王玉龍，楊昕，李錦

(河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島 066001)

1 引言

隨著“3S”技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，包括地圖制圖在內(nèi)的諸多測(cè)量技術(shù)和方法都發(fā)生了極大的變化。尤其是近年來(lái)通過運(yùn)用軟件對(duì)現(xiàn)有地形圖、遙感影像進(jìn)行掃描矢量化的圖形處理技術(shù)正在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域迅猛發(fā)展。

Google Earth(簡(jiǎn)稱GE)是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上［1］。GE采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS－84坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為WGS－84橢球的大地高，在GE中隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)相應(yīng)點(diǎn)位的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程會(huì)實(shí)時(shí)顯示在GE窗口下側(cè)的狀態(tài)欄上。

本文以制作某地的礦業(yè)權(quán)分布圖為例，介紹了如何在Google Earth的高分辨率衛(wèi)星影像和航片上矢量化，從中提取用戶需要的相關(guān)地圖要素并以KML文件格式存儲(chǔ)，然后配合ArcGIS等其他GIS軟件編輯成圖的方法。

2 Google Earth和KML簡(jiǎn)介

Google Earth是Google公司2005年6月向全球推出的免費(fèi)的衛(wèi)星影像軟件［2］，通過網(wǎng)絡(luò)可訪問包含航空與衛(wèi)星圖片的海量數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取和判讀、標(biāo)注感興趣的已知地域上的地物、地貌等實(shí)時(shí)地理信息。

Google Earth的影像主要來(lái)自Quick Bird商業(yè)衛(wèi)星(衛(wèi)片)和Blue Sky、Sanborn等公司(航片)。針對(duì)不同的地域，衛(wèi)星影像的分辨率各不相同，0.15 m～2 m至幾十米等，重要城市分辨率高，無(wú)人區(qū)分辨率低［4］。這些大量以免費(fèi)方式發(fā)布的衛(wèi)星影像和眾多的用戶上傳添加的地標(biāo)、航跡、KML地圖、地貌景觀圖像，共同組成了一個(gè)巨大的多維地理信息系統(tǒng)［5］，從而為全世界的廣大用戶提供了豐富、準(zhǔn)確、快捷、免費(fèi)的地理信息獲取渠道。

KML全稱是Keyhole Markup Language。通俗地講就是一種文件格式，用于描述和保存地理信息(如點(diǎn)、線、圖像、多邊形和3D模型等)。2008年4月16日，Google將KML開放了，使得它正式成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。用Google的話來(lái)說，KML成為地理標(biāo)準(zhǔn)信息的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，就像互聯(lián)網(wǎng)上的HTML標(biāo)準(zhǔn)一樣［3］。

KML文件就是一種在Google地圖瀏覽器中用于交換地理數(shù)據(jù)的文件。它基于XML，并定義了一些TAG用于規(guī)定地理數(shù)據(jù)的顯示方式［3］。KML文件可以直接或間接導(dǎo)入到ArcGIS、MapInfo等GIS軟件中顯示并編輯。

3 在Google Earth上矢量化地圖要素后導(dǎo)入ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

為了滿足國(guó)土礦山資源管理需要，冀東Z市國(guó)土資源局委托我單位制作1∶5萬(wàn)比例尺的Z市礦業(yè)權(quán)分布圖，要求坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，規(guī)定圖上必須表示出各個(gè)礦權(quán)的礦證范圍、礦權(quán)名稱及許可證號(hào)，另外還要表示其他基本地理、人文要素，比如公路、鐵路、水系、各級(jí)行政界線以及居民地等，為下一步建立該市的礦山管理GIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

目前我們具備的資料有:Z市2009年礦業(yè)權(quán)核查數(shù)據(jù)庫(kù)，里面包含了與礦權(quán)相關(guān)的各項(xiàng)信息;部分Z市一帶的1∶1萬(wàn)和1∶5萬(wàn)比例尺地形圖，但是由于這些圖紙成圖日期均在上世紀(jì)六、七十年代，現(xiàn)勢(shì)性較差，并且沒有全部覆蓋Z市范圍，所以可利用價(jià)值不大;另外還有一份已轉(zhuǎn)換到WGS－84坐標(biāo)系的AutoCAD DWG格式Z市行政界線圖可以利用。

由此可見本項(xiàng)工作的重點(diǎn)就在于怎樣在有限的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)條件下，快速、準(zhǔn)確地獲取除礦山以外的其他地理信息要素。解決此類問題我們通常的做法有兩種:一是野外實(shí)測(cè)，但是由于甲方工期要求很緊，并且投入的經(jīng)費(fèi)有限，所以野外實(shí)測(cè)的方法就不予考慮了。第二種方法是圖形矢量化。以往做矢量化工作基本都是在已有地形圖上進(jìn)行的，但是本項(xiàng)目中收集到的地形圖年代過于久遠(yuǎn)，許多近年修建的公路、鐵路都沒有表示，所以利用價(jià)值也不大，只有采用其他可行的解決方法。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)于Google Earth在各行業(yè)的應(yīng)用研究方興未艾，尤其在地理信息和測(cè)繪方面更是如火如荼。在查閱了大量相關(guān)的論文、案例后，我們最終決定在Google Earth上完成矢量化工作。主要原因有以下幾個(gè)方面:首先是根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)Z市范圍內(nèi)的Google Earth影像圖拍攝日期基本都在2006年以后，現(xiàn)勢(shì)性較好;另外這一帶影像分辨率較高，各種主要道路、河流、居民地輪廓清晰，容易識(shí)別;還有就是在Google Earth上完成的矢量化數(shù)據(jù)(包括地理坐標(biāo)和其他屬性信息)都可以存儲(chǔ)為KML文件，而KML因其開放性和良好的兼容性正逐漸成為一種國(guó)際通用的地理信息標(biāo)準(zhǔn)，KML文件格式可以被大多數(shù)常用的GIS軟件認(rèn)可和接受。

(1)作業(yè)流程

本文中使用的軟件有:①Google Earth Plus 5.0;②ArcGIS Desktop 9.3 SP1;③AutoCAD 2006中文版

由于篇幅限制，本文只討論與矢量化數(shù)據(jù)處理相關(guān)的內(nèi)容，具體工作流程如圖1所示。

圖1 矢量化流程

(2)具體步驟

①在ArcGIS 9.3中加載AutoCAD DWG格式的Z市行政界線文件，利用ArcToolbox的轉(zhuǎn)換工具將圖層輸出為KML文件，如圖2所示。

圖2 行政界線輸出為KML文件

②啟動(dòng)Google Earth，在“文件”菜單項(xiàng)下點(diǎn)擊“打開”，然后在瀏覽對(duì)話框中選擇剛剛保存的“Z市行政界線.KML”文件，這樣各級(jí)行政界線便按照其經(jīng)緯度坐標(biāo)值顯示在GE影像的相應(yīng)位置上，從而為接下來(lái)的地物矢量化工作提供參考邊界，做到不遺不漏。

開始矢量化之前首先在GE的“我的位置”下新建文件夾并命名為“Z市制圖要素矢量化”，接著在此文件夾內(nèi)依次新建文件夾若干并按實(shí)際需要分別命名為“道路”、“水系”、“居民地”等，后續(xù)的矢量化工作分別在對(duì)應(yīng)的各個(gè)文件夾下進(jìn)行。

以矢量化道路為例:單擊Google Earth左側(cè)側(cè)欄“位置”框中“Z市制圖要素矢量化”下的“道路”文件夾，然后點(diǎn)擊上方工具欄的“添加路徑”按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)話框中“名稱”一欄里輸入道路的名稱，接著轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)的滾輪將視點(diǎn)調(diào)整到適當(dāng)?shù)母叨?以能清晰分辨出影像上道路輪廓為宜)，從這條道路的端點(diǎn)或者與其他地物的交點(diǎn)開始沿著道路邊線或者中心線(視道路的寬窄而定)的各個(gè)拐點(diǎn)逐點(diǎn)矢量化，盡量保證矢量化出的線條與影像圖相吻合，一條路畫完后點(diǎn)擊對(duì)話窗口中的“確定”按鈕，數(shù)據(jù)便被保存到了“道路”目錄下，如圖3所示。

圖3 在Google Earth中矢量化

矢量化工作結(jié)束后，在側(cè)欄“位置”框中“Z市制圖要素矢量化”文件夾上點(diǎn)右鍵，在彈出菜單中單擊“將位置另存為”給導(dǎo)出的KML文件命名并保存。

③打開ArcGIS 9.3，添加上面第二步保存的KML文件。由于Google Earth中采用的是WGS－84坐標(biāo)系［6］，而最終成果要求是1980西安坐標(biāo)系，所以在ArcGIS中必須對(duì)加載的KML文件數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換。需要說明的是七參數(shù)必須事先計(jì)算出來(lái)，我們的做法是搜集均勻分布于Z市區(qū)域內(nèi)的5個(gè)(要求至少3個(gè))C級(jí)GPS控制點(diǎn)的WGS－84和1980西安坐標(biāo)，然后利用MapGIS軟件功能計(jì)算出Z市WGS－84坐標(biāo)系到西安坐標(biāo)系的布爾莎七參數(shù)，

接下來(lái)的操作過程分兩步:

第一步:首先定義地理轉(zhuǎn)換的方法，在Arctoolbox中打開Create Custom Geographic Transformation工具，在彈出的窗口中，輸入一個(gè)地理變換的名字，比如“Z市WGS－84ToXA80”，接著在自定義地理轉(zhuǎn)換的“方法”中選擇COORDINATE_FRAME，也就是七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法。依次輸入3個(gè)平移參數(shù)(單位:m)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(以秒為單位)和1個(gè)比例因子(單位ppm)，如圖4所示。

圖4 定義投影變換參數(shù)

圖5 圖形要素投影變換

第二步:將數(shù)據(jù)要素進(jìn)行投影變換。在Arctoolbox工具箱中打開Projections and Transformations＞Feature＞Project，在彈出的窗口中輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以及輸出文件名和輸出坐標(biāo)系，地理變換方法選擇在第一步中定義的“Z市WGS－84ToXA80”，點(diǎn)擊“確定”，完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

(4)接下來(lái)的工作就是在ArcGIS中進(jìn)行制圖要素的編輯、屬性添加、圖面整飾等常規(guī)作業(yè)手段，由于不是本文重點(diǎn)，在此不再贅敘。

3.3 精度分析與總結(jié)

直接在Google Earth上完成矢量化對(duì)于我單位來(lái)說是一種全新的工作方法，為了檢驗(yàn)成果精度，我們特意在Google Earth上的作業(yè)區(qū)域內(nèi)選定了一些輪廓清晰的房角、電桿等地物，精確記錄其位置坐標(biāo)，然后使用GPS RTK到實(shí)地對(duì)上述點(diǎn)位進(jìn)行量測(cè)，經(jīng)對(duì)比統(tǒng)計(jì)，兩者坐標(biāo)相差一般都在±5 m以內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)最大相差不超過±10 m，精度優(yōu)于1∶5萬(wàn)比例尺地形圖編繪規(guī)范中要求圖上地物點(diǎn)平面位置中誤差小于等于圖上0.5 mm的規(guī)定。

與此同時(shí)我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在Google Earth進(jìn)行矢量化工作的局限性。

首先Google Earth的高程精度遠(yuǎn)沒有它的平面精度高，并且其WGS－84橢球高程無(wú)法在室內(nèi)條件下準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換到我們常用的高程系統(tǒng)，所以本方法只適用于平面地理要素的采集。

另外由于Google Earth到目前為止在我國(guó)大部分區(qū)域的影像分辨率較低，遠(yuǎn)沒有達(dá)到其在歐美國(guó)家大中城市的1 m分辨率水平，所以上述作業(yè)方法在現(xiàn)階段僅限于制作中小比例尺地圖時(shí)使用。

還有就是從GE上矢量化出的地圖要素均為WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)，要想精確地轉(zhuǎn)換到用戶坐標(biāo)系統(tǒng)就需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換參數(shù)，也就是通常說的七參數(shù)，即3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)比例縮放因子，而目前在我國(guó)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)屬于秘密資料是不對(duì)外公開的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本文中的實(shí)例證明，在制作1∶5萬(wàn)或者更小比例尺專題地圖時(shí)，我們完全可以在Google Earth上完成地理要素的矢量化工作，從而免去了大量的外業(yè)工作，最終節(jié)省人力、物力，極大地提高了工作效率。

［1］顧有兵.基于Google Earth的測(cè)繪資料查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2010(3):52～53.

［2］金永福，郭偉其，蘇誠(chéng).基于Google Earth的海域使用管理信息系統(tǒng)應(yīng)用 Ⅰ、瀏覽顯示篇［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2008(5):513～516.

［3］劉珍，劉建勛.淺談Google Earth二次開發(fā)技術(shù)［J］.地理空間信息，2009(4):72～74.

［4］李云星.基于Google Earth的測(cè)量控制點(diǎn)非涉密信息集成與應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2009(5):98～99.

［5］韓皓.Google Earth在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)前期工作中的應(yīng)用［J］.鐵道勘察，2010(1):9～11.

［6］錢李進(jìn).基于Google Earth的三維動(dòng)畫在道路工程中的應(yīng)用研究［DB/OL］.中國(guó)科技論文在線精品論文，2011，4(12):1127～1130.