基于Google Earth的地图要素矢量化及数据处理

2012-06-29王玉龙杨昕李锦

城市勘测 2012年4期

王玉龙，杨昕，李锦

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛 066001)

1 引言

随着“3S”技术、计算机技术、互联网和多媒体技术的快速发展，包括地图制图在内的诸多测量技术和方法都发生了极大的变化。尤其是近年来通过运用软件对现有地形图、遥感影像进行扫描矢量化的图形处理技术正在测绘地理信息领域迅猛发展。

Google Earth(简称GE)是一款Google公司开发的虚拟地球软件，它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上［1］。GE采用的平面坐标系统为WGS－84坐标系，高程系统为WGS－84椭球的大地高，在GE中随着鼠标的移动相应点位的经纬度坐标和高程会实时显示在GE窗口下侧的状态栏上。

本文以制作某地的矿业权分布图为例，介绍了如何在Google Earth的高分辨率卫星影像和航片上矢量化，从中提取用户需要的相关地图要素并以KML文件格式存储，然后配合ArcGIS等其他GIS软件编辑成图的方法。

2 Google Earth和KML简介

Google Earth是Google公司2005年6月向全球推出的免费的卫星影像软件［2］，通过网络可访问包含航空与卫星图片的海量数据库，获取和判读、标注感兴趣的已知地域上的地物、地貌等实时地理信息。

Google Earth的影像主要来自Quick Bird商业卫星(卫片)和Blue Sky、Sanborn等公司(航片)。针对不同的地域，卫星影像的分辨率各不相同，0.15 m～2 m至几十米等，重要城市分辨率高，无人区分辨率低［4］。这些大量以免费方式发布的卫星影像和众多的用户上传添加的地标、航迹、KML地图、地貌景观图像，共同组成了一个巨大的多维地理信息系统［5］，从而为全世界的广大用户提供了丰富、准确、快捷、免费的地理信息获取渠道。

KML全称是Keyhole Markup Language。通俗地讲就是一种文件格式，用于描述和保存地理信息(如点、线、图像、多边形和3D模型等)。2008年4月16日，Google将KML开放了，使得它正式成为一种国际标准。用Google的话来说，KML成为地理标准信息的国际标准，就像互联网上的HTML标准一样［3］。

KML文件就是一种在Google地图浏览器中用于交换地理数据的文件。它基于XML，并定义了一些TAG用于规定地理数据的显示方式［3］。KML文件可以直接或间接导入到ArcGIS、MapInfo等GIS软件中显示并编辑。

3 在Google Earth上矢量化地图要素后导入ArcGIS进行数据处理

3.1 项目简介

为了满足国土矿山资源管理需要，冀东Z市国土资源局委托我单位制作1∶5万比例尺的Z市矿业权分布图，要求坐标系统采用1980西安坐标系，规定图上必须表示出各个矿权的矿证范围、矿权名称及许可证号，另外还要表示其他基本地理、人文要素，比如公路、铁路、水系、各级行政界线以及居民地等，为下一步建立该市的矿山管理GIS系统提供数据基础。

3.2 项目实施

目前我们具备的资料有:Z市2009年矿业权核查数据库，里面包含了与矿权相关的各项信息;部分Z市一带的1∶1万和1∶5万比例尺地形图，但是由于这些图纸成图日期均在上世纪六、七十年代，现势性较差，并且没有全部覆盖Z市范围，所以可利用价值不大;另外还有一份已转换到WGS－84坐标系的AutoCAD DWG格式Z市行政界线图可以利用。

由此可见本项工作的重点就在于怎样在有限的时间、经费条件下，快速、准确地获取除矿山以外的其他地理信息要素。解决此类问题我们通常的做法有两种:一是野外实测，但是由于甲方工期要求很紧，并且投入的经费有限，所以野外实测的方法就不予考虑了。第二种方法是图形矢量化。以往做矢量化工作基本都是在已有地形图上进行的，但是本项目中收集到的地形图年代过于久远，许多近年修建的公路、铁路都没有表示，所以利用价值也不大，只有采用其他可行的解决方法。

近年来国内对于Google Earth在各行业的应用研究方兴未艾，尤其在地理信息和测绘方面更是如火如荼。在查阅了大量相关的论文、案例后，我们最终决定在Google Earth上完成矢量化工作。主要原因有以下几个方面:首先是根据调查发现Z市范围内的Google Earth影像图拍摄日期基本都在2006年以后，现势性较好;另外这一带影像分辨率较高，各种主要道路、河流、居民地轮廓清晰，容易识别;还有就是在Google Earth上完成的矢量化数据(包括地理坐标和其他属性信息)都可以存储为KML文件，而KML因其开放性和良好的兼容性正逐渐成为一种国际通用的地理信息标准，KML文件格式可以被大多数常用的GIS软件认可和接受。

(1)作业流程

本文中使用的软件有:①Google Earth Plus 5.0;②ArcGIS Desktop 9.3 SP1;③AutoCAD 2006中文版

由于篇幅限制，本文只讨论与矢量化数据处理相关的内容，具体工作流程如图1所示。

图1 矢量化流程

(2)具体步骤

①在ArcGIS 9.3中加载AutoCAD DWG格式的Z市行政界线文件，利用ArcToolbox的转换工具将图层输出为KML文件，如图2所示。

图2 行政界线输出为KML文件

②启动Google Earth，在“文件”菜单项下点击“打开”，然后在浏览对话框中选择刚刚保存的“Z市行政界线.KML”文件，这样各级行政界线便按照其经纬度坐标值显示在GE影像的相应位置上，从而为接下来的地物矢量化工作提供参考边界，做到不遗不漏。

开始矢量化之前首先在GE的“我的位置”下新建文件夹并命名为“Z市制图要素矢量化”，接着在此文件夹内依次新建文件夹若干并按实际需要分别命名为“道路”、“水系”、“居民地”等，后续的矢量化工作分别在对应的各个文件夹下进行。

以矢量化道路为例:单击Google Earth左侧侧栏“位置”框中“Z市制图要素矢量化”下的“道路”文件夹，然后点击上方工具栏的“添加路径”按钮，在出现的对话框中“名称”一栏里输入道路的名称，接着转动鼠标的滚轮将视点调整到适当的高度(以能清晰分辨出影像上道路轮廓为宜)，从这条道路的端点或者与其他地物的交点开始沿着道路边线或者中心线(视道路的宽窄而定)的各个拐点逐点矢量化，尽量保证矢量化出的线条与影像图相吻合，一条路画完后点击对话窗口中的“确定”按钮，数据便被保存到了“道路”目录下，如图3所示。

图3 在Google Earth中矢量化

矢量化工作结束后，在侧栏“位置”框中“Z市制图要素矢量化”文件夹上点右键，在弹出菜单中单击“将位置另存为”给导出的KML文件命名并保存。

③打开ArcGIS 9.3，添加上面第二步保存的KML文件。由于Google Earth中采用的是WGS－84坐标系［6］，而最终成果要求是1980西安坐标系，所以在ArcGIS中必须对加载的KML文件数据进行投影变换。需要说明的是七参数必须事先计算出来，我们的做法是搜集均匀分布于Z市区域内的5个(要求至少3个)C级GPS控制点的WGS－84和1980西安坐标，然后利用MapGIS软件功能计算出Z市WGS－84坐标系到西安坐标系的布尔莎七参数，

接下来的操作过程分两步:

第一步:首先定义地理转换的方法，在Arctoolbox中打开Create Custom Geographic Transformation工具，在弹出的窗口中，输入一个地理变换的名字，比如“Z市WGS－84ToXA80”，接着在自定义地理转换的“方法”中选择COORDINATE_FRAME，也就是七参数转换方法。依次输入3个平移参数(单位:m)、3个旋转参数(以秒为单位)和1个比例因子(单位ppm)，如图4所示。

图4 定义投影变换参数

图5 图形要素投影变换

第二步:将数据要素进行投影变换。在Arctoolbox工具箱中打开Projections and Transformations＞Feature＞Project，在弹出的窗口中输入要转换的数据以及输出文件名和输出坐标系，地理变换方法选择在第一步中定义的“Z市WGS－84ToXA80”，点击“确定”，完成坐标系转换，如图5所示。

(4)接下来的工作就是在ArcGIS中进行制图要素的编辑、属性添加、图面整饰等常规作业手段，由于不是本文重点，在此不再赘叙。

3.3 精度分析与总结

直接在Google Earth上完成矢量化对于我单位来说是一种全新的工作方法，为了检验成果精度，我们特意在Google Earth上的作业区域内选定了一些轮廓清晰的房角、电杆等地物，精确记录其位置坐标，然后使用GPS RTK到实地对上述点位进行量测，经对比统计，两者坐标相差一般都在±5 m以内，个别点最大相差不超过±10 m，精度优于1∶5万比例尺地形图编绘规范中要求图上地物点平面位置中误差小于等于图上0.5 mm的规定。

与此同时我们也应该认识到在Google Earth进行矢量化工作的局限性。

首先Google Earth的高程精度远没有它的平面精度高，并且其WGS－84椭球高程无法在室内条件下准确地转换到我们常用的高程系统，所以本方法只适用于平面地理要素的采集。

另外由于Google Earth到目前为止在我国大部分区域的影像分辨率较低，远没有达到其在欧美国家大中城市的1 m分辨率水平，所以上述作业方法在现阶段仅限于制作中小比例尺地图时使用。

还有就是从GE上矢量化出的地图要素均为WGS－84坐标系统，要想精确地转换到用户坐标系统就需要准确的转换参数，也就是通常说的七参数，即3个平移参数、3个旋转参数和1个比例缩放因子，而目前在我国坐标系转换参数属于秘密资料是不对外公开的。