淺談Google地球高程數(shù)據(jù)的提取

□唐勝軍 □張立東 □王少杰（河南省信陽水文水資源勘測局）

1.引言

隨著衛(wèi)星與遙測科技的迅速發(fā)展，數(shù)值高程模型(DigitalElevationModel)已經(jīng)成為地球物理科學應(yīng)用研究中相當重要的資料。數(shù)值高程模型數(shù)據(jù)可由許多技術(shù)得到，如地面測量、航拍、空載雷達、雷達高度測量，以及干涉合成孔徑雷達等。Google地球自2005年推出，提供免費的全球性地理信息供人們?yōu)g覽使用，可顯示任意位置的3D地形與建筑物。Google地球的影像數(shù)據(jù)整合自衛(wèi)星影像與航拍數(shù)據(jù)。其衛(wèi)星影像部分來自于美國DigitalGlobe公司的QuickBird商業(yè)衛(wèi)星與EarthSat公司的LANDSAT-7陸地衛(wèi)星，其中，QuickBird衛(wèi)星能夠提供解析度為0.61m的高精度商用衛(wèi)星影像。航拍部分來自于BlueSky公司、Sanborn公司等。Google地球以航天飛機雷達地形任務(wù)（SRTM）產(chǎn)生的地形資料為基本地形數(shù)據(jù)。航天飛機雷達地形任務(wù)完成對全球北緯60°和南緯56°間的地表掃描，一般地區(qū)的SRTM地形資料解析度為3rad/s，北美地區(qū)SRTM資料的空間解析度可達1rad/s。目前，用戶計算機上不必儲存大量的地圖資料，通過Google地球即可動態(tài)取得質(zhì)優(yōu)價高的衛(wèi)星影像和高程資料。實現(xiàn)從Google地球批量獲取高程數(shù)據(jù)，將對實際工程應(yīng)用非常有幫助。本文結(jié)合Google地球所提供的二次開發(fā)接口，實現(xiàn)對指定區(qū)域高程數(shù)據(jù)的提取。

2.Google地球簡介

Google地球是Google公司發(fā)布的一款基于網(wǎng)絡(luò)的三維地理信息瀏覽軟件，它把衛(wèi)星影像、航空照片、三維地面模型等GIS信息合成在一個三維地球模型上，用戶通過該軟件可以免費瀏覽全球各地的衛(wèi)星影像。它的格柵數(shù)據(jù)精度以域地理位置的重要性而異，鄉(xiāng)村區(qū)域衛(wèi)星影像分辨率大約在10～30m，水系、河流、村莊、工廠等地物能清晰地判讀。大中城市及大壩、油田、機場等重要設(shè)施的高清影像的分辨率達到0.6m，航空圖像精度更高。Google地球提供全球30m至90m精度的數(shù)值高程模型。在平原中心地帶，DEM精度在2m左右；山丘地區(qū)精度在10m左右,高山區(qū)精度在30m左右，能夠滿足一般工程應(yīng)用需要,具有很高的應(yīng)用價值。

Google地球應(yīng)用通常有兩種擴展方式，一種是基于組件的二次開發(fā)方式，另一種是基于KML文件擴展數(shù)據(jù)的方式。在實際應(yīng)用中，基于組件二次開發(fā)的方式更為方便靈活。Google EarthCOMAPI是GoogleEarth發(fā)布的基于組件技術(shù)的應(yīng)用程序接口，用戶可以在不同的開發(fā)平臺上調(diào)用GoogleEarthCOMAPI開發(fā)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)特定的功能。GoogleEarthCOMAPI類庫包括11個類，主要有 IApplicationGE、ICameraInfoGE、IFeatureGE、IFeatureCollectionGE、IViewExtentsGE等接口。IApplicationGE接口是GoogleEarthCOMAPI主要部分，開發(fā)者可以通過IApplicationGE接口與GoogleEarth進程交互。ICameralnfoGE接口描述元素在GoogleEarth上的相機視角信息，以及相機相對于元素的方位信息。通過該接口，程序可以設(shè)置Google地球當前視圖的相機視角。IFeatureGE描述加載到GoogleEarth中的KML元素的基本信息。IFeatureCollectionGE是元素集合的接口。

IViewExtentsGE描述在GoogleEarth中的觀察范圍，用戶可通過該接口控制當前視圖。

3.高程數(shù)據(jù)的提取

高程數(shù)據(jù)的提取工作是通過在MicrosoftVisualStudio2008平臺編寫應(yīng)用程序來完成的。程序的實現(xiàn)需要多種編程技術(shù)，本軟件中主要應(yīng)用的有界面編程技術(shù)和多線程技術(shù)。基于Windows平臺的界面編程技術(shù)使用比較容易。下面對界面編程技術(shù)、多線程技術(shù)和數(shù)據(jù)提取實現(xiàn)作簡單闡述。

3.1 界面編程

本程序是一個單文檔的項目。程序界面比較簡潔，輸入欄是4個文本框TextBox，顯示欄是一個進度條ProgressBar。程序窗體FormBorderStyle屬性為FixedToolWindow。東南西北4個文本框用于設(shè)置高程數(shù)據(jù)提取區(qū)域的經(jīng)緯度范圍。其中，西東兩個文本框用來輸入提取區(qū)域經(jīng)度的最小值和最大值，南北兩個文本框用來輸入提取區(qū)域緯度的最小值和最大值。

圖1 應(yīng)用程序界面圖

3.2 多線程技術(shù)

利用GoogleEarthCOMAPI提取高程數(shù)據(jù)會占用較多的計算機資源。如果直接在窗體按鈕的click事件中處理整個數(shù)據(jù)提取過程，由于提取過程耗時較長，直到提取數(shù)據(jù)的過程運行完畢后，窗體線程才有時間處理其他事件。在此期間，窗體將無法響應(yīng)用戶輸入或處理系統(tǒng)消息，出現(xiàn)“無響應(yīng)”的情況。為了避免窗體界面無響應(yīng)這種情況出現(xiàn)，本文采用多線程技術(shù)，讓耗時的數(shù)據(jù)提取操作在后臺完成，在程序運行過程中及時刷新顯示欄上的進度條顯示提取進度。微軟.NETFramework2.0版中提供了一個名為Thread的類，該類允許開發(fā)者創(chuàng)建并控制線程，設(shè)置其優(yōu)先級并獲取其狀態(tài)，使用Thread類可以較好地解決用戶界面無響應(yīng)的問題。在.net中可以通過Thread類的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建新的線程實例，在該線程上執(zhí)行的方法將通過一個傳遞給Thread構(gòu)造函數(shù)的ThreadStart委托或ParameterizedThreadStart委托來表示。本文將提取高程數(shù)據(jù)的方法定義為Elevation類的成員方法ExtractElevation，該方法的參數(shù)類型和返回值與ThreadStart委托相同。在窗體按鈕的click事件中將ExtractElevation方法傳遞給新線程實例的構(gòu)造函數(shù)，由Thread.Start使線程按計劃執(zhí)行數(shù)據(jù)提取操作。

3.3 高程提取

在EARTHLib命名空間中，Google地球為開發(fā)者提供了大量的虛方法,允許用戶在派生類中重寫這些方法。本文高程提取的方法實現(xiàn)中主要應(yīng)用到其中的SetCameraParams和Get-PointOnTerrainFromScreenCoords兩個虛方法。SetCameraParams方法用于調(diào)整當前Google地球的視場焦點的各個參數(shù)，無須重新定義照相對象，方法聲明為publicvirtualvoidSetCamera-Params(doublelat,doublelon,doublealt,AltitudeModeGEaltMode,doubleRange,doubleTilt,doubleAzimuth,doublespeed)，其中 alt-Mode參數(shù)類型為AltitudeModeGE枚舉類型，表示高度模式。GetPointOnTerrainFromScreenCoords方法用于取得地面上某一點的屏幕坐標，方法聲明為publicvirtualPointOnTerrainGEGet-PointOnTerrainFromScreenCoords(doublescreen_x,doublescreen_y)其中參數(shù) screen_x和 screen_y的取值區(qū)間為（-1，1）。Get-PointOnTerrainFromScreenCoords方法返回值為IPointOnTerrainGE接口，該接口描述點位的地理特征，提供了關(guān)于地形和點位的操作，有 Altitude、Latitude、Longitude、ProjectedOntoGlobe和ZeroElevationExaggeration5個屬性。

本文的高程提取分為以下幾個步驟：

一是獲取用戶設(shè)置的高程數(shù)據(jù)提取區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，計算需要開啟的Google地球進程數(shù)量。實例化ApplicationGEClass類并打開Google地球程序。通過操作系統(tǒng)提供的GetProcessesByName函數(shù)獲取打開的Google地球進程句柄。

二是通過SetCameraParams方法設(shè)置當前Google地球的視場焦點經(jīng)度、焦點緯度、焦點高度、視場范圍、鏡頭傾角、鏡頭方位角和相機移動速度。調(diào)用Thread.Sleep方法休眠當前線程，等待地圖傳輸完成。

三是執(zhí)行GetPointOnTerrainFromScreenCoords(0,0)方法，獲取當前屏幕坐標處的經(jīng)緯度、高度、是否為投影點、是否拉伸等地理信息。按照方法返回值的結(jié)構(gòu)將獲取的地理信息保存到數(shù)組并刷新程序界面提示進度。

四是重復步驟二和三，直到用戶設(shè)置區(qū)域的數(shù)據(jù)提取完畢。

五是新建文本文件，將提取的高程數(shù)據(jù)逐列寫入文件。關(guān)閉Google地球程序，釋放系統(tǒng)資源。

4.結(jié)語

Google地球是一款面向大眾的商業(yè)軟件，它向全世界的用戶提供了一個開放的地理信息資源庫。本文結(jié)合Google地球所提供的2次開發(fā)接口對多線程技術(shù)和從Google地球中獲取高程數(shù)據(jù)進行了簡單探討。以高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用戶可以構(gòu)建諸如數(shù)值模擬、虛擬現(xiàn)實等分析應(yīng)用，讓高程數(shù)據(jù)為人們提供更好的應(yīng)用體驗。