè)發(fā)展需求[3]。

GDAL(Geospatial Data Abstraction Library，地理空間數(shù)據(jù)抽象庫)是一個在X/MIT許可協(xié)議下對空間數(shù)據(jù)進行轉換的開源類庫，提供對多種柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)格式的讀寫支持，提供空間參考以及坐標轉換的支持[4，5]。KML(Keyhole Markup Language，Keyhole標記語言)是一種基于XML語法與格式、用于描述和保存地理信息的編碼規(guī)范。為實現(xiàn)控制測量數(shù)據(jù)的可視化管理和坐標轉換應用，本文基于GDAL開發(fā)了一個測量控制數(shù)據(jù)可視化管理與應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了坐標系統(tǒng)轉換關系求取，同時支持KML數(shù)據(jù)交換文件的交互式操作。不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)意義上的控制點成果管理系統(tǒng)功能，同時基于地圖切片和KML數(shù)據(jù)交換文件對控制點的可視化管理和深度應用功能進行了開發(fā)，取得了一定的成果。

2 系統(tǒng)總體設計

測量控制數(shù)據(jù)的內容包括以下內容：

①各種橢球基準的坐標數(shù)據(jù)；

②控制點點之記文檔；

③控制點信息，包含工程負責人、概略經(jīng)緯度、坐標系統(tǒng)信息等。

系統(tǒng)整體架構基于GDAL類庫進行開發(fā)，實現(xiàn)測量控制數(shù)據(jù)可視化管理、坐標系統(tǒng)轉換和KML數(shù)據(jù)文件的交互式操作[5]。系統(tǒng)開發(fā)的關鍵是基于GDAL的本地柵格和矢量數(shù)據(jù)處理、控制數(shù)據(jù)加密處理、坐標轉換和數(shù)據(jù)交換功能。

系統(tǒng)總體設計如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設計方案

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)管理

(1)可視化管理

系統(tǒng)采用C/S結構開發(fā)，引入GDAL類庫對衛(wèi)星影像柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)(公開的行政界線和路網(wǎng)數(shù)據(jù))進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的可視化界面[6]。系統(tǒng)運行時為本地單機版運行，同時將控制數(shù)據(jù)的坐標轉換至火星坐標系(GCJ-02)，在可視化管理的基礎上保證了數(shù)據(jù)的安全，如圖2所示。

圖2 控制數(shù)據(jù)可視化管理

(2)數(shù)據(jù)加密

將已有的測量控制數(shù)據(jù)通過DES(Data Encryption Standard，數(shù)據(jù)加密標準)加密算法進行加密，并處理為二進制格式文件，確?？刂茢?shù)據(jù)的安全性；同時在系統(tǒng)中使用DES解密算法對數(shù)據(jù)進行解密，保證在系統(tǒng)中取得相應權限的用戶可以獲取控制數(shù)據(jù)的詳細信息[7]。

(3)數(shù)據(jù)交換

通過調用GDAL接口和使用KML數(shù)據(jù)交換功能，將控制數(shù)據(jù)以標注形式顯示在可視化界面上，鼠標單擊時顯示標注信息窗口，向用戶顯示該控制點的屬性信息。

(4)數(shù)據(jù)庫管理

系統(tǒng)開發(fā)了控制數(shù)據(jù)更新和檢測功能，可實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的實時更新，同時在更新時進行數(shù)據(jù)合法性檢查，保證錄入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)的正確性。

系統(tǒng)開發(fā)了控制數(shù)據(jù)查詢下載功能(圖3、圖4)，用戶可根據(jù)控制點的點號、投影帶、距離范圍以及人員、工程屬地等屬性進行數(shù)據(jù)查詢，當取得下載權限之后可將查詢到的數(shù)據(jù)下載，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，并結合工程生產(chǎn)實際，將單次控制數(shù)據(jù)的下載數(shù)量限制為10個。

圖3 數(shù)據(jù)查詢

圖4 數(shù)據(jù)下載

3.2 數(shù)據(jù)應用

(1)坐標系統(tǒng)轉換

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能將測量控制數(shù)據(jù)以標注的形式顯示在可視化界面中，用戶將待求點導入可視化界面，根據(jù)控制點和待求點的空間位置關系選擇坐標轉換的控制點，實現(xiàn)轉換結果的最優(yōu)解[8，9]。坐標轉換控制點選取的操作如圖5所示。

圖5 基于可視化界面的坐標轉換控制點選取

本系統(tǒng)提供的坐標轉換類型有：

①不同橢球基準的平面坐標系統(tǒng)轉換(四參數(shù))；

②不同橢球基準的大地坐標和平面坐標轉換(七參數(shù))；

③使用數(shù)據(jù)交換文件進行坐標轉換(四參數(shù)和七參數(shù))

④高斯正反算；

⑤高斯投影換帶計算。

①和②需要使用控制數(shù)據(jù)首先計算坐標轉換參數(shù)，使用的控制數(shù)據(jù)就是上一步在可視化界面中依據(jù)空間關系選取的[8]。

③中的KML文件指的是帶有工地校準功能的測量軟件生成的KML文件，該文件中包括各個點的工地校準所使用的兩套坐標，可以作為該區(qū)域進行坐標轉換的控制數(shù)據(jù)，但在使用該功能之前，應明確KML覆蓋區(qū)域和待求點的相對空間關系。

①、②和③提供的坐標轉換功能中涉及高程擬合時均采用顧及了空間相關性的克里格插值算法，可獲得較高精度的坐標轉換關系。

④和⑤是根據(jù)用戶需求，結合高斯正反算算法進行地理坐標和投影坐標的相互轉換。

上述坐標系統(tǒng)功能輸出的結果文件信息包括：控制數(shù)據(jù)、坐標轉換種類、轉換殘差、校測誤差、源坐標、轉換結果和KML文件等。

(2)KML數(shù)據(jù)交換

KML文件給測繪地理信息行業(yè)的內外業(yè)工作帶來了極大的便利，尤其在外業(yè)工作中結合導航電子設備可最大限度地發(fā)揮該文件類型的優(yōu)勢。KML文件支持質心坐標系，使用2000國家大地坐標系可滿足測量外業(yè)工作需求。

本文通過研究KML文件的編碼規(guī)則和文件格式，在系統(tǒng)中實現(xiàn)了KML文件的生成，從KML文件中提取路徑和標注等圖元類型，提取坐標等功能。

KML文件生成功能的導入數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)應為WGS84坐標系或者2000國家大地坐標系。

KML文件生成功能提供了路徑和標注點兩種KML文件的功能，輸入數(shù)據(jù)為各個節(jié)點的質心坐標系的地理坐標。如圖6所示，其中標注是將輸入的點制作為單個的標注點，路徑是將輸入點按照輸入順序連接成一條路徑，同時二者也可結合，給用戶提供了個性化的操作功能。

圖6 KML文件生成

KML文件提取功能是從KML文件中提取出標注和路徑等圖元信息，同時提取出圖元類型對應的坐標信息。

4 應用實例

本系統(tǒng)提供的測繪控制數(shù)據(jù)管理應用系統(tǒng)是基于中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司實際生產(chǎn)情況開發(fā)的，為中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司的勘測設計工作服務，提供的功能在勘測設計可行性研究、初步設計和施工圖及竣工圖等階段都起到了重要的作用。

在電力工程勘測設計的可行性研究和初步設計階段，工作人員在三維地理信息系統(tǒng)中進行站址和路徑規(guī)劃，使用本系統(tǒng)的坐標轉換功能可將規(guī)劃設計數(shù)據(jù)與國土等部門的數(shù)據(jù)進行銜接，減少了重復工作，提升了設計工作效率。

在新能源工程中，前期大區(qū)域規(guī)劃工作中涉及多個部門不同時期、不同類型、不同坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖件，需要使用本系統(tǒng)提供控制數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)整合到同一坐標系統(tǒng)的同一張圖上，為后續(xù)的各項工作奠定了堅實的基礎。同時在新能源項目的各個設計階段，涉及多次各種類型的坐標轉換，本系統(tǒng)提供的功能均可滿足要求。

5 結論與展望

測繪控制數(shù)據(jù)管理應用系統(tǒng)基于GDAL庫進行可視化數(shù)據(jù)管理，為了數(shù)據(jù)安全，對數(shù)據(jù)進行加密和解密編碼，同時提供了坐標轉換和KML文件交互操作功能。

系統(tǒng)的可視化功能采用本地柵格和矢量數(shù)據(jù)作為底圖，無須接入互聯(lián)網(wǎng)電子地圖，保證數(shù)據(jù)安全的同時也增強了系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)在工程勘測設計的各個階段可提供多種測繪地理信息專業(yè)服務，實現(xiàn)了測繪控制數(shù)據(jù)管理的同時，也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的深化應用，提升了測繪地理信息專業(yè)在工程勘測設計領域的技術水平和工作深度。