基于Global Mapper的測(cè)繪圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

劉勝旋，高佩蘭

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510075;2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510075)

0 引言

在測(cè)繪制圖時(shí)，常常涉及不同格式圖形的相互轉(zhuǎn)換問(wèn)題。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，大多數(shù)軟件通過(guò)通用交換格式即可完成;對(duì)于一些復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，單個(gè)軟件往往無(wú)能為力，即使通過(guò)多個(gè)軟件多次轉(zhuǎn)換勉強(qiáng)可以完成，但圖元參數(shù)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的改變，結(jié)果往往差強(qiáng)人意。

近年來(lái)，美國(guó)LLC公司開發(fā)了一個(gè)小型GIS軟件Global Mapper，享有 GIS中的“瑞士軍刀”之美稱，能夠用于瀏覽、合成、編輯、輸入、輸出常用的光柵、高程及矢量數(shù)據(jù)集(王子明，2008)。其最新版本V16支持的數(shù)據(jù)格式幾乎包括了所有現(xiàn)行商業(yè)GIS支持的格式，其中能夠讀取的矢量數(shù)據(jù)97種、高程網(wǎng)格化數(shù)據(jù)77種、光柵影像圖49種。隨著版本的升級(jí)，其支持的數(shù)據(jù)格式也不斷增多。

本次研究試圖挖掘Global Mapper支持多種數(shù)據(jù)格式的功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪圖形、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的目的。測(cè)繪圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括不同橢球體之間的轉(zhuǎn)換、相同橢球體但不同大地基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換以及不同坐標(biāo)投影之間的相互轉(zhuǎn)換。

1 DTM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

CARIS HIPS/SIPS是加拿大Universal System公司開發(fā)的一套通用多波束資料處理軟件(侯世喜等，2003)，以友好的Windows風(fēng)格界面、兼容眾多格式的多波束、聲納原始數(shù)據(jù)而廣泛獲得用戶的認(rèn)可。項(xiàng)目處理結(jié)束后，通常的做法是輸出所有測(cè)線的ASCII數(shù)據(jù)，然后利用其他軟件進(jìn)行網(wǎng)格化制圖。如果以BAG格式輸出其生成的BASE曲面，然后利用Global Mapper軟件直接打開使用或轉(zhuǎn)換為其他格式的高程數(shù)據(jù)，則可以起到事半功倍的效果。BAG(Bathymetry Attributed Grid)是美國(guó) NOAA、CCOM－JHC、CARIS等政府、科研機(jī)構(gòu)和公司共同開發(fā)的一種專門用于各種程序、單位之間傳輸帶誤差屬性的水深二進(jìn)制網(wǎng)格化文件，它提供了一種戶到戶、無(wú)需轉(zhuǎn)換即可協(xié)同工作的解決方案(Brennan et al，2005a，2005b)。通過(guò) BAG 文件，無(wú)需重新網(wǎng)格化海量的數(shù)據(jù)，即可在不同的程序之間迅速架起橋梁。

NetCDF(Network Common Data Format，網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式)由美國(guó)大學(xué)大氣研究協(xié)會(huì)的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(fā)，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)(孫建偉等，2010)。NetCDF由于其靈活性，能夠傳輸海量的面向陣列數(shù)據(jù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、水文、海洋學(xué)、環(huán)境模擬、地球物理等諸多領(lǐng)域(賈俊濤等，2007)。MB－System是Unix系統(tǒng)的一套開源多波束數(shù)據(jù)處理軟件，其所擁有的海量數(shù)據(jù)網(wǎng)格化能力遠(yuǎn)非Windows軟件可比。用其網(wǎng)格化生成的數(shù)據(jù)均為NetCDF格式，使用Global Mapper可以直接打開該種類型的數(shù)據(jù)，然后輸出為其他軟件所需的數(shù)據(jù)格式(例如Surfer類型的GRD數(shù)據(jù))。

大洋水深圖(GEBCO)數(shù)據(jù)庫(kù)(里弼東，1998)包含了全球范圍內(nèi)的經(jīng)緯度間隔為30″的高分辨率海洋、陸地的高程數(shù)據(jù)，用戶可以免費(fèi)下載使用(http：//www.bodc.ac.uk/data/online_delivery/gebco/)。下載文件的后綴名為nc，其文件類型同樣為NetCDF格式，可以很方便地使用Global Mapper打開瀏覽、轉(zhuǎn)換輸出。

2000年2月11—22日，美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測(cè)繪(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)獲得了地球表面60°N—56°S、覆蓋陸地表面80%以上的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)(汪凌，2000)，其中3″×3″(相當(dāng)于90 m柵格分辨率)的SRTM3已對(duì)全球免費(fèi)發(fā)布。這一數(shù)據(jù)將推動(dòng)空間地理科學(xué)的發(fā)展，并為數(shù)字地形分析提供數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)高程誤差評(píng)價(jià)、空缺插值、數(shù)據(jù)融合(陳傳法等，2010a，2010b;詹蕾等，2010)等進(jìn)行了大量的研究。同樣，依托Global Mapper強(qiáng)大的數(shù)據(jù)格式支持，可以為各種研究帶來(lái)非常的便利。

以上DTM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換只涉及到不同格式的轉(zhuǎn)換，而數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方式均保持不變，操作相對(duì)較簡(jiǎn)單，只需打開待轉(zhuǎn)換的文件，然后輸出為所需格式的DTM數(shù)據(jù)即完成轉(zhuǎn)換。

2 坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換

Global Mapper的坐標(biāo)系統(tǒng)與投影數(shù)據(jù)管理模式如圖1所示，設(shè)置好“當(dāng)前工作區(qū)的投影參數(shù)”，以后只要正確打開其他不同投影參數(shù)的文件，都會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前投影方式。如果將當(dāng)前工作區(qū)的圖形數(shù)據(jù)輸出到一個(gè)新的文件，即可完成坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換。Global Mapper既可對(duì)ASCII數(shù)據(jù)、高程網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以對(duì)多種格式的圖形進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖1 坐標(biāo)與投影數(shù)據(jù)管理模式Fig.1 Management model of coordinates and projection data

AutoCAD以其強(qiáng)大的圖形顯示、編輯功能，已廣泛使用于國(guó)內(nèi)的測(cè)繪行業(yè)。由于AutoCAD自身沒有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與地圖投影功能，因此制圖前必須將數(shù)據(jù)按要求準(zhǔn)備好。制圖完成后，一旦需要改變坐標(biāo)系統(tǒng)或投影方式，AutoCAD自身將無(wú)法完成此類轉(zhuǎn)換，解決的辦法只有重新制圖或編寫程序(吳敬文等，2009)。無(wú)論采用何種方法，都將是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的繁瑣過(guò)程。

利用 Global Mapper便能夠直接輸入、輸出DWG格式文件的功能，可以輕松完成此類轉(zhuǎn)換。例如，在一次管線路由調(diào)查的制圖剛剛結(jié)束準(zhǔn)備提交時(shí)，由于要求有變，制圖參數(shù)也出現(xiàn)變化，具體要求是將原來(lái)的WGS84－UTM投影改為WGS72－Lambert投影(并且要求為廣播星歷參數(shù)，而系統(tǒng)內(nèi)置的是精密星歷參數(shù))。面對(duì)十幾幅分幅圖，如果沒有快速解決的辦法而從原始數(shù)據(jù)開始重新制圖，那將是一個(gè)十分繁重的任務(wù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Global Mapper可以解決大部分問(wèn)題。首先是坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，Global Mapper支持通過(guò)3種方式建立新的坐標(biāo)系統(tǒng)：三參數(shù)變換、七參數(shù)變換與控制點(diǎn)變換，然后再根據(jù)投影參數(shù)設(shè)置新的投影方式(圖2)，即完成了“當(dāng)前工作區(qū)的投影參數(shù)”設(shè)置，下一步只需逐步打開每一分幅圖，然后另存為新的DWG文件，即可同時(shí)完成坐標(biāo)系統(tǒng)與投影方式的轉(zhuǎn)換。

需要注意的是，由于涉及到不同橢球體之間的轉(zhuǎn)換，原圖的經(jīng)緯網(wǎng)標(biāo)注也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，因此必須重新制作新的經(jīng)緯網(wǎng)圖框。相對(duì)于從數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格化等整一套制圖流程，利用Global Mapper的坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換功能可極大地減輕制圖工作量。

圖2 設(shè)置當(dāng)前投影參數(shù)Configuration of the current projection parameters

3 光柵影像圖配準(zhǔn)

Global Mapper支持多種格式的光柵影像圖讀取與輸出。如果影像圖包含坐標(biāo)信息，使用Global Mapper直接打開即可使用，或者輸出為其他格式的影像圖;如果影像圖沒有包含坐標(biāo)信息，則可使用Global Mapper的影像圖校準(zhǔn)功能進(jìn)行校準(zhǔn)，然后輸出為包含坐標(biāo)信息的GeoTiff格式圖像，下次使用或用其他軟件時(shí)就不必重新校準(zhǔn)。

Google Earth是美國(guó)Google公司發(fā)布的一款全球衛(wèi)星地圖集成軟件，提供了大量的高清衛(wèi)星圖像，用戶只需安裝客戶端軟件，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即可免費(fèi)訪問(wèn)。目前，Google Earth的衛(wèi)星影像圖在國(guó)內(nèi)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)、鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)、電力路線勘測(cè)設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)估、海岸地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、近岸海洋工程等方面等到了廣泛的應(yīng)用。但是，從Google Earth獲取的衛(wèi)星影像圖一般都是沒有坐標(biāo)信息的，這就需要將衛(wèi)星影像圖配準(zhǔn)后才能與測(cè)量的數(shù)據(jù)合并使用。

2014年4月，為了解廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局專用碼頭及周圍的淤泥堆積情況，以便制定挖掘清淤計(jì)劃，在碼頭周圍進(jìn)行了多波束全覆蓋測(cè)量。圖3為使用Global Mapper將多波束DTM數(shù)據(jù)與Google Earth影像圖配準(zhǔn)的成果圖。從圖上可以直觀地看到碼頭的位置、多波束測(cè)量范圍在河流中的位置、主航道的位置與走向等情況，最后以此圖為基礎(chǔ)，制作了碼頭港池水深圖。水深圖鑲嵌衛(wèi)星影像圖后，整個(gè)圖形顯得資料詳實(shí)、內(nèi)容豐富、生動(dòng)直觀。

圖3 衛(wèi)星圖片與矢量數(shù)據(jù)配準(zhǔn)Fig.3 Registration of satellite images and vector data

4 結(jié)論

Global Mapper是一個(gè)體積小巧、功能強(qiáng)大、速度快的另類GIS軟件。主要介紹了DTM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、光柵影像圖配準(zhǔn)等方面的應(yīng)用。

其中，DTM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的內(nèi)容不僅適用于文中所介紹幾種格式，還包括 ArcInfo、MapInfo、ETOPO2、GeoDAS、Geosoft、Gravsoft、GTOPO30、NOAA、Surfer、ZMap等眾多常用格式的 DTM數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。

對(duì)于坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，內(nèi)容更是廣泛。除了CAD圖形坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換外，還可以對(duì)各種DTM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，例如將經(jīng)緯度格式的Surfer網(wǎng)格化文件進(jìn)行坐標(biāo)投影，然后再輸出為相同的Surfer網(wǎng)格化文件;對(duì)各種點(diǎn)、線文件進(jìn)行投影與反投影轉(zhuǎn)換等。

光柵影像圖配準(zhǔn)也是Global Mapper的特色功能之一。它能打開眾多格式的光柵圖片，包括掃描圖片、抓屏圖片、以及各種衛(wèi)星圖片等，如果圖片沒有包含坐標(biāo)信息，則可以配準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后，輸出為包含坐標(biāo)信息的GeoTiff圖片。

以上介紹的僅僅是Global Mapper的部分功能，其提供的許多其他實(shí)用功能均有待于進(jìn)一步挖掘應(yīng)用。

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