衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在公路地形測(cè)量中的應(yīng)用

江木春， 盧中， 袁銳

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 前言

地形圖是公路測(cè)設(shè)的基礎(chǔ)資料，地形測(cè)量方法包括常規(guī)地形測(cè)量、航空攝影測(cè)量等，常規(guī)地形測(cè)量通過(guò)全站儀、GPS RTK等設(shè)備采集地形數(shù)據(jù)繪制地形圖，精度高，時(shí)效性強(qiáng)，常用于小面積、較大比例尺的地區(qū)，缺點(diǎn)為效率低、成本高，同時(shí)受地形條件限制較大，在地形復(fù)雜的無(wú)圖地區(qū)往往難以施測(cè)；航空攝影測(cè)量通常用于大面積、小比例尺地區(qū)，時(shí)效性較差，成本較高，但受地形條件限制較小，且工作效率較高，與常規(guī)地形測(cè)量方法相比具有一定的互補(bǔ)性。隨著中國(guó)公路網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，公路逐漸向一些特殊地區(qū)延伸，在一些如高海拔地區(qū)、高山區(qū)、原始森林、荒漠或沙漠、河流山谷、懸崖等危險(xiǎn)區(qū)，包括一些邊境敏感地區(qū)；隨著中國(guó)“一帶一路”倡議向世界推廣，很多國(guó)外公路項(xiàng)目(特別是廣大亞、非、拉國(guó)家)，收集不到相關(guān)的基礎(chǔ)資料，常規(guī)地形測(cè)量難以施測(cè)，特別是邊境敏感地區(qū)明令禁止航空攝影測(cè)量，無(wú)法對(duì)工作區(qū)地形地貌作整體評(píng)價(jià)及認(rèn)識(shí)，為前期踏勘及概念設(shè)計(jì)等工作帶來(lái)了極大不便。針對(duì)這些問(wèn)題，該文提出一種新方法，基于衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)繪制公路地形圖，利用網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)公開(kāi)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)繪制地形圖，給公路測(cè)設(shè)帶來(lái)技術(shù)革新，節(jié)約成本，提高工作效率。

2 技術(shù)思路

近年來(lái)隨著科技的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量方面，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)可提供非常豐富的信息，從大量信息中提取可供公路測(cè)設(shè)的數(shù)據(jù)，有多款商用軟件可提供各種各樣的衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的下載功能，如水經(jīng)注萬(wàn)能地圖下載器、91衛(wèi)圖助手、谷地GoodyGIS、奧維互動(dòng)地圖等，可下載包括GoogleEarth衛(wèi)星影像、GoogleEarth歷史影像圖、GoogleEarth高程、矢量 POI(興趣點(diǎn))、矢量路網(wǎng)、矢量建筑等內(nèi)容非常廣泛的數(shù)據(jù)，其中GoogleEarth衛(wèi)星影像、GoogleEarth歷史影像圖、GoogleEarth高程已覆蓋地球上大多數(shù)地區(qū)。

衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要源自GoogleEarth的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是衛(wèi)星影像與航拍數(shù)據(jù)的整合。其衛(wèi)星影像部分來(lái)自于美國(guó)DigitalGlobe公司的QuickBird(快鳥(niǎo))商業(yè)衛(wèi)星和美國(guó)EarthSat公司，航拍部分的來(lái)源有英國(guó)BlueSky公司、美國(guó)Sanborn公司、美國(guó)IKONOS和法國(guó)SPOT5等。其中快鳥(niǎo)衛(wèi)星影像作為谷歌地球的數(shù)據(jù)源之一，是快鳥(niǎo)衛(wèi)星從450 km外的太空固定軌道拍攝地球表面上的地物地貌等空間信息，最大成圖比例尺可達(dá)1∶1 500至1∶2 000，其影像分辨率高達(dá)0.61 m。GoogleEarth融合多家全球頂尖商業(yè)衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)，針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域會(huì)提供分辨率為1 m和0.5 m左右的高精度影像，視角高度分別約為500 m和350 m。提供高精度影像的城市多集中在首都或極重要城市。根據(jù)工程實(shí)際需要，包括坐標(biāo)系、高程系、比例尺等，選擇不同的下載級(jí)別和投影設(shè)置，下載所需的數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)糾正后可用于輔助制作數(shù)字正射影像圖(DOM),數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線劃圖(DLG)。同時(shí)還能下載區(qū)域行政區(qū)劃圖、區(qū)域交通路網(wǎng)水系圖、部分城市三維地圖、建筑輪廓數(shù)據(jù)、矢量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、海圖和各種專題數(shù)據(jù)等。

衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，用于地形圖制作的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要包括平面影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)。平面影像數(shù)據(jù)主要是平面衛(wèi)片，可用于繪制圖面上的地物；高程數(shù)據(jù)(DEM)是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X、Y、Z)的數(shù)據(jù)集，可用于繪制高程點(diǎn)及等高線等。

3 實(shí)施步驟

3.1 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的下載

以水經(jīng)注萬(wàn)能地圖下載器軟件為例，在搜索欄中輸入測(cè)區(qū)名稱并搜索，定位到目標(biāo)位置后，可以通過(guò)屏幕范圍下載、框選矩形范圍下載、繪制多邊形范圍下載、道路沿線下載和導(dǎo)入下載范圍等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。

以框選下載范圍為例，在視圖中框選需要下載的目標(biāo)范圍，選擇衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后在范圍中雙擊即可新建下載任務(wù)(圖1)。如果當(dāng)前的衛(wèi)星影像云量較大或清晰度欠佳，可選擇在地圖類型中切換到歷史影像，在不同時(shí)間段中選擇一個(gè)效果相對(duì)較好的影像，在框選范圍中雙擊顯示“新建任務(wù)”對(duì)話框，在對(duì)話框中根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)圖比例尺選擇影像級(jí)別，衛(wèi)星遙感影像圖可分為22級(jí)，影像級(jí)別越高，影像越清晰，分辨率也越高，一般地區(qū)可達(dá)18級(jí)，郊區(qū)可達(dá)19級(jí)，重點(diǎn)城區(qū)最高可達(dá)22級(jí)。設(shè)置投影參數(shù)，如投影設(shè)置為西安80坐標(biāo)系或國(guó)家2 000坐標(biāo)系等。

圖1 衛(wèi)星遙感影像圖的下載

3.2 衛(wèi)星遙感高程數(shù)據(jù)的下載

衛(wèi)星遙感高程數(shù)據(jù)的下載與衛(wèi)星遙感影像圖的下載設(shè)置及步驟基本一致，點(diǎn)擊視圖中的“高程”可以切換到高程數(shù)據(jù)視圖(圖2)，在視圖中可看到即時(shí)渲染的半透明高程數(shù)據(jù)圖，選擇下載等級(jí)，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置相關(guān)導(dǎo)出參數(shù)，下載TIF格式的高程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)(X、Y、Z)的數(shù)據(jù)集。格網(wǎng)點(diǎn)的間距與下載等級(jí)有關(guān)，等級(jí)越高，格網(wǎng)點(diǎn)的間距越小，高程數(shù)據(jù)最高等級(jí)為22級(jí)，一般地區(qū)能達(dá)到15～18級(jí)，對(duì)應(yīng)的高程點(diǎn)采樣間距為10 m左右。

圖2 衛(wèi)星遙感高程的下載

3.3 衛(wèi)星遙感影像及高程數(shù)據(jù)的糾正

若衛(wèi)星遙感影像及高程數(shù)據(jù)下載過(guò)程中沒(méi)有設(shè)置對(duì)應(yīng)的7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，則數(shù)據(jù)會(huì)有不同程度的偏移，因此需對(duì)下載的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。將下載遙感數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global Mapper軟件，采用影像矯正功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正；也可用CAD影像加載插件將影像及高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入到地形圖中并后置，將遙感數(shù)據(jù)作必要的平移或旋轉(zhuǎn)即可與矢量數(shù)據(jù)完美地疊加套合。依據(jù)影像圖、實(shí)測(cè)地形圖、選擇影像圖上地物輪廓線清晰、無(wú)變形、地物屬性易判別、現(xiàn)場(chǎng)易實(shí)測(cè)的特征地物點(diǎn)作為重合點(diǎn)，重合點(diǎn)需分布均勻，且包含整個(gè)測(cè)區(qū)，重要地區(qū)應(yīng)進(jìn)行加密，利用南方CASS軟件的圖像糾正功能對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，糾正后的遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)地形圖可完美套合(圖3)。

圖3 衛(wèi)星遙感影像及高程數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)套合糾正

高程糾正，選擇測(cè)區(qū)內(nèi)具有代表性的平坦區(qū)域，如水稻田、旱地和山頂平坦區(qū)等高程變化小的區(qū)域，用常規(guī)測(cè)量方法實(shí)測(cè)區(qū)域高程，與下載高程比對(duì)，求取高程差值，改正下載高程數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)區(qū)面積較大時(shí)，可將測(cè)區(qū)分成若干子測(cè)區(qū)，對(duì)子測(cè)區(qū)逐一進(jìn)行改正并校測(cè)。

3.4 地形圖的繪制

地形圖繪制的主要內(nèi)容為地物、地貌繪制，地物往往通過(guò)繪制地物的特征輪廓線和屬性來(lái)描述，如居民地、水系設(shè)施、植被土質(zhì)、地貌土質(zhì)、管線設(shè)施和交通設(shè)施等。衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)可以清晰分辨地面地物基本輪廓和屬性，用于地形圖的制作；利用南方CASS軟件繪圖功能，采集影像上可見(jiàn)的地物要素，原則上內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)定性。內(nèi)業(yè)對(duì)有把握并能判準(zhǔn)的地物要素，用光標(biāo)中心切準(zhǔn)定位點(diǎn)或地物外輪廓線準(zhǔn)確繪出，按規(guī)定圖層賦要素代碼。對(duì)把握不準(zhǔn)的要素只采集可見(jiàn)部分，地物未采集或不完整地物，由外業(yè)實(shí)地進(jìn)行測(cè)繪。

高程數(shù)據(jù)主要用于高程點(diǎn)和等高線的繪制，建立數(shù)字高程模型。采用Global Mapper進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成等高線，輸出DXF格式等高線圖(圖4)；也可生成XYZ格式的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，將點(diǎn)位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CASS軟件所需要的展點(diǎn)格式，用CASS軟件生成等高線。

圖4 Global Mapper繪制的等高線

在CAD平臺(tái)上將常規(guī)測(cè)量測(cè)得的地形圖與基于衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)繪制等高線和地物圖的地形圖融合到一起，就得到一幅完整的地形圖。

實(shí)際測(cè)圖工作中，由于測(cè)區(qū)及工作環(huán)境限制，常規(guī)測(cè)量方法難以施測(cè)時(shí)，可下載測(cè)區(qū)的衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并以常規(guī)測(cè)量方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，用以輔助測(cè)圖。經(jīng)檢測(cè)，糾正后的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，可滿足測(cè)圖需求。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證

在西藏某公路建設(shè)工程中，由于測(cè)區(qū)位于喜馬拉雅邊境山區(qū)，海拔為2 700～3 800 m，落差極大，屬典型的高海拔山地地形，山體陡峭，且部分山區(qū)存在滑坡。由于測(cè)區(qū)地處邊境敏感地帶，禁止使用無(wú)人機(jī)航空攝影；常規(guī)RTK或全站儀地形測(cè)量方法只能測(cè)局部地區(qū)，如河流、村莊及道路等，大部分區(qū)域由于海拔高，地形復(fù)雜，山地陡峭等因素?zé)o法進(jìn)行施測(cè)。在項(xiàng)目實(shí)際工作中采用了常規(guī)測(cè)量(RTK和全站儀)和下載衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并糾正的方法相結(jié)合，共同完成了測(cè)量任務(wù)，消除了安全隱患，并提高了工作效率，節(jié)約了成本，取得了良好效果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于衛(wèi)星遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)繪制地形圖方法可作為地形圖測(cè)量方法之一，可用于地球上大多數(shù)地區(qū)，由于受數(shù)據(jù)糾正精度的影響，地形圖精度與常規(guī)地形測(cè)量及航空攝影地形測(cè)量精度偏低，宜主要用于工程無(wú)圖區(qū)及小比例尺地形測(cè)量，并需采用常規(guī)地形測(cè)量加強(qiáng)檢驗(yàn)校正。