葉育松，張雄天

(1.甘肅三昌礦業(yè)有限公司，甘肅 隴南 742500；2.蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

在日常野外測繪工作中，面對一個新的工作區(qū)域，在沒有現(xiàn)成的可滿足一定精度級別要求的控制點的情況下；或在有控制點但沒有測量工具或找不到測繪專業(yè)技術人員的情況下；或因測量成本太高，工程單位無力請專業(yè)測繪單位進行測繪工作的情況下；或因時間比較緊，實地測繪工程工期不能允許的情況下；或在有控制點，但非國家系統(tǒng)，又得不到準確的坐標系統(tǒng)轉換參數(shù)等情況下[1-10]。如何利用現(xiàn)成的網(wǎng)絡上可得到的數(shù)據(jù)通過一系列的坐標系統(tǒng)轉換過程得到我們所需的數(shù)據(jù)，并完成地形圖繪制，不影響后續(xù)工作的開展呢？這是我們經(jīng)常會遇到的情況。本人經(jīng)多次工程實踐，探索出一個行之有效的方法，介紹如下。

1 地形圖繪制方法

我們知道，自從有了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），人們對數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM)的研究就開始了，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，簡稱DTM)的一個分支，其它各種地形特征值均可由此派生。DEM分辨率是DEM刻畫地形精確程度的一個重要指標，同時也是決定其使用范圍的一個主要的影響因素。DEM的分辨率是指DEM最小的單元格的長度。因為DEM是離散的數(shù)據(jù)，所以（X，Y）坐標其實都是一個一個的小方格，每個小方格上標識出其高程。這個小方格的長度就是DEM的分辨率。分辨率數(shù)值越小，分辨率就越高，刻畫的地形程度就越精確，同時數(shù)據(jù)量也呈幾何級數(shù)增長。2000年，美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）以及德國與意大利航天機構共同合作完成聯(lián)合測量,由美國發(fā)射的“奮進”號航天飛機上搭載SRTM系統(tǒng)獲取了北緯60度至南緯60度之間總面積超過1.19億平方公里的雷達影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面。谷歌地球的原始DEM，國內(nèi)區(qū)域采用的是SRTM3，也就是90m分辨率的數(shù)據(jù)。國外區(qū)域有些地方是用的30m分辨率的數(shù)據(jù)。運用90m分辨率的數(shù)據(jù)，做一些地形起伏不大的平原地區(qū)的地形圖在精度要求不高的情況下尚可勉強使用，但對地形切割嚴重，起伏較大，較為復雜的地形，其網(wǎng)度顯然是太大了。因為，利用下載的谷歌地形數(shù)據(jù)作地形圖，不管你提取數(shù)據(jù)時選擇的級別有多大，改變不了它的原始數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)度，因此，誤差較大，不能準確反映較復雜地形條件下的地形的實際情況。

故雖然SRTM3應用廣泛，但精度有限。美國航空航天局（NASA）和日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省（METI）聯(lián)合發(fā)布的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品ASTER Global Digital Elevation Model（ASTER GDEM），該DEM數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA新一代對地觀測衛(wèi)星TERRA的觀測結果完成，是由ASTER（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radio meter）傳感器搜集的130萬個立體像對數(shù)據(jù)制作，覆蓋范圍超過了地球99%陸地表面。

該數(shù)據(jù)水平精度1″（約30m，置信度95%），高程精度為20米（置信度95%）。比之前的SRTM3 DEM和GTOPO30數(shù)據(jù)有明顯的提高。ASTER GDEM有兩個版本，第一個版本（V1）于2009年6月發(fā)布，第二個版本（V2）于2011年10月發(fā)布。V2比V1，數(shù)據(jù)在水域覆蓋和偏差去除等方面有了進一步的進展，數(shù)據(jù)的質量得到了很大的提高。對SRTM3與ASTER進行對比，效果見下圖?？擅黠@看出，ASTER在細節(jié)上比SRTM3要豐富很多。

圖1 區(qū)域表面模型對比圖

放大到局部區(qū)域，生成等高線，如圖2所示。

圖2 SRTM3等高線生成

圖3 ASTER等高線生成

宏觀上看，可以發(fā)現(xiàn)，同樣是2m線間距等高線，SRTM3細節(jié)很差，只能總體反應山勢，而很多小陡崖都已經(jīng)被忽略掉。再放大看看細節(jié)：

圖4 SRTM3等高線細節(jié)

圖5 ASTER等高線細節(jié)

由此可以明確看出，SRTM3可以作為宏觀地形地貌的參考，但并不能滿足大比例尺制圖需求，細節(jié)丟失嚴重。

鑒于ASTER GDEM數(shù)據(jù)是目前世界上取點網(wǎng)度最密，精確度最高并由先進的空間熱發(fā)射和反射無線電儀 表（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radio meter）傳感器搜集的立體像對數(shù)據(jù)制作而成，所以，在不能實地測量的情況下，利用該數(shù)據(jù)繪制地形圖是最好的也是唯一的選擇。下面便將繪制的步驟敘述如下：

（1）利用global mapper軟件做UTM坐標系統(tǒng)地形圖

1，首先打開global mapper，選擇connect to online data并點擊，（為作圖方便，也可以打開事先下載存盤好了的ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30m”（AW3D30）表面模型數(shù)據(jù)），彈出窗口如下圖：

在“選擇數(shù)據(jù)源（Select Data Source）”欄目下選擇“ASTER GDEM v2Worldwide Elevation Data[1.5-arc-second Resolution”，再到下面的“選擇區(qū)域內(nèi)經(jīng)緯度 邊 界（Specify latitude/longitude bounds of area）”欄目下填上東西南北四個方向的經(jīng)緯度邊界，按“Connect（連接）”后即可慢慢地呈現(xiàn)出該區(qū)域的表面模型圖（Surface Model drawing）如圖6。

圖6 軟件操作截圖

為了能準確地圈出所要制作的地形圖的邊界范圍，先得通過“Create point/text feature”將四個范圍角點上圖。然后再點“Analysis（分析）”-“Generate contours（from terrains grid）（生成輪廓(從地形網(wǎng)格)）”，在圈畫好地形范圍、設置好地形等高線間距等參數(shù)后，即可自動繪制出地形等高線，完成地形圖的繪制（如圖7）。但該地形圖是經(jīng)緯坐標或MERCAT（墨卡托坐標系統(tǒng)），為方便下一步轉換成西安80或中國大地2000坐標系統(tǒng)，到這一步后，就必須將已知礦區(qū)的西安80坐標數(shù)據(jù)先通過COORDzdzh軟件轉換成同系統(tǒng)經(jīng)緯坐標（對同一坐標系統(tǒng)，平面直角—經(jīng)緯坐標間的轉換在投影中心經(jīng)度和所在緯度正確的情況下，是準確的）。

圖7 軟件操作截圖

為了利用Global mapper軟件將其WGS84經(jīng)緯坐標地形圖轉換成WGS84-UTM坐標系統(tǒng)時，連同礦權拐點坐標一并轉換過來，因此，在進行轉換之前就必須將礦權拐點事先用其經(jīng)緯值上圖，并圈連出礦權界線，如下圖8：

圖8 軟件操作截圖3

圖8 軟件操作截圖4

將經(jīng)緯坐標地形圖進一步轉換成WGS84-UTM直角坐標系統(tǒng)（因為該系統(tǒng)和我國的坐標系統(tǒng)X，Y坐標值最接近，更利于下一步轉換到西安80系統(tǒng)）步驟如下：

由MERCAT（墨卡托坐標系統(tǒng)）或GEO（WGS84）系統(tǒng)—WGS84-UTM直角坐標系統(tǒng)可通過點擊“Tools（ 工 具 ）”-“Configure（ 設 置 ）”-“Projection（ 投 影 ）”，將“Projection”欄下的“Mercater”或“Geographic”用“UTM”取代，在“Datum（基準）”欄下填上“WGS84”，“Planar units（平面單位）”欄下填上“Meters（米）”后，按“OK（確定）”即可轉換成WGS84-UTM坐標系統(tǒng)（注意圖片8最底下的坐標數(shù)據(jù)已由MERCAT或Geo（WGS84）變成了UTM48N（WGS84），坐標數(shù)據(jù)都已經(jīng)換過來了）。

完成這一步之后，如果想讓表面模型圖和等高線地形圖看起來更逼真、更直觀，還可通過“File（文件）”-“Rectify（Georeference）imagery（校正圖像）”將衛(wèi)星影像照片校正在該表面影像圖上（也可以用SURPAC軟件在表面模型圖上貼上衛(wèi)星影像實景圖，因操作方法比較繁瑣，此處不再詳述該方法），效果如下圖9：

圖9 軟件操作截圖5

從圖片最下邊顯示的數(shù)據(jù)看，上圖的坐標已經(jīng)是UTM（WGS84）平面直角坐標系統(tǒng)，將兩圖對比來看，圖8較圖7在南北方向明顯拉長了。

（2）將UTM（WGS84）平面直角坐標地形圖轉換成AUTOCAD的＊.dwg格式圖

將Global mapper上已做好的圖通過“文件（File）”—“輸出（export）”—“輸出矢量格式（export vector）”，可將上圖轉換成＊.dwg格式圖,即可以用OutoCAD軟件打開（如下圖10），保存此＊.dwg圖以備用。

圖10 CAD軟件操作＊.dwg格式圖截圖（6）

三，將＊.dwg圖用SURPAC制圖軟件轉換成＊.str線文件，再利用兩個關鍵點進行坐標系統(tǒng)間的轉換校正，達到將UTM坐標系統(tǒng)圖轉換成我們所需要的西安80坐標系統(tǒng)圖。

從前面所作的UTM平面坐標系統(tǒng)的地形圖上可以很容易地量取礦權范圍的UTM系統(tǒng)拐點坐標值，數(shù)據(jù)如下：

1,418408.6842,4028829.9898

2,419032.4346,4028829.9883

3,418948.6445,4027830.4085

4,417949.0414,4027830.3925

5,418107.1999,4028357.6292

6,418360.1464,4028580.5330

將以上各點UTM坐標數(shù)據(jù)保存好，以備下一步轉換之用。

“以管理員身份運行”SURPAC軟件，打開界面后，依次點：文件—轉換，將＊.dwg圖轉換成＊.str線文件，如圖11。然后，再打開菜單欄中的“線文件工具”—“轉換”—“線文件2D轉換”，在如圖12的彈窗中將任意兩個點的UTM坐標和西安80坐標分別輸入“舊的點”和“新的點”欄目下（這里選擇了點1和點3，可對照坐標數(shù)據(jù)），轉換出來的線文件以另一個文件名保存，為了對比轉換前后兩個圖之間的差別，將兩個文件可在同一界面同時打開，如下圖12。

圖11 SURPAC軟件操作＊.str格式文件截圖7

圖11 SURPAC軟件操作過程截圖（7）

圖12 SURPAC軟件操作截圖（8）

至此，整個轉換工作已全部完成了，查詢幾個礦權拐點的“點屬性”，其坐標值和礦權許可證上的數(shù)據(jù)是一致的，雖然存在一點點小誤差，但都是小數(shù)點后兩、三位了，完全可滿足精度要求。列表如下：

所存在的誤差應當是幾個軟件、幾次轉換的累積。

2 該方法的實用性總結

以上方法是在只知道一個礦區(qū)的礦權范圍拐點坐標，其他數(shù)據(jù)一無所知的情況下，要求做出礦區(qū)坐標對應坐標系統(tǒng)地形圖所采取的方法。之所以要寫出來，是因為我們所能見到的所有的坐標系統(tǒng)轉換軟件以及所有的制圖軟件，沒有一個能在不知道坐標轉換參數(shù)的情況下準確無誤地跨系統(tǒng)轉換出所要的坐標；另外，到目前為止，沒有一個非軍用DTM數(shù) 據(jù) 比 此ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30m”（AW3D30）表面模型數(shù)據(jù)測量網(wǎng)度更密，精度更高的三維坐標數(shù)據(jù)可供利用；該方法所作地形圖在地形較平緩，切割不嚴重，沒有懸崖峭壁的區(qū)域內(nèi)是基本準確的，在條件具備的情況下，還可在此基礎上對個別點，個別地段做補充測繪，做進一步的完善，可節(jié)省大量的時間和工作量，使測繪工作變得簡單而輕松。上面是以西安80坐標為例來講的，對北京54或國家2000大地坐標系統(tǒng)同樣適用。