Google Earth在填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

曾紀(jì)勝，孫玉超，王銀霞，魏征

(國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院 廣州 510300)

Google Earth在填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

曾紀(jì)勝，孫玉超，王銀霞，魏征

(國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院 廣州 510300)

根據(jù)國(guó)家海洋局海域管理要求，填海工程在施工過程中需要對(duì)其進(jìn)行海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。填海工程界址和面積以及岸線變遷監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段主要包括GPS測(cè)量、水深測(cè)量和水下側(cè)掃等。文章結(jié)合Google Earth海量免費(fèi)高分辨率遙感影像優(yōu)勢(shì)且支持二次開發(fā)特點(diǎn)，探討Google Earth在填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)、外業(yè)工作中的應(yīng)用;基于Google Earth開發(fā)一套外業(yè)數(shù)據(jù)采集及Google影像下載軟件，為其在填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的常規(guī)化應(yīng)用提供便捷工具。應(yīng)用結(jié)果表明，Google Earth可為填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)外業(yè)測(cè)量工作提供實(shí)時(shí)定位及快速疊加分析，Google影像可為填海過程分析提供參考數(shù)據(jù)并為成果圖件制作提供底圖數(shù)據(jù)，Google Earth可作為填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中高效的輔助工具。

填海工程;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);海域管理;工程技術(shù)

根據(jù)國(guó)家海洋局編制的《海域使用分類體系》，填海造地指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式。填海屬于完全改變海域自然屬性的用?；顒?dòng)，同時(shí)對(duì)周邊海域資源條件和開發(fā)利用活動(dòng)造成較大影響［1］。2007年國(guó)家海洋局印發(fā)《填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收管理辦法》，要求填海項(xiàng)目竣工驗(yàn)收時(shí)需提交海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告。開展填海工程的海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是海洋管理部門加強(qiáng)監(jiān)管、規(guī)范項(xiàng)目用海和施工、保護(hù)海洋資源環(huán)境的有效手段［2］，填海工程海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括界址和面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、岸線變遷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和海域使用對(duì)策措施落實(shí)情況等部分［3］。

本文從填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作要求出發(fā)，結(jié)合Google Earth海量高清遙感影像庫優(yōu)勢(shì)及二次開發(fā)特點(diǎn)，開發(fā)一套外業(yè)數(shù)據(jù)采集及Google影像下載軟件，探討Google Earth在填海工程界址和面積以及岸線變遷監(jiān)測(cè)內(nèi)、外業(yè)工作中的應(yīng)用。

1 Google Earth介紹

Google Earth是Google公司于2005年6月推出的一款三維虛擬地球軟件，具有先進(jìn)的海量衛(wèi)星影像存儲(chǔ)和處理技術(shù)、提供免費(fèi)高分辨率衛(wèi)星影像、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、支持二次開發(fā)等特點(diǎn)［4］。Google Earth免費(fèi)提供的衛(wèi)星影像在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)分辨率均優(yōu)于1 m、許多地區(qū)為0．5 m，大部分區(qū)域影像更新周期小于1年，并且提供多年歷史影像。

Google Earth提供2種開發(fā)方式，分別是基于Google Earth的 COM API和KML［5］。Google Earth COM API于2008年5月正式發(fā)布，基于COM API的開發(fā)方式主要將Google Earth地球窗口嵌入開發(fā)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)管理、三維展示、影像獲取、導(dǎo)航定位、制圖輸出等;KML文件是Google公司基于XML定義的用于交換地理數(shù)據(jù)的文件，KML可用于定義的地理特征包括地點(diǎn)、描述、疊層、路徑和多邊形等［6］，基于KML的開發(fā)主要是將其他格式的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML文件并在Google Earth中疊加分析。

2 基于KML的海岸線及填海批復(fù)范圍的疊加分析

Google Earth平臺(tái)中影像數(shù)據(jù)均為WGS84坐標(biāo)系;目前我國(guó)沿海各地修測(cè)的海岸線均為WGS84坐標(biāo)系，海域管理信息系統(tǒng)中批復(fù)用海的宗海圖坐標(biāo)系為 CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(之前主要為WGS84坐標(biāo)系)。在我國(guó)大部分地區(qū)，同一點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)值與CGCS2000坐標(biāo)值最大相差20～30 cm［7］，因此在海岸線及填海批復(fù)范圍線與Google Earth影像疊加分析時(shí)，坐標(biāo)系可認(rèn)為是一致的。

目前我國(guó)海域管理中海岸線和填海批復(fù)范圍數(shù)據(jù)格式主要為ArcGIS的Shape file格式、AutoCAD的DWG格式以及坐標(biāo)文本格式等，不論何種格式均可以通過ArcGIS等軟件轉(zhuǎn)換成KML格式(或KMZ格式)，當(dāng)然也可以開發(fā)的軟件將以上數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成KML文件并將其疊加到Google Earth中，從而結(jié)合Google影像分析用海情況。

3 基于Google Earth COM API的定位分析及數(shù)據(jù)采集

海岸線與填海批復(fù)范圍線在Google Earth中疊加后，根據(jù)Google Earth中的最新影像可以查看填海工程最新施工情況，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。但該方式在實(shí)際工作中存在影像更新周期長(zhǎng)且影像更新不及時(shí)等問題，達(dá)不到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的效果，因此需要將Google影像與外業(yè)測(cè)量相結(jié)合來獲取最新的填海施工情況。

基于Google Earth COM API開發(fā)外業(yè)定位及數(shù)據(jù)采集軟件，通過讀取外業(yè)平板電腦內(nèi)置GPS(或外接GPS)串口中的NMEA 0183協(xié)議字符串［8］，獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)(WGS84坐標(biāo)系)，生成KML導(dǎo)航點(diǎn)及 KML軌跡線文件，實(shí)時(shí)疊加到Google Earth影像中，從而實(shí)現(xiàn)基于Google Earth的外業(yè)定位及數(shù)據(jù)采集。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，將海岸線與填海批復(fù)范圍線疊加到Google Earth中，作業(yè)人員攜帶外業(yè)平板電腦沿著填海坡頂線采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)記錄軌跡，通過查看實(shí)時(shí)位置與海岸線及填海批復(fù)范圍線相互位置關(guān)系，從而判斷該區(qū)域填海情況，同時(shí)也能判斷該區(qū)域Google影像是否為最新。外業(yè)采集的坡頂線數(shù)據(jù)也可以用來分析填海完成情況(判斷是否超填以及填海完成具體情況時(shí)，必要時(shí)需進(jìn)行水下側(cè)掃)。

4 基于Google Earth的無人機(jī)航拍照片疊加分析

在填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，經(jīng)常需要拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片記錄填海完成情況。近年來隨著消費(fèi)級(jí)無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)航拍在各行業(yè)得到迅速應(yīng)用。由于價(jià)格合理、操控簡(jiǎn)單且具有良好的拍攝視角，基于無人機(jī)航拍的填海項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)不但能節(jié)省時(shí)間和人力成本，獲取的數(shù)據(jù)也更有展示度。

無人機(jī)航拍作業(yè)時(shí)將攝像頭垂直向下拍攝，獲取填海前緣附近照片;基于航拍照片與Google影像中地物的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將航拍照片疊加到Google Earth中并配準(zhǔn);通過對(duì)比航拍照片與Google影像分析最新填海進(jìn)展情況，并在Google Earth中基于航拍照片做簡(jiǎn)單量測(cè)(由于航拍照片存在畸變差以及照片配準(zhǔn)誤差，量測(cè)結(jié)果存在一定誤差)。

5 基于Google Earth的影像下載及監(jiān)測(cè)圖件繪制

Google Earth中有海量的高分辨率衛(wèi)星影像，但僅限于在Google Earth平臺(tái)中應(yīng)用，若能將Google影像下載到本地并在ArcGIS等專業(yè)繪圖軟件中用于圖件繪制，不但能達(dá)到較好的制圖效果，還能節(jié)省項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)Google Earth影像下載的研究很多，而且也有許多免費(fèi)或收費(fèi)的Google影像下載軟件。從技術(shù)上講，Google影像下載主要有2種方式:一種是基于COM API的Google影像截圖及拼接;另一種是直接從服務(wù)器下載Google影像瓦片數(shù)據(jù)并拼接。

基于Google Earth COM API開發(fā)的軟件包括Google影像自動(dòng)下載、拼接及配準(zhǔn)功能。將Google地圖窗口縮放到需要下載的區(qū)域，軟件自動(dòng)將窗口范圍計(jì)算分成22行22列共484個(gè)小區(qū)域，分別自動(dòng)截取每個(gè)小區(qū)域的清晰影像圖，并裁掉截圖邊上各1/8長(zhǎng)寬的范圍(這部分包含有水印、狀態(tài)欄和導(dǎo)航欄等多余信息);所有小區(qū)域截圖完成后，根據(jù)各小區(qū)域之間嚴(yán)密的相對(duì)位置關(guān)系，將其拼接成一幅無縫的JPG圖像;通過獲取Google窗口中下載區(qū)域的四角點(diǎn)坐標(biāo)，可對(duì)拼接的JPG進(jìn)行幾何校正，還原其在Google Earth中的坐標(biāo)信息;也可根據(jù)地面實(shí)測(cè)像控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更精確的地理配準(zhǔn)。

將下載的Google影像與填海界址測(cè)量數(shù)據(jù)疊加分析，計(jì)算已填、未填和超填區(qū)域面積并繪制成圖，能直觀展示目前填海完成情況。

6 基于Google歷史影像的填海過程發(fā)現(xiàn)

對(duì)于《填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收管理辦法》印發(fā)之前沒有實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的填海工程，或在管理辦法印發(fā)之后由于各種原因沒有實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的填海工程，由于缺乏填海過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無法追溯其歷史填海情況;尤其對(duì)于已發(fā)生超填或未批先填的項(xiàng)目，無法掌握填海發(fā)生時(shí)間，不利于海域管理部門有據(jù)管理。

Google歷史影像能較好解決填海歷史問題。Google Earth影像庫中包含我國(guó)沿海大部分地區(qū)近20年來多期的遙感影像，且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)每年有1～2期影像。多期歷史影像能從整體上反映填海進(jìn)展情況，可以彌補(bǔ)填海項(xiàng)目動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不足。

7 結(jié)論

Google Earth軟件一經(jīng)推出，由于其免費(fèi)的高分辨率遙感影像優(yōu)勢(shì)，被迅速應(yīng)用到各行各業(yè)中。由于坐標(biāo)系統(tǒng)一致，我國(guó)海洋管理數(shù)據(jù)可以直接套合到Google Earth中，而不需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，為Google Earth在海洋管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供便利。本文結(jié)合多年填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)以及Google Earth軟件特點(diǎn)，將Google Earth運(yùn)用到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)外業(yè)工作中，解決一系列實(shí)際問題。

(1)基于Google Earth COM API開發(fā)一個(gè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集及影像下載軟件，為外業(yè)測(cè)量工作提供實(shí)時(shí)定位及快速疊加分析;Google影像下載可作為一種新的高分辨率影像獲取手段，下載的影像可用來進(jìn)行填海范圍提取以及制圖底圖。

(2)基于Google Earth的無人機(jī)航拍照片疊加分析可為消費(fèi)級(jí)無人機(jī)航拍照片的定位及量測(cè)提供參考。

(3)Google歷史影像可為超填和違填現(xiàn)象提供數(shù)據(jù)支持，可作為海洋管理的有力證據(jù)。

需要說明的是，Google Earth雖然可以為填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作提供許多便利，但無法作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段，填海界址范圍的確定還須依靠GPS測(cè)量和水下側(cè)掃數(shù)據(jù)，因此Google Earth只可作為填海工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中高效的輔助工具。

［1］林同勇．海域使用動(dòng)態(tài)地面監(jiān)視監(jiān)測(cè)內(nèi)容探析［J］．海洋開發(fā)與管理，2014，31(6):10－13．

［2］曹宇峰，賈峰，藍(lán)虹，等．填海項(xiàng)目海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作之淺見［J］．海洋開發(fā)與管理，2015，32(11):14－16．

［3］張曉輝，黃根華，曾德相，等．淺析南海區(qū)國(guó)管填海項(xiàng)目海域使用與海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管［J］．海洋開發(fā)與管理，2015，32 (3):28－30．

［4］李?。贕oogle Earth平臺(tái)的地學(xué)信息集成研究［D］．成都:成都理工大學(xué)，2008．

［5］江寬，龔小鵬．Google APl開發(fā)詳解:Google Maps與 Google Earth雙劍合璧［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［6］劉珍，劉建勛．淺談Google Earth二次開發(fā)技術(shù)［J］．地理空間信息，2009，7(4):72－74．

［7］吳永亭，楊龍，馮義楷，等．海籍調(diào)查采用的坐標(biāo)系統(tǒng)探討［J］．海洋開發(fā)與管理，2014，31(10):36－39．

［8］袁建東．基于Google Earth的車載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．

Application of Google Earth in the Dynamic Monitoring of Sea Reclamation

ZENG Jisheng，SUN Yuchao，WANG Yinxia，WEI Zheng

(South China Sea Institute of Planning and Environmental Reaserch，SOA，Guangzhou 510300，China)

According to the requirements of sea areas management，it is necessary to monitor the sea areas usage dynamically during the construction process of sea reclamation．The techniques of monitoring reclamation engineering boundary，area and coastline change mainly include GPS measurement，depth measurement and the water side sweep．This paper discussed the application of Google Earth in the dynamic monitoring of the sea reclamation，combining with the advantages of Google Earth's mass free high resolution remote sensing image，and the support of add-on functions'development．The development of data acquisition and Google image download software based on Google Earth provided a convenient tool for the application of Google Earth in the dynamic monitoring of the sea reclamation．Application results showed that Google Earth could provide real-time positioning and rapid overlay analysis for field survey work in seareclamation monitoring，Google images could provide reference data in the analysis process of sea reclamation and data for map producing．Therefore，Google Earth could be an efficient auxiliary tool for the dynamic monitoring of sea reclamation．

Reclamation project，Dynamic monitoring，Sea area management，Engineering technology

P229;P75

A

1005－9857(2017)02－0076－04

2016-09-20;

2016-12-10

國(guó)家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長(zhǎng)基金項(xiàng)目(1402);海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305020－7);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61527810)．

曾紀(jì)勝，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)繪、海洋信息化，電子信箱:1660545@qq．com