楊進(jìn)功

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

Google Earth衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

楊進(jìn)功

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

針對(duì)目前鐵路勘察設(shè)計(jì)前期階段線(xiàn)路方案所采用的小比例尺地圖陳舊,新增地面建筑物缺失,對(duì)線(xiàn)路走向影響大;數(shù)字化程度低,人工獲取地面高程數(shù)據(jù)效率低等問(wèn)題,提出基于Google Earth平臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速下載地圖、自動(dòng)拼接成線(xiàn)路帶狀圖和自動(dòng)批量提取線(xiàn)路縱、橫斷面地面高程數(shù)據(jù)的方法,并采用VC++和Google Earth的COM API函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),介紹該方法的實(shí)現(xiàn)原理及算法,結(jié)合工程實(shí)例分析該方法的可靠性及高效性,為鐵路前期研究選線(xiàn)設(shè)計(jì)提供一種良好的便捷方法。

Google Earth;鐵路勘察設(shè)計(jì);帶狀地圖;高程數(shù)據(jù);坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;算法

1 概述

我國(guó)鐵路勘察設(shè)計(jì)所涉及的范圍廣、線(xiàn)路長(zhǎng),特別是在預(yù)可研設(shè)計(jì)階段,往往需要在大量的小比例尺地圖上進(jìn)行選線(xiàn)和方案比選工作。目前,小比例尺數(shù)字化地形圖的應(yīng)用還不普及,仍然以紙質(zhì)版地圖為主,而該地圖又往往因其繪制年代久遠(yuǎn),缺失較新的城市建筑、高速公路、鐵路網(wǎng)等構(gòu)筑物,這給鐵路前期勘察設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不便。Google Earth近年來(lái)發(fā)展迅速,其提供的衛(wèi)星地圖影像和數(shù)字高程信息不僅更新速度快、地理信息種類(lèi)多、成圖年代晚,還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)二次開(kāi)發(fā),快速下載地圖和自動(dòng)提取高程信息。

Google Earth(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GE”)是一款Google公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球儀軟件,它將TB級(jí)的海量衛(wèi)星影像圖布置于一個(gè)圓球體模型上,并同步提供地形三維數(shù)字高程信息(Digital Altitude Model,簡(jiǎn)稱(chēng)“DEM”)給用戶(hù)免費(fèi)使用,其數(shù)據(jù)來(lái)源是衛(wèi)星影像與航拍、航測(cè)數(shù)據(jù)的整合體。只要下載一款GE軟件便可查看全球每個(gè)角落的衛(wèi)星地圖和三維數(shù)字信息,包括地面高程信息等。

為了快速、靈活地獲取適合我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)習(xí)慣所需的帶狀地圖和線(xiàn)路逐樁地面高程數(shù)據(jù),筆者用VC++和GE COM API函數(shù)編寫(xiě)了基于GE的帶狀地圖快速下載和中樁高程數(shù)據(jù)提取程序,從而實(shí)現(xiàn)了批量、便捷的構(gòu)建鐵路帶狀地圖和自動(dòng)獲取高程數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)需要,對(duì)加快鐵路勘察設(shè)計(jì)具有重要的意義。

2 GE衛(wèi)星地圖精度及鐵路設(shè)計(jì)對(duì)高程數(shù)據(jù)的精度要求

2.1 GE衛(wèi)星影像地圖精度

GE提供的全球基本衛(wèi)星影像地圖平面分辨率有SRTM1和SRTM3兩種。SRTM1為30 m,即寬度為30 m的物品在影像圖上僅為一個(gè)像素點(diǎn);SRTM3為90 m(每個(gè)90 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)是由9個(gè)30 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)算術(shù)平均得來(lái)的[3])。但針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域會(huì)提供分辨率為0.5～2 m[3]的更高精度影像(如快鳥(niǎo)二代提供的衛(wèi)星影像圖),視點(diǎn)高度為500 m左右,即在此視高下,可以分辨出地圖上的人影圖像、鐵路軌道及道路上箭頭標(biāo)線(xiàn)等圖像元素。

2.2 GE DEM高程信息精度

DEM數(shù)據(jù)的采集一般依靠衛(wèi)星或飛機(jī),通過(guò)其機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)裝置、激光測(cè)距儀等[2]設(shè)備,并結(jié)合GPS地面控制點(diǎn)來(lái)生成等高線(xiàn)圖。配合SRTM1和SRTM3的高程數(shù)據(jù)精度一般為4～16 m,配合高精度影像的DEM數(shù)據(jù)精度可達(dá)1～2 m級(jí)。

2.3 鐵路設(shè)計(jì)對(duì)高程數(shù)據(jù)的精度要求

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中,隨設(shè)計(jì)階段的不同對(duì)地面高程數(shù)據(jù)的精度要求不同,在預(yù)可研階段,一般采用1∶10萬(wàn)、1∶5萬(wàn)和1∶1萬(wàn)的地圖,其高程精度要求依等高距的疏密分別為10 m、5 m和2 m[11,12]。

3 GE衛(wèi)星地圖分級(jí)顯示與DEM數(shù)據(jù)的關(guān)系

GE軟件衛(wèi)星地圖影像圖采用“金字塔”式圖片分級(jí)存儲(chǔ)方式(圖1,圖2),且位于金字塔底部的圖片,地物最為清晰。全球地圖每一級(jí)由2n×2n(0≤n≤23)張圖片組成,最頂端為一張全球展開(kāi)圖(圖3)。

GE采用衛(wèi)星地圖圖片和與圖片相關(guān)聯(lián)DEM信息同步下載和計(jì)算顯示的方式工作。根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的視點(diǎn)高度(Eye Alt),GE按需下載恰當(dāng)級(jí)別的圖像,以圓球體模型無(wú)縫銜接后顯示于用戶(hù)計(jì)算機(jī)屏幕上(圖4)。GE地圖視窗(Render Window)除顯示經(jīng)合成后的地圖影像圖外,當(dāng)用戶(hù)開(kāi)啟了“Terrain”效果的情況下,還可以觀(guān)察到3D方式顯示的高原、山地等立體實(shí)景地形。GE還支持三維動(dòng)態(tài)拖動(dòng)、縮放、編輯地標(biāo)等操作。

圖1 GE地圖影像存儲(chǔ)圖

圖2 GE地圖顯示圖

圖3 GE頂層影像圖

圖4 在GE中圖3的顯示

GE軟件的可查詢(xún)DEM高程數(shù)據(jù)精度與當(dāng)前顯示的影像圖圖片自身清晰度無(wú)關(guān),僅與顯示的圖片級(jí)別有關(guān)。視點(diǎn)高度設(shè)置越低,GE采用的圖片級(jí)越高(越接近金字塔的底部),查詢(xún)到的高程數(shù)據(jù)精度也越高。但當(dāng)視高小于已顯示的最末級(jí)圖片時(shí),其平面及高程精度不會(huì)隨視高的下降而增加,圖像亦僅為像素的放縮而已。

4 Google Earth COM API

GE軟件的二次開(kāi)發(fā)方式有2種,一種是基于軟件文本數(shù)據(jù)文件(KML)方式,另一種是基于GE COM API方式?；贙ML格式的方式是通過(guò)編寫(xiě)包含地理要素標(biāo)簽(XML格式)的文件,經(jīng)GE軟件加載后實(shí)現(xiàn)地圖的更新控制操作;基于A(yíng)PI的方式是通過(guò)設(shè)置GE地圖視窗中視點(diǎn)高度、視點(diǎn)角度和動(dòng)畫(huà)播放等參數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)控制GE地圖的平滑移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)顯示和動(dòng)畫(huà)播放等行為。筆者為更加靈活地控制GE地圖的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作,故采用API方式進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

GE最新公布的二次開(kāi)發(fā)接口A(yíng)PI函數(shù)共包括11個(gè)接口類(lèi),這些接口涵蓋了GE從控制顯示到點(diǎn)坐標(biāo)查詢(xún)等諸多功能。本文從GE上下載地圖和提取高程信息主要用到的接口類(lèi)有3個(gè),在此僅對(duì)該類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹[9]。

(1)IApplicationGE是GE COM API函數(shù)最主要的接口,通過(guò)這個(gè)接口,可以讓外部程序訪(fǎng)問(wèn)和控制GE應(yīng)用程序。該接口包括了GE API函數(shù)幾乎所有的功能。

(2)IPointOnTerrainGE是函數(shù)IApplicationGE:: GetPointOnTerrainFromScreenCoords的返回點(diǎn)坐標(biāo)查詢(xún)接口類(lèi),它可以理解為一個(gè)結(jié)構(gòu)體,記錄了地面上點(diǎn)的坐標(biāo)等信息。可通過(guò)該類(lèi)的Longitude、Latitude及Altitude方法獲取經(jīng)度、緯度和高程數(shù)據(jù)。

(3)ICameraInfoGE接口用視點(diǎn)高度及視線(xiàn)方向等信息描述了一個(gè)特殊的視角。它包括的屬性有地圖視窗中心點(diǎn)經(jīng)緯度、視點(diǎn)高度、視點(diǎn)角度等。在IApplicationGE接口中與之相關(guān)的兩個(gè)函數(shù)為GetCamera和SetCamera,功能分別是獲得和設(shè)置視點(diǎn)信息。程序可通過(guò)SetCamera函數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)控制地圖的顯示位置、范圍及旋轉(zhuǎn)方向角等。

5 GE坐標(biāo)系與鐵路設(shè)計(jì)用UCS坐標(biāo)系之間的關(guān)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

5.1 GE地圖坐標(biāo)系及其屏幕坐標(biāo)系

GE軟件地圖視窗有兩種坐標(biāo)系統(tǒng):一種為大地坐標(biāo)系,即采用WGS 84橢球參數(shù)的圓球墨卡托坐標(biāo)系[1,4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“WGS”),WGS點(diǎn)坐標(biāo)表示為(經(jīng)度,緯度,高程);另一種為地圖視窗屏幕坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“RSS”),其窗口左上角坐標(biāo)為(-1,-1),右下角坐標(biāo)為(1,1),中央坐標(biāo)為(0,0),坐標(biāo)為(screenX, screenY)。

5.2 鐵路設(shè)計(jì)用UCS坐標(biāo)系

通常在進(jìn)行鐵路線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí),采用的坐標(biāo)系為笛卡爾平面直角坐標(biāo)系,坐標(biāo)點(diǎn)表示為(X,Y,Z),如北京1954坐標(biāo)系、西安1980坐標(biāo)系、獨(dú)立坐標(biāo)系等,這些坐標(biāo)系在A(yíng)utoCAD中通稱(chēng)為用戶(hù)平面直角坐標(biāo)系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)“UCS”。

5.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

5.3.1 RSS與WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

RSS點(diǎn)坐標(biāo)可通過(guò)GE API提供的GetPointOnTerrainFromScreenCoords函數(shù)獲取對(duì)應(yīng)的WGS坐標(biāo)信息。GE API沒(méi)有提供WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為RSS坐標(biāo)的方法,即該方法不可逆,只能通過(guò)線(xiàn)形插值法得到其近似值。

5.3.2 WGS與UCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于WGS為墨卡托圓球坐標(biāo)系,而UCS為平面直角坐標(biāo)系,無(wú)法進(jìn)行坐標(biāo)的直接轉(zhuǎn)換,但可借助于我國(guó)大地測(cè)量學(xué)常用的高斯平面坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GKS”)與WGS的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行,也稱(chēng)為高斯-克呂格投影公式,見(jiàn)圖5。

圖5 WGS、GKS與UCS關(guān)系

UCS坐標(biāo)與WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 UCS坐標(biāo)與WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

UCS與GKS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用正交仿射變換公式,見(jiàn)式(1);GKS與WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用高斯-克呂格投影公式,見(jiàn)式(2)、(3)。

(1)UCS與GKS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

UCS與GKS坐標(biāo)系均為平面直角坐標(biāo)系,故可采用正交仿射變換公式[1]進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,公式為

式中 XT、YT——新坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)值,m;

XS、YS——原坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)值,m;

XTO、YTO——原坐標(biāo)系的原點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;

θ——原坐標(biāo)系兩坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)到與新坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸重合時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正,rad;

MX、MY——原坐標(biāo)系兩坐標(biāo)軸單位長(zhǎng)度,以新坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)軸單位長(zhǎng)度的比例因子,亦稱(chēng)放縮系數(shù)。

(2)GKS與WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

①WGS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為GKS坐標(biāo)

又稱(chēng)高斯-克呂格投影正解計(jì)算公式[4,10],即(B, L)→(XN,YE),公式為:

式中 XN,YE——GKS點(diǎn)的北坐標(biāo)(N)和東坐標(biāo)(E)值,m;

L,B——WGS點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)度和緯度值,rad;

a——WGS 84橢球長(zhǎng)半軸值,m;

e,e′——橢球的第一偏心率和第二偏心率;

L0——中央子午線(xiàn)經(jīng)度,rad;

FE——地圖坐標(biāo)計(jì)算中為了消除經(jīng)度出現(xiàn)負(fù)值而采用的加常數(shù),我國(guó)采用FE=500 000 m。

②GKS轉(zhuǎn)換為WGS坐標(biāo)

又稱(chēng)高斯-克呂格投影反解計(jì)算公式[4,10],即(X, Y)→(B,L),公式為

式中,FN為地圖坐標(biāo)計(jì)算中為了消除緯度出現(xiàn)負(fù)值而采用的加常數(shù),北半球FN=0,南半球FN= 10 000 000 m。其他符號(hào)同(式2)。

6 帶狀地圖提取及自動(dòng)拼接

6.1 基本原理

為獲取鐵路帶狀地圖需要,筆者采用GE API動(dòng)態(tài)控制和調(diào)整GE地圖視窗,包括設(shè)置相機(jī)位置(地圖平移)、旋轉(zhuǎn)角度、視點(diǎn)高度等操作,并保存當(dāng)前地圖視窗屏幕圖像至JPG格式外部文件,同步記錄圖像信息(包括圖像的邊界信息,其對(duì)應(yīng)的UCS坐標(biāo),旋轉(zhuǎn)角等)至Images.idx文本文件,完成帶狀圖的自動(dòng)下載。

自動(dòng)拼接程序依據(jù)Images.idx信息在A(yíng)utoCAD環(huán)境下以“加載外部圖像參照”方式完成JPG格式地圖圖片的帶狀拼圖工作。

6.2 數(shù)據(jù)源格式及仿射轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)

(1)數(shù)據(jù)源文件

數(shù)據(jù)源為線(xiàn)路逐樁坐標(biāo)表文本文件(*.xy0),數(shù)據(jù)記錄行格式為:

樁號(hào) UCS北坐標(biāo)(XN) UCS東坐標(biāo)(YE)

……

該數(shù)據(jù)文件可由設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成,或采用手工繪制Pline線(xiàn)方式提取其坐標(biāo)信息后經(jīng)Excel簡(jiǎn)單編輯即可得到。

(2)正交仿射變換參考點(diǎn)對(duì)

本文進(jìn)行UCS與GKS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用大地測(cè)量學(xué)四參數(shù)法[10],即dX,dY,dθ,dS(其中dX,dY為坐標(biāo)系平移量,dθ為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)量,dS為坐標(biāo)系長(zhǎng)度放縮比例)。該四參數(shù)又可通過(guò)2個(gè)參考點(diǎn)(又稱(chēng)參考點(diǎn)對(duì))的坐標(biāo)關(guān)系得到。參考點(diǎn)對(duì)的坐標(biāo)由該兩點(diǎn)分別位于UCS和GKS坐標(biāo)系下的兩組坐標(biāo)構(gòu)成,即

參考點(diǎn)A:(XN_UCS_A,YE_UCS_A)、(XN_GKS_A,YE_GKS_A);

參考點(diǎn)B:(XN_UCS_B,YE_UCS_B)、(XN_GKS_B,YE_GKS_B);

為轉(zhuǎn)換方便需要,筆者將參考點(diǎn)對(duì)的GKS坐標(biāo)直接定義為WGS坐標(biāo),其GKS坐標(biāo)可通過(guò)式(2)直接計(jì)算得到,定義方式見(jiàn)圖7,可通過(guò)程序界面直接輸入,并保存至程序初始化文件中。

圖7 坐標(biāo)正交仿射變換參考點(diǎn)定義

通常,上述參考點(diǎn)對(duì)的UCS和WGS坐標(biāo)由GPS測(cè)量得到。但在前期設(shè)計(jì)工作中對(duì)于精度要求不高的情況下,設(shè)計(jì)者可直接通過(guò)選取線(xiàn)路設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的任意兩點(diǎn),如建筑物角點(diǎn)。在A(yíng)utoCAD中查詢(xún)其UCS坐標(biāo)值,并在GE中找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置,使用“添加地標(biāo)”工具查詢(xún)?cè)擖c(diǎn)WGS經(jīng)緯度坐標(biāo)值即可得到。其它如WGS 84橢球參數(shù)中的“中央子午線(xiàn)”值可取參考點(diǎn)對(duì)的經(jīng)度平均值即可,“加常數(shù)Y0”同式(2)的FE變量。

6.3 帶狀圖參考軸線(xiàn)自動(dòng)計(jì)算

程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)行逐樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)(*.xy0)到帶狀圖參照軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)換,方式見(jiàn)圖8。

圖8 帶狀圖參考軸線(xiàn)轉(zhuǎn)換圖

6.4 帶狀圖自動(dòng)拼接方法

帶狀地圖下載程序自動(dòng)生成的圖像信息索引文件(Images.idx)內(nèi)容格式見(jiàn)圖9。

圖9 帶狀圖自動(dòng)拼接數(shù)據(jù)

該文件記錄了下載圖片的名稱(chēng)、對(duì)齊模式、對(duì)齊點(diǎn)坐標(biāo)、縮放比例和旋轉(zhuǎn)角度等信息,并通過(guò)ObjectArx編寫(xiě)的自動(dòng)拼接程序(或編寫(xiě)成獨(dú)立模塊,采用寫(xiě)DXF文件接口方式),以“外部光柵圖像參照”方式自動(dòng)拼接成CAD帶狀圖。

6.5 程序界面及實(shí)現(xiàn)

為便于可視化操作,將程序運(yùn)行界面設(shè)計(jì)成交互式,帶狀圖自動(dòng)下載程序見(jiàn)圖10。

圖10 影像地圖自動(dòng)下載程序界面

本程序中【每幅圖的可視寬度】為控制下載單幅地圖屏幕水平方向的寬度,單位為m,程序?qū)⒏鶕?jù)該值自動(dòng)計(jì)算下載圖片的數(shù)量,并自動(dòng)設(shè)置適宜的視點(diǎn)高度,單幅圖豎向高度則由GE軟件自動(dòng)確定(注:視點(diǎn)高度越高,則單幅圖像所包含的線(xiàn)路長(zhǎng)度越長(zhǎng),地圖范圍更廣,但地物較低視點(diǎn)高度下的圖像模糊。筆者建議設(shè)置為500～1 500 m,即可得到GE提供的最為清晰的圖像)。下半部為“正交仿射變換”坐標(biāo)關(guān)系輸入?yún)^(qū)域,下載后的圖像列表如圖11所示。

衛(wèi)星地圖下載后,進(jìn)入AutoCAD環(huán)境并加載自動(dòng)拼接程序(Arx程序),程序界面如圖12所示。

圖12 影像地圖自動(dòng)拼接程序界面

輸入的【文件名】即為帶狀地圖下載程序生成的圖像信息索引文件(Images.idx)。在CAD中自動(dòng)拼接后的圖像如圖13所示,坐標(biāo)系為UCS。

圖13 拼接后的帶狀地圖效果圖

7 高程數(shù)據(jù)信息提取

7.1 方法即數(shù)據(jù)源

本文采用GE API的GetPointOnTerrainFromScreen Coords函數(shù)完成高程數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取。為提取高精度的高程數(shù)據(jù),筆者采用視高設(shè)置為500 m,并動(dòng)態(tài)移動(dòng)GE地圖視窗中地圖的方法完成縱斷面地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)的獲取。

本程序采用的數(shù)據(jù)源文件(*.xy0)同帶狀圖下載程序用數(shù)據(jù)源格式。

7.2 程序界面及實(shí)現(xiàn)

可視化程序界面如圖14所示。

操作方法和參數(shù)設(shè)置與帶狀地圖下載程序相似。提取的高程數(shù)據(jù)信息如圖15(b)所示。

8 案例及分析

8.1 帶狀地圖下載及自動(dòng)拼接

圖14 縱斷面地面線(xiàn)高程提取程序界面

圖15 縱斷面地面線(xiàn)高程提取程序界面

經(jīng)測(cè)試,在GE中自動(dòng)下載圖像的快慢與用戶(hù)網(wǎng)速和GE地圖服務(wù)器有關(guān),筆者從計(jì)算機(jī)下載50張,線(xiàn)路長(zhǎng)度為60 km的鐵路帶狀圖,所需時(shí)間為3 min左右。由于本程序采用單張地圖下載和離散拼接法,有效避免了鐵路長(zhǎng)大線(xiàn)路上的圖像誤差疊加問(wèn)題。

8.2 縱斷面地面線(xiàn)高程數(shù)據(jù)批量采集

本程序在GE中提取1 518個(gè)點(diǎn)(約30 km,樁距20 m)的高程信息所需時(shí)間為2.6 min,與某鐵路定測(cè)外業(yè)中樁實(shí)測(cè)地面高程數(shù)據(jù)比對(duì)情況見(jiàn)表1。

表1 縱斷面地面線(xiàn)高程數(shù)據(jù)比對(duì)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)對(duì)比,高程差小于2 m采樣點(diǎn)占36.5%;小于5 m者占92.2%。比對(duì)發(fā)現(xiàn)除溝渠、坎邊、道路及新開(kāi)挖的邊坡等地物變化處高程差值較大外,地形點(diǎn)高程一般平原區(qū)小于2 m,山區(qū)小于5 m。造成高程差異的主要原因是GE所采用的數(shù)據(jù)為按方格網(wǎng)等距點(diǎn)采集所得,網(wǎng)格內(nèi)點(diǎn)采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插計(jì)算得到,而鐵路定測(cè)采用實(shí)測(cè)方式得到地物和地形突變點(diǎn)高程數(shù)據(jù)。

本程序與楊鑫、鄧加娜等人的高程數(shù)據(jù)研究結(jié)果[6,7,8]基本吻合,但時(shí)間差異較大,原因是:GE API提供的高程查詢(xún)函數(shù),只可在GE地圖視窗顯示的地圖范圍內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)高程信息查詢(xún),而鐵路線(xiàn)路往往較長(zhǎng),為提高獲取DEM高程數(shù)據(jù)精度,本程序視點(diǎn)高度設(shè)置為500 m,并采用動(dòng)態(tài)平移地圖方式以獲取與地圖關(guān)聯(lián)的DEM數(shù)據(jù)下載更新。待其地圖顯示完成后,方可查詢(xún)高程數(shù)據(jù),故速度較慢。當(dāng)然,這也與網(wǎng)速和GE地圖服務(wù)器有直接的關(guān)系。

對(duì)于鐵路預(yù)可研階段通常采用的1∶1萬(wàn)、1∶5萬(wàn)地圖,其等高線(xiàn)間距通常為5 m或10 m,本軟件所提取的高程數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)高程數(shù)據(jù)的精度要求,其研究結(jié)論是:GE中DEM數(shù)據(jù)若采用高清衛(wèi)圖數(shù)模(直接表現(xiàn)為地圖較為清晰),精度在2～3 m,若采用SRTM1,精度在5～10 m,且平原中心地帶較山區(qū)精度高[7,8]。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著GE的不斷發(fā)展,在鐵路勘察設(shè)計(jì)中運(yùn)用GE數(shù)據(jù)進(jìn)行前期勘察設(shè)計(jì)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多,本文的方法充分利用了Google Earth的共享數(shù)據(jù),為鐵路設(shè)計(jì)用帶狀圖和高程信息的獲取提供了一種便捷的方法。經(jīng)在多條鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用證明,本方法是可行的,且程序操作簡(jiǎn)便、易用,設(shè)計(jì)人員能很快的熟練運(yùn)用。程序可作為GE的擴(kuò)展模塊獨(dú)立運(yùn)行,具有較好的推廣價(jià)值。

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Research on How to Use Google Earth Satellite Map Data in the Process of Railway Design and Survey

YANG Jin-gong
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

In the small-scale map which is commonly used for route selection design in the early stage of railway survey and design,there are a number of problems:the data in the map are out-of-date and come with the shortage of the newly-built ground buildings information which have great influence on the route alignment;the digitization level is poor;the efficiency of manual work for data acquisition of ground elevation is low,and so on.To solve those problems,this research put forward a new method,which is based on Google Earth platform for quickly downloading the maps,then automatically splicing them into route strip map and then automatically extracting ground elevation data of route longitudinal and transverse profiles in batches.Furthermore,secondary development was carried out in this research by using VC++ and Google Earth's COM API function.In the paper,this new method's implementation principle and algorithm was introduced,and the reliability and high efficiency of this method were analyzed in combination with actual projects.This method can serve as a good,convenient and fast method for route selection design in the early stage of railway project.

GoogleEarth;railwaysurveyanddesign;stripmap;altitudedata;coordinate transformation;algorithm

U212.24+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.008

1004-2954(2014)08-0034-06

2014-01-07;

2014-01-18

楊進(jìn)功(1972—),男,高級(jí)工程師,2013年畢業(yè)于西安理工大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè),E-mail:ayungerstudio@163.com。