基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航在野外地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

楊奇勇， 蔣忠誠(chéng)， 馬祖陸， 沈利娜

(巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，桂林 541004)

基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航在野外地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

楊奇勇， 蔣忠誠(chéng)， 馬祖陸， 沈利娜

(巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，桂林 541004)

針對(duì)現(xiàn)有手持GPS系統(tǒng)不提供地圖支持及野外地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中邊遠(yuǎn)山區(qū)無(wú)圖可用的問(wèn)題，提出了基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航方法，研究如何利用Google Earth提供的海量免費(fèi)高分辨率遙感影像和Trimble GPS提供的強(qiáng)大導(dǎo)航功能，制作研究區(qū)域高精度背景導(dǎo)航影像，以實(shí)現(xiàn)野外地質(zhì)調(diào)查的實(shí)景化導(dǎo)航。結(jié)果表明，基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航方法簡(jiǎn)單、直觀，能滿足野外調(diào)查和旅游等導(dǎo)航的需求。

遙感影像；GPS；導(dǎo)航

0 引 言

遙感影像是快速獲取地球表面信息的重要信息源，具有成圖周期短，數(shù)據(jù)更新快，地物平面精度高、相對(duì)關(guān)系明確、細(xì)部反映真實(shí)等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)橛脩籼峁┮环N“俯視看世界”的環(huán)境。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像分辨率越來(lái)越高，甚至達(dá)到cm級(jí)(如IKONOS,SPOT5和QuickBird等)[1-2]。由于遙感影像優(yōu)越的數(shù)據(jù)質(zhì)量和時(shí)間上的延續(xù)性，在土地利用、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3-5]。遙感影像能直接顯示自然地理要素和某些易于識(shí)別的地物，如道路、河流、聚落、耕地及林地等，具有形象、直觀、富立體感、易讀的特點(diǎn)。因此，用遙感影像輔助野外調(diào)查具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

全球定位系統(tǒng)(GPS) 具備高精度、全天候、全球覆蓋、高效率及自動(dòng)化等顯著特點(diǎn)。基于單點(diǎn)定位的GPS其定位精度為30～100 m，可應(yīng)用于地面車(chē)輛、船舶等概略的偽距單點(diǎn)定位[6]。將基于實(shí)時(shí)差分定位的GPS技術(shù)應(yīng)用于野外地質(zhì)調(diào)查、土地利用調(diào)查、土地整理以及地形測(cè)量等工程項(xiàng)目，不但能降低作業(yè)人員工作強(qiáng)度、提高工作效率，而且還能節(jié)約作業(yè)成本[7]。但是，目前的GPS導(dǎo)航地圖主要以道路和聚落為主，不提供其他地圖信息支持。這種方式比較適用于城市內(nèi)部的導(dǎo)航，難以滿足郊區(qū)尤其是野外地質(zhì)調(diào)查導(dǎo)航的需要。因此，研究基于遙感影像的GPS導(dǎo)航方法對(duì)野外地質(zhì)調(diào)查具有重要意義。

本文以云南省鶴慶縣野外石漠化遙感地質(zhì)調(diào)查為例，介紹基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航方法。通過(guò)制作研究區(qū)域?qū)Ш奖尘坝跋?，利用Trimble Juno 3B 手持GPS 強(qiáng)大的導(dǎo)航能力，實(shí)現(xiàn)“人圖合一”的實(shí)景化導(dǎo)航，為野外調(diào)查、城市旅游等導(dǎo)航提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)鶴慶縣位于云南省西北部，地處滇西橫斷山脈南端、云嶺山脈以東，大理白族自治州北端，地理坐標(biāo)為E100°01′～100°29′，N25°57′～26°42′(圖1)。全縣轄9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，國(guó)土面積為2 395 km2，其中山區(qū)、半山區(qū)和峽谷區(qū)面積占89.7%。由于特殊的地理環(huán)境和懸殊的地貌差異，形成“一山分四季，十里不同天”的立體氣候。北部的鶴慶壩(鶴慶盆地)是全縣的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中心?？h城位于鶴慶盆地，海拔2 196 m，年均氣溫13.5 ℃，年降雨量959.5 mm。鶴慶壩西部的西山基巖裸露率高，石漠化嚴(yán)重。

2 實(shí)景化導(dǎo)航的設(shè)計(jì)

實(shí)景化導(dǎo)航設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用到的硬件有PC機(jī)和Trimble Juno 3B手持GPS；軟件有ArcGIS，GPS Pathfinder Office和Microsoft ActiveSync等同步軟件以及Google衛(wèi)星地圖下載器等。實(shí)景化導(dǎo)航設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 基于遙感影像和GPS的實(shí)景化導(dǎo)航設(shè)計(jì)流程Fig.2 Program flowchart of navigation based on remote sensing image and GPS

2.1 遙感影像的下載與拼接

在Google Earth衛(wèi)星地圖下載器中打開(kāi)遙感影像下載窗口，勾選“衛(wèi)星地圖”和“標(biāo)簽”2個(gè)選項(xiàng)，輸入鶴慶縣的邊界地理坐標(biāo)范圍(用“度”表示)。選擇文件保存目錄后，在窗口上顯示出從11～22級(jí)不同影像下載級(jí)別的信息(圖3)。

從圖3可以看出，影像的下載級(jí)別越高，其分辨率就越高，但是數(shù)據(jù)量也就越大。由于鶴慶縣縣域范圍較大，考慮到GPS對(duì)內(nèi)存和野外導(dǎo)航時(shí)操作的反應(yīng)及等待時(shí)間等因素，本研究選擇的下載級(jí)別為14級(jí)(數(shù)據(jù)量只有3.94 M)。該級(jí)別影像清晰，道路聚落等關(guān)系明晰(圖1(右))，基本滿足野外判讀及導(dǎo)航要求。

圖3 遙感影像下載窗口Fig.3 Window downloading remote sensing image

影像下載完成后，點(diǎn)擊“導(dǎo)出/拼接圖片”按鈕，選擇拼接級(jí)別為14級(jí)，勾選“生成jgw坐標(biāo)”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“輸出”按鈕后在彈出窗口選擇“是”添加標(biāo)簽，完成下載影像的自動(dòng)拼接。在拼接完成后的影像上有地名注記和道路等信息，利于實(shí)景化導(dǎo)航。

2.2 遙感圖像的校正

拼接后的遙感圖像包含2個(gè)文件，一個(gè)是jpg格式的圖像文件，另一個(gè)是jgw格式的說(shuō)明文件，包含圖像文件的坐標(biāo)等信息，以經(jīng)緯度顯示。直接將下載后的圖像作為背景導(dǎo)入GPS，發(fā)現(xiàn)圖像上的地物與實(shí)際位置存在一定的錯(cuò)位，需要進(jìn)行校正。將圖像文件導(dǎo)入GIS，設(shè)坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84(與GPS導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)一致)，用經(jīng)緯度來(lái)表示平面位置。根據(jù)1∶5 萬(wàn)比例尺地質(zhì)調(diào)查的要求，利用參考圖形(1∶5 萬(wàn)地形圖或地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http: //www.gscloud.cn/)提供的免費(fèi)DEM和WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，滿足1∶5 萬(wàn)地質(zhì)調(diào)查要求)進(jìn)行遙感圖像的校正。本研究中用Google衛(wèi)星地圖下載器下載的研究區(qū)域圖像坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84，圖像幾乎沒(méi)有變形，但是存在錯(cuò)位現(xiàn)象。因此，只要做圖像平移校正就能滿足實(shí)景化導(dǎo)航的需要。將參考圖形導(dǎo)入GIS，校正步驟如下：

1)用記事本打開(kāi)jgw格式文件。文件內(nèi)容分6行，第1行和第4行分別為X和Y方向上的分辨率，在本校正過(guò)程中不修改；第2行和第3行分別為圖像旋轉(zhuǎn)的角度，也不修改；第5行和第6行分別為圖像左上角的x和y坐標(biāo)，以“度”來(lái)表示，這是背景圖像校正時(shí)可能要修改的地方。

2)在GIS平臺(tái)上找出遙感圖像和參考地圖上同一標(biāo)志物，如山峰、道路或河流的交匯處或拐彎處等。以參考地形圖上選定的標(biāo)志物為參照物，判斷遙感圖像上對(duì)應(yīng)的標(biāo)志物在參照物的什么方位，計(jì)算2個(gè)標(biāo)志物的經(jīng)度差和緯度差。

3)圖像校正主要是修改jpg文件中的第5行和第6行數(shù)據(jù)。如果圖像上的標(biāo)志物在參照標(biāo)志物的東面，那么就在第5行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上減去二者的經(jīng)度差，反之就加上相應(yīng)的經(jīng)度差；如果遙感圖像上的標(biāo)志物在參照標(biāo)志物的北面，那么第6行數(shù)據(jù)就減去二者的緯度差，反之就加上相應(yīng)的緯度差。

4)重復(fù)步驟2)，3)，使圖像與地形圖相應(yīng)的標(biāo)志物在空間位置上基本重合，完成圖像校正。

2.3 背景圖片的制作

通過(guò)對(duì)遙感圖像的初步判讀，可以將感興趣的區(qū)域提取出來(lái)生成shp格式的矢量圖。如將鶴慶縣的石漠化信息提取出來(lái)，再疊加到遙感圖像上。本研究根據(jù)野外調(diào)查的需要，將鶴慶縣的紙質(zhì)地質(zhì)圖掃描、配準(zhǔn)、矢量化，并將矢量圖疊加到圖像上作為導(dǎo)航背景圖片。圖片輸出為jpg格式，同時(shí)輸出一份紙質(zhì)圖件用于野外輔助看圖。這樣，在野外導(dǎo)航時(shí)，調(diào)查者能夠非常直觀地看到自己所處的位置及周邊的地質(zhì)環(huán)境情況(如觀察者所處區(qū)域的巖性等)。如果疊加的是歷史時(shí)期的石漠化等級(jí)圖，調(diào)查者能夠非常直觀地看到自己所處區(qū)域的歷史石漠化等級(jí)狀況，便于在野外進(jìn)行石漠化動(dòng)態(tài)變化比較。

2.4 數(shù)據(jù)同步

打開(kāi)Trimble X(本研究中用Trimble Juno 3B)手持GPS，啟動(dòng)TerraSync。在電腦上啟動(dòng)GPS Pathfinder Office軟件，將GPS與電腦連接，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)Active Sync軟件。將制作好的背景圖像導(dǎo)入到GPS Pathfinder Office中，保存為背景圖片格式，再利用GPS Pathfinder Office的傳送功能將背景圖片發(fā)送到GPS上。

3 實(shí)景導(dǎo)航

在研究區(qū)域打開(kāi)GPS，將GPS顯示為圖形模式，點(diǎn)擊“層次”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊“背景文件”選項(xiàng)，在彈出的菜單中選擇制作、發(fā)送過(guò)來(lái)的背景文件。以光標(biāo)為中心放大背景圖像到適當(dāng)比例。光標(biāo)在圖中的位置代表觀察者的實(shí)際位置。隨著觀察者在研究區(qū)域進(jìn)行調(diào)查活動(dòng)，光標(biāo)在背景圖片上也相應(yīng)地移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)景化導(dǎo)航。找一個(gè)交叉路口，檢查光標(biāo)是否也停留在遙感圖像上的對(duì)應(yīng)位置，如果不是，說(shuō)明遙感圖像還需校正，此時(shí)可以交叉路口為參照標(biāo)志，進(jìn)行背景圖片的重新校正。即重復(fù)前面2.2節(jié)2.3節(jié)的步驟，直至光標(biāo)也停留在遙感圖像上的交叉路口(圖4)。

圖4 野外實(shí)景導(dǎo)航Fig.4 Real navigation in the field

上述校正工作是在鶴慶縣北部縣城完成的。對(duì)遙感圖像校正后將手持GPS放置鶴慶縣縣城主要道路交叉路口，在圖4中光標(biāo)正好也處在圖像上的交叉路口中心，說(shuō)明背景圖像能夠用于導(dǎo)航。在項(xiàng)目調(diào)查導(dǎo)航過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)即使是在縣城的南面，光標(biāo)最大偏移量也只有10 m，說(shuō)明GPS能夠滿足項(xiàng)目導(dǎo)航的需要。

從圖4可以看出，基于遙感影像的GPS導(dǎo)航很直觀。光標(biāo)能反映導(dǎo)航者前進(jìn)的方向和所處的地理坐標(biāo)、海拔高度等。根據(jù)光標(biāo)的位置，對(duì)照紙質(zhì)地質(zhì)圖很快便知道自己處在什么巖性區(qū)域、該區(qū)域的石漠化歷史等級(jí)狀況，等等，從而節(jié)省野外作業(yè)時(shí)間，提高了工作效率。

4 結(jié)論

1)針對(duì)野外地質(zhì)調(diào)查缺少資料的問(wèn)題，借助Google Earth 提供的免費(fèi)遙感圖像制作GPS實(shí)景化導(dǎo)航圖，用于野外實(shí)景導(dǎo)航。該導(dǎo)航方法簡(jiǎn)單、操作方便，導(dǎo)航精度能滿足調(diào)查需要。

2)疊加地質(zhì)圖后的實(shí)景化導(dǎo)航能反映野外工作者所處地點(diǎn)的地形地貌特征和地質(zhì)情況，給調(diào)查者以“人在地質(zhì)圖中”的感覺(jué)。不但便于野外線路的選取，而且利于對(duì)調(diào)查點(diǎn)更多地質(zhì)信息的獲取，節(jié)省調(diào)查時(shí)間。

3)從設(shè)計(jì)的實(shí)景化導(dǎo)航方法來(lái)看，根據(jù)野外工作的需要，可以通過(guò)改變或者組合疊加在遙感圖像上的其他圖件建立背景圖像。如疊加土壤圖進(jìn)行土壤調(diào)查；疊加林類(lèi)分布圖進(jìn)行森林調(diào)查等。因此，該方法具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 黃志堅(jiān),張金芳.基于圖像配準(zhǔn)的高分辨率遙感圖像道路追蹤[J].電子技術(shù),2010,37(2):4-6. Huang Z J,Zhang J F.Road tracking from high resolution images based on image registration[J].Electronic Technology,2010,37(2):4-6.

[2] 葉發(fā)旺,劉德長(zhǎng).高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在鈾礦化褪色蝕變識(shí)別分析中的應(yīng)用[J].國(guó)土資源遙感,2012,24(4):117-123. Ye F W,Liu D C.Application of high resolution satellite remote sensing technology in identification and analysis of the Uranium mineralization bleached alteration[J].Remote Sensing for Land and Resources,2012,24(4):117-123.

[3] 雒燕飛,徐泮林,李英成,等.3S技術(shù)在土地督察中的應(yīng)用[J].國(guó)土資源遙感,2010,22(3):12-15. Luo Y F,Xu P L,Li Y C,et al.The application of 3S technology to land supervision[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010,22(3):12-15.

[4] 楊奇勇,蔣忠誠(chéng),馬祖陸,等.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和遙感的巖溶區(qū)石漠化空間變異特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(4):243-247. Yang Q Y,Jiang Z C,Ma Z L,et al.Spatial variability of Karst rock desertification based on geostatistics and remote sensing[J].Transactions of the CSAE,2012,28(4):243-247.

[5] 郭達(dá)志,盛業(yè)華,金學(xué)林,等.礦區(qū)巖溶陷落柱探測(cè)中遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1994,23(2):113-119. Guo D Z,Sheng Y H,Jin X L,et al.An application of remote sensing image and GIS to exploration of Karst collapse pillars in a coal mine area[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1994,23(2):113-119.

[6] 袁建東.基于Google Earth的車(chē)載GPS導(dǎo)航定位的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安科技大學(xué),2009. Yuan J D.The Design and Realization of Navigation and Positioning Using Car-carrying GPS[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2009.

[7] 索俊鋒.基于Google Earth的GPS實(shí)景化導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].礦山測(cè)量,2013(1):8-10,58. Suo J F.Design and realization of the real navigation system using GPS based on Google Earth[J].Mine Surveying,2013(1):8-10,58.

(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

Application of the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey

YANG Qiyong， JIANG Zhongcheng， MA Zulu， SHEN Lina

(KeyLaboratoryofKarstEcosystemandTreatmentofRockyDesertification,InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin541004,China)

The current GPS (Global Positioning System) system could not provide map support, and no maps can be used in geological survey in the remote areas. Aimed at solving these problems, the authors put forward the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey. Google Earth can provide large and free high resolution remote sensing image for users in the world and Trimble GPS can provide powerful navigation function. The real navigation was designed based on GPS and remote sensing image extracted from Google Earth. By using high resolution remote sensing image with the addition of geological map as the background map, the imports receive location information to be calibrated on remote sensing images, and the real navigation can be achieved. The results achieved by the authors show that the technology is more effective and intuitive in comparison with other approaches, and hence can meet the demands of navigation in field survey and tour.

remote sensing image; GPS; navigation

2013-11-05；

2014-01-23

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“喀斯特峰叢洼地退化生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性修復(fù)技術(shù)與示范”(編號(hào)： 2010BAE00739-02)、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“典型旅游區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)植被修復(fù)及生態(tài)旅游管理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(編號(hào)： 2012BAC16B02)、西南巖溶石漠化遙感調(diào)查與地面監(jiān)測(cè)(編號(hào)： 1212011220958)、廣西自然科學(xué)基金(編號(hào)： 2012GXNSFAA053186,2014GXNSFBA118215)以及中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所所控項(xiàng)目(編號(hào)： 2012015)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.28

楊奇勇,蔣忠誠(chéng),馬祖陸,等.基于遙感影像的GPS實(shí)景化導(dǎo)航在野外地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].國(guó)土資源遙感,2015,27(1)：178-181.(Yang Q Y,Jiang Z C,Ma Z L,et al.Application of the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：178-181.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0178-04

楊奇勇(1976-)，男，博士后，副研究員，主要從事巖溶區(qū)水土資源高效利用與遙感應(yīng)用研究。Email: yangqiyong0739@163.com。

沈利娜(1982-)，女，博士，主要從事巖溶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和遙感應(yīng)用研究。Email: shenlina@karst.ac.cn。