Google Earth數(shù)據(jù)精度分析及在鐵路選線設(shè)計中的應(yīng)用

王一波 邵偉偉 羅新宇

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅蘭州 730070)

在當前的鐵路建設(shè)中,對鐵路項目進行可行性研究通常還是采用傳統(tǒng)方法,由于紙質(zhì)地圖的更新速度慢,不能精確反應(yīng)鐵路行經(jīng)地區(qū)的信息,造成鐵路可行性分析的各項指標存在誤差,無法對線路方案進行最終的準確評價。已經(jīng)通過的可行性研究,在后期的設(shè)計和建設(shè)中,又往往出現(xiàn)線位的較大改動和增加未知工程量等一系列問題,造成鐵路綜合效益降低,達不到預(yù)期的效果。

眾所周知,Google Earth(以下簡稱GE)擁有全球不同分辨率的衛(wèi)星影像和三維地形數(shù)據(jù),可以為全球范圍的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用提供免費的基礎(chǔ)地理地圖。但是,由于軍事,國家利益等諸多原因,目前我國能獲取的GE數(shù)據(jù)精度遠遠不能滿足鐵路工程勘測設(shè)計的需求[2]。通過簡單對比可以發(fā)現(xiàn),GE中一些點的平面數(shù)據(jù)和實地相差幾十米、甚至上百米,其高程相差也達幾十米。GE對不同區(qū)域提供的分辨等級也不一樣,比如某些鄉(xiāng)村就比較模糊。正由于GE數(shù)據(jù)精度有限,所以我們對GE資源還缺乏深刻認識,其可信度無從建立,能否將其應(yīng)用于鐵路勘測設(shè)計,如何有效利用GE資源為鐵路勘測設(shè)計服務(wù),都必須對其數(shù)據(jù)可靠性和精度進行詳細的分析和驗證。

1 GE數(shù)據(jù)的特點

GE將航拍照片、衛(wèi)星影像、遙感影像和地理信息數(shù)據(jù)(GIS)數(shù)據(jù)整合在一起,其數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天安全局(NASA),初始數(shù)據(jù)為矢量化的柵格數(shù)據(jù)。其衛(wèi)星影像部分來自于美國Digital Globle公司的Quick Bird(快鳥)商業(yè)衛(wèi)星以及美國Earth Sat公司的LAND2SATO7陸地衛(wèi)星;航拍部分來源于以航拍、GIS/GPS相關(guān)業(yè)務(wù)為主的英國公司BlueSky和美國公司Sanborn。GE將矢量數(shù)據(jù)根據(jù)其屬性數(shù)據(jù)類型的不同,分成不同的圖層,更加方便矢量數(shù)據(jù)的管理和使用。柵格數(shù)據(jù)則將地表分割成一個個的單元格,根據(jù)單元格覆蓋地表面積的大小,構(gòu)成不同分辨率的圖像。

GE支持本地矢量數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用,用戶可以方便地從其遙感影像中采集矢量數(shù)據(jù)進行分析。GE所顯示的底片是衛(wèi)星遙感影像,這些影像是衛(wèi)星影像和航拍數(shù)據(jù)的整合,其最高分辨率可達到分米級。但由于政治軍事等各方面的原因,這些高分辨率的影像主要集中在歐美地區(qū),在我國境內(nèi)的分辨率明顯低于歐美地區(qū)。

2 GE數(shù)據(jù)的精度分析

2.1 鐵路設(shè)計對空間數(shù)據(jù)的要求

目前鐵路勘測設(shè)計一般分為四個階段:預(yù)可行性研究、可行性研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計[4]。在不同的勘測階段,都需明確指出設(shè)計所采用地形圖的比例尺,明確規(guī)定了進行各項勘測設(shè)計測繪的精度指標。總體而言,隨著設(shè)計階段的逐步深入,對空間信息數(shù)據(jù)要求的精度是逐步提高的。

2.2 GE數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的理論精度

GE采用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為SRTM(全稱是Shuttle Radar Topography Mission),主要是由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的,SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供一個文件,該數(shù)據(jù)精度有1弧秒和3弧秒兩種標準,分別稱作SRTM-1和SRTM-3,水平分辨率分別為30 m和90 m。其中,SRTM-1精度的數(shù)據(jù)是將1度的面積分成了3 600×3 600個小區(qū)域,每一個小區(qū)域的大小為1弧秒(約30×30 m的面積;實際上隨著緯度的變化,面積有一定的差異);SRTM-3精度的數(shù)據(jù)是將1度的面積分成了1 200×1 200個小區(qū)域,每一個小區(qū)域的大小是3弧秒(約90×90 m的面積),任何一個小區(qū)域只有一個數(shù)值代表給區(qū)域中心的海拔高程,其余區(qū)域的高程數(shù)值都是通過該區(qū)域本身的一個高程數(shù)值以及相鄰區(qū)域的高程屬性值作距離加權(quán)差分計算得出的。相對而言,劃分的區(qū)域面積越少,海拔的精度就越高:SRTM-1的文件中包含3 601×3601個采樣點的高度數(shù)據(jù),SRTM-3的文件里面包含1 201×1 201個采樣點的高度數(shù)據(jù)。目前能夠免費獲取中國境內(nèi)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)是SRTM-3,每個90 m的數(shù)據(jù)點是由9個30 m的數(shù)據(jù)點算術(shù)平均得來的。SRTM數(shù)據(jù)采用16位的數(shù)值表示高程數(shù)值,其最大正高程為9 000 m,最大負高程為-12 000 m。SRTM-3的高程基準為EGM-96大地水準面,平面基準為WGS84。SRTM-3的標稱絕對高程精度為 ±16 m,標稱絕對水平精度為 ±20 m,取得的描述面為DSM。

2.3 GE資源獲取的正確性驗證

正確性驗證是指驗證其下載手段、方法的有效性,并不關(guān)聯(lián)下載資源的精度。

(1)檢驗DEM與衛(wèi)星圖片是否匹配

為了檢驗GE資源獲取手段的正確性,把用兩種不同方式下載的DEM(地面高程模型)與衛(wèi)星圖片在第三方軟件平臺上進行展示,以檢查其DEM與衛(wèi)星圖片匹配是否準確。其DEM是基于GE二次開發(fā)實現(xiàn)逐點獲取的地面高程模型,衛(wèi)星圖片是直接鏈接服務(wù)器下載并經(jīng)自動拼接后得到的整塊區(qū)域的圖片,展示平臺采用的是第三方ArcGoble平臺,以保證從驗證機制上能夠證明這種驗證方式的有效性。

圖1 檢驗DEM與衛(wèi)星圖片是否匹配

從圖1中可以看出,湖泊河流與地形匹配良好,山腰道路走勢合理,地形紋理層次分明有序,山谷、山脊輪廓清晰,因此這種DEM獲取的手段與衛(wèi)星圖片下載的方法都是有效、正確的。

(2)檢驗反算等高線與GE是否匹配

將下載后的地面模型取等高線,生成如下10 m等高距的地形圖文件,反過來將地形文件加載到GE,以檢驗等高線與GE是否匹配。

從圖2中可以看到,等高線與地形匹配良好,這說明:下載過程與轉(zhuǎn)換過程中方位沒有損失精度;下載與轉(zhuǎn)換過程中高程沒有損失精度。而一旦出現(xiàn)精度損失的情況,將會導(dǎo)致等高線紊亂,與地形匹配不上。

圖2 檢驗反算等高線與GE是否匹配

2.4 GE高程精度驗證

為驗證GE高程精度,故將GE高程與實測高程進行對比分析。其測量點號布置如圖3所示,設(shè)立于道路人行道中央及交叉路中央,以便于觀察。

圖3 測量點號布置

實測線路單程1.8 km,往返共3.6 km,閉合差3 mm,其測量結(jié)果如表1所示。

從表1可看出,在這些點位上GE高程與實際高程能夠較好的符合。經(jīng)鐵四院在金溫鐵路設(shè)計中詳細驗證,其GE數(shù)據(jù)的精度可以滿足鐵路選線設(shè)計中預(yù)可研和可研兩個階段對空間信息數(shù)據(jù)精度的要求。

表1 實測高程與GE高程比較 m

2.5 從GE數(shù)據(jù)提取線路的縱/橫斷面精度分析

為分析從GE數(shù)據(jù)中提出線路的縱/橫斷面是否可行、數(shù)據(jù)精度如何,將傳統(tǒng)方式與GE數(shù)據(jù)提取方式進行比較。一方面,利用現(xiàn)有鐵路選線輔助軟件從1∶2 000地形圖中生成數(shù)字地模,按20 m取一個點切出縱斷面;另一方面,利用GE提取的DEM,按50 m一個點切出縱斷面。由兩種方式分別生成縱斷面圖,從圖4比較可以看出,其地形地勢還是基本上相吻合的,因此從GE數(shù)據(jù)提取線路的縱/橫斷面其精度是能滿足可研階段的精度要求的。

圖4 地形圖提取的縱斷面與GE提取的縱斷面比較

為了進一步檢驗從GE上獲取的地面線數(shù)據(jù)的精度,中鐵二院曾對“鄭州至萬州”、“四川犍為小火車規(guī)劃”等線路的縱橫斷面地面線進行了綜合比較分析。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),從GE上獲取的地面線數(shù)據(jù)與從1∶5萬地形圖上人工判讀的地面線數(shù)據(jù)高差在10 m范圍內(nèi)達到了95%,可以說明基于GE的提取的地形精度與人工從1∶5萬地形圖上判讀的精度相當,可滿足規(guī)劃階段的要求[4]。另一方面,GE的提取速度遠快于人工提取的速度,并且GE是DEM疊加影像的三維平臺,具有較好的量測性能(如高程、距離等),有著眾多的優(yōu)勢。

3 GE數(shù)據(jù)在鐵路選線設(shè)計中的應(yīng)用

通過對GE的坐標數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的精度分析,結(jié)合當前GE在當前各個領(lǐng)域的應(yīng)用,可將GE數(shù)據(jù)具體應(yīng)用于鐵路選線設(shè)計的以下方面。

3.1 制作數(shù)字地形圖

在鐵路可研階段,通常收集到的地形圖多為20世紀60、70年代測繪,與當前的現(xiàn)狀差別較遠,特別是村鎮(zhèn)范圍擴展較快,新增了很多建筑物,路網(wǎng)變化也較大。利用GE的衛(wèi)星影像,疊加SRTM數(shù)據(jù)生成的等高線地圖,可制作1∶1萬、1∶5萬、1∶10萬的地形圖,從而對線路行經(jīng)區(qū)域內(nèi)的地貌、水系、城鎮(zhèn)布局、路網(wǎng)等進行了深入細致的研究。

(1)根據(jù)地圖范圍,從中國科學院國際數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://srtm.datamirror.csdb.cn)下載鐵路所在區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)。

(2)利用GetScreen等成熟的GE圖片提取軟件,可以快速、簡便地從GE中下載相應(yīng)區(qū)域的衛(wèi)星圖片,提取后可利用軟件將分幅的圖片進行自動拼接,最后得到一幅完整無縫的測區(qū)影像。

(3)利用Global Mapper軟件將下載的SRTM數(shù)據(jù)生成等高線地圖,經(jīng)疊合衛(wèi)星圖片和圖形矯正后,生成帶等高線的各種比例地形圖。

3.2 建立數(shù)字地模

在設(shè)計鐵路的全線均勻布置控制點,通過坐標計算,可求取鐵路所在帶狀區(qū)域的布爾莎模型的七參數(shù),然后利用GE的COM API函數(shù)提取區(qū)域內(nèi)點的三維坐標,建立整個區(qū)域的數(shù)字地模。在一定的精度指標下,滿足鐵路可行性研究設(shè)計的部分需求,例如鐵路選線繞避重要地物、橋梁隧道的布置區(qū)域、方案的比選等。

3.3 地質(zhì)布孔及輔助測繪

在鐵路外業(yè)勘測中,將收集的地質(zhì)圖紙放到GE中,能夠提高布置地質(zhì)鉆孔的準確度和效率;通過專門的部門對GE的高清影像分析,能夠?qū)υ搮^(qū)域的地質(zhì)狀況有初步的分析和了解,實施地質(zhì)選線。另外,在勘測資料整理校審階段,可以利用GE影像對野外測繪的地形和地貌進行校對檢查,杜絕漏測漏繪和測錯現(xiàn)象[3]。

3.4 基于GE的鐵路三維選線

利用GE的KML技術(shù)可實現(xiàn)在GE上進行鐵路平面定線,使GE成為鐵路的三維空間選線平臺。通過直接在GE中進行三維選線,能夠迅速高效率的選擇出一條最佳線位,然后進行平面、縱斷面、橫斷面數(shù)據(jù)提取和設(shè)計。

3.5 鐵路設(shè)計成果在GE中的三維展示

對于鐵路設(shè)計者而言,不僅要設(shè)計出好的線路方案,也經(jīng)常需要通過平面示意圖、三維效果圖、三維動畫等手段進行方案演示。利用Google公司的另一個軟件Google Sketchup(簡稱GC)建立三維模型,可將鐵路設(shè)計成果展示在GE中。通過GE的三維立體顯示,逼真展示了現(xiàn)場線位的效果,還可以配以圖片和文字說明,從而使業(yè)主、設(shè)計人員、政府部門都可以直觀的分析和查看路線設(shè)計方案,以便做出決策。同樣,對于CAD中的線位,也可通過坐標轉(zhuǎn)換,利用第三方軟件Global Mapper將線位轉(zhuǎn)換成KML文件格式,在GE中顯示查看。

4 結(jié)束語

隨著GE在各領(lǐng)域的廣泛使用,將其數(shù)字地球技術(shù)應(yīng)用于鐵(公)路線路規(guī)劃設(shè)計無疑具有極其重要的意義。通過對GE資源的可行性、可靠性、數(shù)據(jù)精度進行分析比較及現(xiàn)場實踐驗證,可以得出以下結(jié)論:

(1)在目前階段,將GE資源應(yīng)用于鐵路勘測設(shè)計中是可行的,其GE數(shù)據(jù)提取方式也基本可靠,但由于其數(shù)據(jù)精度限制,還只能滿足鐵路預(yù)可研和部分可研階段的設(shè)計要求,應(yīng)特別注意GE資源應(yīng)用的范圍。

(2)充分利用GE資源,將其積極應(yīng)用于鐵路規(guī)劃設(shè)計中,可有效解決當前存在的問題,顯著提高鐵路選線設(shè)計技術(shù)水平,幫助設(shè)計人員實現(xiàn)二維選線向三維選線轉(zhuǎn)變,大大提高了鐵路設(shè)計效率和設(shè)計鐵路的綜合指標,其應(yīng)用有著廣泛的前景。

(3)GE資源下載與轉(zhuǎn)換過程中必須可靠,應(yīng)盡量利用RailwayGIS數(shù)字化平臺或GERail三維空間選線系統(tǒng)進行GE資源下載,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)精度損失,否則將嚴重影響設(shè)計成果的質(zhì)量。

(4)GE采用的WGS84坐標系下的大地坐標,而在鐵路工程建設(shè)規(guī)范中,明確要求新建鐵路的平面坐標系采用北京54坐標系。要實現(xiàn)兩個坐標系的精確轉(zhuǎn)換首先需要獲取鐵路工程建設(shè)區(qū)域的七參數(shù)值,但由于區(qū)域不同,該區(qū)內(nèi)的橢球面和該坐標系下的橢球面必然存在一定差異,僅僅靠兩種橢球參數(shù)很難進行精確轉(zhuǎn)換[6]。

(5)鐵路選線設(shè)計的發(fā)展趨勢是建立集成GE和AutoCAD的鐵路線路三維空間設(shè)計平臺,充分利用GE提供的數(shù)字地形和影像,輔助進行線路平縱橫設(shè)計、方案比選、各種工程圖和數(shù)量表的輸出以及工程虛擬現(xiàn)實演示等,最終實現(xiàn)面向鐵路各設(shè)計階段的數(shù)字化選線。

[1]Wolk,R.M.Utilizing Google Earth and Google Sketchup to visualize wind farms[C]∥2008 IEEE International Symposi-um on Technology and Society.2008:1-8

[2]http://e.chinabyte.com/116/2326616.shtml.

[3]葉豐明,韓正梅.Google Earth在鐵路勘測設(shè)計中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2009(6):43-46

[4]朱 穎,蒲 浩,劉江濤,等.基于數(shù)字地球的鐵路三維空間選線技術(shù)研究[J].鐵道工程學報,2009(7):33-37

[5]王 強.基于Google Earth平臺的數(shù)字旅游應(yīng)用研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2007

[6]陳建平,常慶瑞,陶文芳,等.基于Google Earth的GIS專題制圖技術(shù)研究與應(yīng)用[J].水土保持通報,2008,28(6):63-67

[7]丁志江,王 猛,梁棟彬.基于Google Earth影像圖遙感解譯在我國西北礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].吉林地質(zhì),2008,27(4):124-129

[8]劉瑞敏,李 華,王思鍇,等.基于Google Earth的地鐵亦莊線 GPS控制網(wǎng)布設(shè)[J].測繪通報,2009(11):47-49

[9]易共才,王彥軍,高 宏.Google Earth在公路工程中的應(yīng)用研究[J].中外公路,2008(2):1-3

[10]譚 浩,張慶新.Google Earth在公路設(shè)計中的應(yīng)用[J].西南公路,2007(1):64-65

[11]劉群義,鐘嘉奇,劉 北.Google Earth在水利工程管理中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2006(2):144-147