Google Earth在填海工程动态监测中的应用

曾纪胜，孙玉超，王银霞，魏征

(国家海洋局南海规划与环境研究院 广州 510300)

Google Earth在填海工程动态监测中的应用

曾纪胜，孙玉超，王银霞，魏征

(国家海洋局南海规划与环境研究院 广州 510300)

根据国家海洋局海域管理要求，填海工程在施工过程中需要对其进行海域使用动态监测。填海工程界址和面积以及岸线变迁监测的技术手段主要包括GPS测量、水深测量和水下侧扫等。文章结合Google Earth海量免费高分辨率遥感影像优势且支持二次开发特点，探讨Google Earth在填海工程动态监测内、外业工作中的应用;基于Google Earth开发一套外业数据采集及Google影像下载软件，为其在填海工程动态监测中的常规化应用提供便捷工具。应用结果表明，Google Earth可为填海工程动态监测外业测量工作提供实时定位及快速叠加分析，Google影像可为填海过程分析提供参考数据并为成果图件制作提供底图数据，Google Earth可作为填海工程动态监测工作中高效的辅助工具。

填海工程;动态监测;海域管理;工程技术

根据国家海洋局编制的《海域使用分类体系》，填海造地指筑堤围割海域填成土地，并形成有效岸线的用海方式。填海属于完全改变海域自然属性的用海活动，同时对周边海域资源条件和开发利用活动造成较大影响［1］。2007年国家海洋局印发《填海项目竣工海域使用验收管理办法》，要求填海项目竣工验收时需提交海域使用动态监测报告。开展填海工程的海域使用动态监测是海洋管理部门加强监管、规范项目用海和施工、保护海洋资源环境的有效手段［2］，填海工程海域使用动态监测包括界址和面积动态监测、海洋水动力环境动态监测、岸线变迁动态监测、海洋环境质量动态监测和海域使用对策措施落实情况等部分［3］。

本文从填海工程动态监测工作要求出发，结合Google Earth海量高清遥感影像库优势及二次开发特点，开发一套外业数据采集及Google影像下载软件，探讨Google Earth在填海工程界址和面积以及岸线变迁监测内、外业工作中的应用。

1 Google Earth介绍

Google Earth是Google公司于2005年6月推出的一款三维虚拟地球软件，具有先进的海量卫星影像存储和处理技术、提供免费高分辨率卫星影像、功能强大、操作简单、支持二次开发等特点［4］。Google Earth免费提供的卫星影像在中国经济发达的沿海地区分辨率均优于1 m、许多地区为0．5 m，大部分区域影像更新周期小于1年，并且提供多年历史影像。

Google Earth提供2种开发方式，分别是基于Google Earth的 COM API和KML［5］。Google Earth COM API于2008年5月正式发布，基于COM API的开发方式主要将Google Earth地球窗口嵌入开发系统中，实现地理数据管理、三维展示、影像获取、导航定位、制图输出等;KML文件是Google公司基于XML定义的用于交换地理数据的文件，KML可用于定义的地理特征包括地点、描述、叠层、路径和多边形等［6］，基于KML的开发主要是将其他格式的地理数据转换成KML文件并在Google Earth中叠加分析。

2 基于KML的海岸线及填海批复范围的叠加分析

Google Earth平台中影像数据均为WGS84坐标系;目前我国沿海各地修测的海岸线均为WGS84坐标系，海域管理信息系统中批复用海的宗海图坐标系为 CGCS2000国家大地坐标系(之前主要为WGS84坐标系)。在我国大部分地区，同一点的WGS84坐标值与CGCS2000坐标值最大相差20～30 cm［7］，因此在海岸线及填海批复范围线与Google Earth影像叠加分析时，坐标系可认为是一致的。

目前我国海域管理中海岸线和填海批复范围数据格式主要为ArcGIS的Shape file格式、AutoCAD的DWG格式以及坐标文本格式等，不论何种格式均可以通过ArcGIS等软件转换成KML格式(或KMZ格式)，当然也可以开发的软件将以上数据格式转换成KML文件并将其叠加到Google Earth中，从而结合Google影像分析用海情况。

3 基于Google Earth COM API的定位分析及数据采集

海岸线与填海批复范围线在Google Earth中叠加后，根据Google Earth中的最新影像可以查看填海工程最新施工情况，从而达到监测的目的。但该方式在实际工作中存在影像更新周期长且影像更新不及时等问题，达不到动态监测的效果，因此需要将Google影像与外业测量相结合来获取最新的填海施工情况。

基于Google Earth COM API开发外业定位及数据采集软件，通过读取外业平板电脑内置GPS(或外接GPS)串口中的NMEA 0183协议字符串［8］，获取当前位置的经纬度坐标(WGS84坐标系)，生成KML导航点及 KML轨迹线文件，实时叠加到Google Earth影像中，从而实现基于Google Earth的外业定位及数据采集。

在外业数据采集时，将海岸线与填海批复范围线叠加到Google Earth中，作业人员携带外业平板电脑沿着填海坡顶线采集数据并实时记录轨迹，通过查看实时位置与海岸线及填海批复范围线相互位置关系，从而判断该区域填海情况，同时也能判断该区域Google影像是否为最新。外业采集的坡顶线数据也可以用来分析填海完成情况(判断是否超填以及填海完成具体情况时，必要时需进行水下侧扫)。

4 基于Google Earth的无人机航拍照片叠加分析

在填海工程动态监测外业数据采集时，经常需要拍摄现场照片记录填海完成情况。近年来随着消费级无人机技术的快速发展，无人机航拍在各行业得到迅速应用。由于价格合理、操控简单且具有良好的拍摄视角，基于无人机航拍的填海项目现场监测不但能节省时间和人力成本，获取的数据也更有展示度。

无人机航拍作业时将摄像头垂直向下拍摄，获取填海前缘附近照片;基于航拍照片与Google影像中地物的对应关系，将航拍照片叠加到Google Earth中并配准;通过对比航拍照片与Google影像分析最新填海进展情况，并在Google Earth中基于航拍照片做简单量测(由于航拍照片存在畸变差以及照片配准误差，量测结果存在一定误差)。

5 基于Google Earth的影像下载及监测图件绘制

Google Earth中有海量的高分辨率卫星影像，但仅限于在Google Earth平台中应用，若能将Google影像下载到本地并在ArcGIS等专业绘图软件中用于图件绘制，不但能达到较好的制图效果，还能节省项目经费。

目前国内外对Google Earth影像下载的研究很多，而且也有许多免费或收费的Google影像下载软件。从技术上讲，Google影像下载主要有2种方式:一种是基于COM API的Google影像截图及拼接;另一种是直接从服务器下载Google影像瓦片数据并拼接。

基于Google Earth COM API开发的软件包括Google影像自动下载、拼接及配准功能。将Google地图窗口缩放到需要下载的区域，软件自动将窗口范围计算分成22行22列共484个小区域，分别自动截取每个小区域的清晰影像图，并裁掉截图边上各1/8长宽的范围(这部分包含有水印、状态栏和导航栏等多余信息);所有小区域截图完成后，根据各小区域之间严密的相对位置关系，将其拼接成一幅无缝的JPG图像;通过获取Google窗口中下载区域的四角点坐标，可对拼接的JPG进行几何校正，还原其在Google Earth中的坐标信息;也可根据地面实测像控点实现更精确的地理配准。

将下载的Google影像与填海界址测量数据叠加分析，计算已填、未填和超填区域面积并绘制成图，能直观展示目前填海完成情况。

6 基于Google历史影像的填海过程发现

对于《填海项目竣工海域使用验收管理办法》印发之前没有实施动态监测的填海工程，或在管理办法印发之后由于各种原因没有实施动态监测的填海工程，由于缺乏填海过程中的监测数据，无法追溯其历史填海情况;尤其对于已发生超填或未批先填的项目，无法掌握填海发生时间，不利于海域管理部门有据管理。

Google历史影像能较好解决填海历史问题。Google Earth影像库中包含我国沿海大部分地区近20年来多期的遥感影像，且经济发达地区每年有1～2期影像。多期历史影像能从整体上反映填海进展情况，可以弥补填海项目动态监测数据的不足。

7 结论

Google Earth软件一经推出，由于其免费的高分辨率遥感影像优势，被迅速应用到各行各业中。由于坐标系统一致，我国海洋管理数据可以直接套合到Google Earth中，而不需要进行坐标系转换，为Google Earth在海洋管理领域的应用提供便利。本文结合多年填海工程动态监测工作经验以及Google Earth软件特点，将Google Earth运用到动态监测内外业工作中，解决一系列实际问题。

(1)基于Google Earth COM API开发一个外业数据采集及影像下载软件，为外业测量工作提供实时定位及快速叠加分析;Google影像下载可作为一种新的高分辨率影像获取手段，下载的影像可用来进行填海范围提取以及制图底图。

(2)基于Google Earth的无人机航拍照片叠加分析可为消费级无人机航拍照片的定位及量测提供参考。

(3)Google历史影像可为超填和违填现象提供数据支持，可作为海洋管理的有力证据。

需要说明的是，Google Earth虽然可以为填海工程动态监测工作提供许多便利，但无法作为动态监测的主要技术手段，填海界址范围的确定还须依靠GPS测量和水下侧扫数据，因此Google Earth只可作为填海工程动态监测工作中高效的辅助工具。

［1］林同勇．海域使用动态地面监视监测内容探析［J］．海洋开发与管理，2014，31(6):10－13．

［2］曹宇峰，贾峰，蓝虹，等．填海项目海域使用动态监测工作之浅见［J］．海洋开发与管理，2015，32(11):14－16．

［3］张晓辉，黄根华，曾德相，等．浅析南海区国管填海项目海域使用与海洋环境动态监测和监管［J］．海洋开发与管理，2015，32 (3):28－30．

［4］李健．基于Google Earth平台的地学信息集成研究［D］．成都:成都理工大学，2008．

［5］江宽，龚小鹏．Google APl开发详解:Google Maps与 Google Earth双剑合璧［M］．北京:电子工业出版社，2008．

［6］刘珍，刘建勋．浅谈Google Earth二次开发技术［J］．地理空间信息，2009，7(4):72－74．

［7］吴永亭，杨龙，冯义楷，等．海籍调查采用的坐标系统探讨［J］．海洋开发与管理，2014，31(10):36－39．

［8］袁建东．基于Google Earth的车载GPS导航定位的设计与实现［D］．西安:西安科技大学，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

国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金项目(1402);海洋公益性行业科研专项(201305020－7);国家自然科学基金项目(61527810)．

曾纪胜，工程师，研究方向为海洋遥感、航空摄影测量、海洋测绘、海洋信息化，电子信箱:1660545@qq．com