GOOGLE EARTH在鐵路勘測設計前期工作中的應用

韓 皓

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

鐵路勘測設計具有一套完整而有效的流程和方法,航測衛(wèi)星遙感技術(shù)已廣泛而深入地應用其中。然而，航飛工作一般安排在預可行性研究階段以后,往往勘測設計前期階段沒有航片、衛(wèi)片或者范圍不足。

鐵路前期規(guī)劃階段工作中往往受到現(xiàn)場資料缺乏的困擾,比例尺地形圖成圖年代早,時效性較差,新增房屋、工廠、公路、水庫、機場等地物缺失,環(huán)境保護區(qū)資料匱乏等。此時我們可以借助免費的Google Earth等地理信息軟件解決很多問題。

1 GOOGLE EARTH簡介

Google Earth(中文譯名“谷歌”)讓您足不出戶就可以隨心所欲的通過衛(wèi)星圖像觀察到世界的每一個角落。截止2009年11月,Google Earth上中國地貌衛(wèi)星圖像的有效分辨率普遍超過30 m,部分大城市甚至達到了0.5～2 m,大部分地級城市和主流縣級以上城市達到辨認汽車的精度；衛(wèi)星圖像拍攝時間方面,主要地級以上城市更新至2007年以后,主流縣級城市更新至2004年以后,北京、重慶等城市甚至更新至2009年6月以后。東部地區(qū)衛(wèi)星圖像精度和拍攝時間上優(yōu)于西部地區(qū)。從其衛(wèi)星圖像覆蓋范圍、清晰度和拍攝時間上看,多數(shù)項目均能受益于Google Earth提供的大量免費高清衛(wèi)星圖像。

Google Earth還有大量可提供用戶添加的地標、航跡、KML地圖、地貌景觀圖像,共同組成了一個巨大的多維地理信息庫。Google Earth還在不斷改進和更新高分辨率衛(wèi)星圖片,進入2009年以來,其頻率更是達到了每月更新一部分區(qū)域。軟件還提供了應用程序接口,可供開發(fā)人員調(diào)用數(shù)據(jù),進行二次開發(fā),為軟件在工程測量中的應用提供了良好的基礎。

2 Google Earth輔助鐵路選線

2.1 城市及周邊區(qū)域輔助選線

Google Earth的優(yōu)勢在于城市及周邊區(qū)域,這些區(qū)域發(fā)展迅速,地物變化快,而Google Earth恰恰在這些區(qū)域年代近、精度高、清晰度好。通過瀏覽Google Earth，可以直觀而迅速的幫助工程師了解項目實地情況,房屋、工廠、公路、水庫、機場等信息一目了然,甚至環(huán)境保護區(qū)域的大致位置都可以通過Google Earth了解。

我們可以利用不同的方法,利用Google Earth衛(wèi)星地圖修測地形圖,彌補地形圖過老的問題,從而輔助鐵路選線。

利用Google Earth修測地形圖,可以通過兩種方式作業(yè)。一是局部地區(qū),在Google Earth中縮放至恰當比例,按“Ctrl+Alt+S”會出現(xiàn)一個保存文件對話框,輸入文件名即可保存圖片,保存過程中注意平移位置，從而保持比例尺不變。獲得數(shù)張圖片后,利用Adobe Photoshop的Photomerge功能,將圖片自動拼合(網(wǎng)絡上也有一些專門拼合衛(wèi)片的小軟件),但區(qū)域較大時拼合會造成圖片扭曲。二是較大區(qū)域,利用第三方軟件對Google Earth緩存數(shù)據(jù)進行處理,批量下載自動拼接,但此法受到Google Earth下載限制。

獲得衛(wèi)星圖片后,附著到Auto CAD中,按Google Earth中給定比例尺縮放,通過經(jīng)緯度或地形特征點與地形圖疊加,通過修測地形圖彌補地物。將城市發(fā)展現(xiàn)狀與城市規(guī)劃資料結(jié)合,更切合實際的擬定站位、線路方案,有效保障預算成果的精度。對某些區(qū)域我們甚至可以看清高壓鐵塔或者移動通信基站,合理規(guī)劃線位,減少拆遷。

以柳州至肇慶鐵路預可研工作為例：擬定航飛范圍工作中,手頭現(xiàn)場資料只有梧州市地方意見、城市規(guī)劃及其工業(yè)園區(qū)規(guī)劃。通過熟悉預可研文件,分析鐵路與園區(qū)位置關系，鐵路跨桂江橋位選擇將是該段線路方案的主要控制因素。工業(yè)園區(qū)規(guī)劃已有,但其現(xiàn)狀如何,實施與否,是否已經(jīng)形成規(guī)模,Google Earth即可幫助解決。Google Earth該處衛(wèi)片拍攝時間是2006年10月和2005年11月,分辨率亦達到分辨汽車精度,拍攝時工業(yè)園區(qū)大部分地方已經(jīng)完成場地平整,道路規(guī)劃初具雛形,部分廠房已經(jīng)建成。配合地標照片以及網(wǎng)上資料搜索,園區(qū)基本概況即有直觀認識。通過地標照片直觀瀏覽剛建成通車的洛湛鐵路跨桂江特大橋、桂江兩岸生態(tài)環(huán)境、園區(qū)企業(yè)辦公樓等,設計人員猶如身臨其境,再不是紙上談兵。

2.2 山岳地區(qū)輔助選線

在Google Earth開啟了“Terrain”效果的情況下可以觀察到以3D方式顯示的高原、山地等地形(將Google Earth Options設置里將Terrain Quality等級設置為最高),使用3d技術(shù)和微妙的明暗來讓人們更好地理解地理高度的變化,并顯示指定點高程值(高程是大地高,即到地球橢球面的距離,其精度足以滿足前期工作需要,但請注意區(qū)別于常用的85高程系)。該功能可以幫助工程師在項目前期快速熟悉地形,區(qū)分地形類別,分析水系特征,辨別分水嶺位置,選取越嶺埡口位置等等。

Google Earth直觀的地形、鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)、地名、水系等地理特征,能更好的幫助線路設計者擬定山岳地區(qū)線路大致走向。尤其是山區(qū)河谷選線,難以確定線路選擇在河的哪一岸時,通過Google Earth地形變化,直觀分辨兩岸坡度陡緩,辨別隧道洞身及進出口條件,區(qū)分橋梁工程大小,并可進一步在比例尺地形圖上精確驗證在Google Earth上直觀得到的思路。

2.3 遙感解譯輔助選線

通過Google Earth的衛(wèi)星圖像,幫助地質(zhì)工程師具有更廣闊的視野,逼真的圖像,有利于空間宏觀地質(zhì)背景的分析,從整體上提高對線路通過地區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、大型不良地質(zhì)、水文、植被等區(qū)域地質(zhì)特征的全面認識,從而可在大面積范圍內(nèi)對各個線路方案的工程地質(zhì)條件進行定性評價,快速、準確的選出工程地質(zhì)條件良好的方案。

2.4 利用Google Earth豐富的地理信息輔助選線

Google Earth發(fā)布已有4年,吸引了眾多愛好者添加共享地標、街景、風景名勝區(qū)、森林公園、地址公園、文物古跡等,初步選線時可以通過這些信息,熟悉現(xiàn)場情況,提高線路方案的可行性。

近年來我國高速公路發(fā)展迅猛,地圖更新相對緩慢,更缺乏高速公路信息,在沒有拿到航片之前,Google Earth上的高速公路信息,足以幫助我們選擇與高速公路平行或者跨越的合理位置。

我們還可以通過瀏覽衛(wèi)星圖片,根據(jù)煤堆、煤盞等煤礦特征，結(jié)合其他資料，找到大型煤礦位置,從而分析采空區(qū)大致位置并予以繞避；通過洗礦壩泛白的褶皺不同于水庫藍色而平靜的湖面之特點,根據(jù)洗礦壩等鐵礦特征,結(jié)合其他資料找到大型鐵礦位置。當然,以上分析是建立在其他資料輔助驗證的基礎上,不能簡單通過瀏覽Google Earth完成。

2.5 Google Earth等數(shù)字高程模型輔助選線

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,縮寫DEM)是針對地形地貌的一種數(shù)字建模,是規(guī)則格網(wǎng)點的平面坐標及其高程(X,Y,H)的數(shù)據(jù)集。DEM記錄地形是區(qū)別于等高線的另一套思路,不再有線的概念,只有一個一個的地理點。通過DEM可以自動計算提取地面線數(shù)據(jù),減少地面線人工讀取工作量,從而大大提高前期設計效率。

中南大學開發(fā)的GERAIL軟件建立了Google Earth和Auto CAD集成式設計平臺,是利用Google Earth的數(shù)字高程模型。該軟件利用Google Earth COM API、KML標記語言及多線程技術(shù),開發(fā)了基于Google Earth的鐵路交互式設計模塊,并成功應用到多條鐵路規(guī)劃設計中。其原理是：利用線路逐樁坐標,轉(zhuǎn)換WGS84坐標系經(jīng)緯度,生成線路的KML文件,實現(xiàn)線路的繪制顯示,利用Google Earth的三維模型下載高程數(shù)據(jù),通過計算自動提取線路地面線,生成線路縱斷面。

在公開的DEM數(shù)據(jù)中,Google Earth附帶的高程數(shù)據(jù)精度較差。目前應用比較廣泛的是SRTM數(shù)據(jù),ASTER GDEM是精度較高的數(shù)據(jù)。以下是SRTM、ASTER GDEM數(shù)據(jù)的簡介。

SRTM(全稱Shuttle Radar Topography Mission,即航天飛機雷達地形測繪任務)數(shù)據(jù),2000年2月由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合發(fā)射的“奮進”號航天飛機測量得到。覆蓋全球陸地表面的80%以上。獲取的雷達影像數(shù)據(jù)經(jīng)過兩年多的處理,制成了數(shù)字地形高程模型,該測量數(shù)據(jù)覆蓋中國全境。SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供一個文件,精度有1 arc-second和3 arc-seconds兩種,稱作SRTM1和SRTM3,或者稱作30 m和90 m數(shù)據(jù)。目前能夠免費獲取中國境內(nèi)的是SRTM3文件,是90 m的數(shù)據(jù),每個90 m的數(shù)據(jù)點是由9個30 m的數(shù)據(jù)點算術(shù)平均得來的。有資料顯示，用90 m的數(shù)據(jù)插值得到的等高線地圖的細節(jié)，總體接近于1∶100 000地形圖的細節(jié)水平,而高程數(shù)據(jù)精度在10 m以內(nèi)。

ASTER GDEM是根據(jù)NASA新一代對地觀測衛(wèi)星TERRA的觀測結(jié)果制作完成,這一全新地球數(shù)字高程模型包含ASTER搜集的130萬個立體圖像,數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區(qū)域,達到了地球陸地表面的99%。

SRTM和ASTER GDEM數(shù)據(jù)可以通過國際科學數(shù)據(jù)服務平臺免費下載,網(wǎng)址http://srtm.datamirror.csdb.cn/index.jsp。

3 Google Earth輔助線路方案演示

選線過程中或許需要將Auto CAD中的線位導入Google Earth中,以便結(jié)合地形、地貌判別選線的合理性；選線的成果還可以通過Google Earth進行線路方案演示。我們可以通過兩種方法實現(xiàn)以上想法。

方法一：利用一款免費的“Acad2Kml”軟件,直接將Auto CAD中的線位(即“圖元”)導入Google Earth中,軟件使用方法在其幫助說明中有詳細介紹,這里不再重復。但需要強調(diào),鐵路是線性工程,一般線路較長,受到地球曲率的影響,導入后與實際線路位置可能產(chǎn)生較大的偏移,因此線路較長時推薦采用方法二。

方法二：通過坐標轉(zhuǎn)換軟件,將逐樁坐標轉(zhuǎn)換成WGS84經(jīng)緯度,采用小數(shù)的格式,編輯成KML格式的路徑,即可導入。Google網(wǎng)站有詳細的KML教程,有興趣可以查看。

4 Google Earth輔助鐵路選線中需要注意的幾個問題

中國城市化進程不斷加快,變化日新月異,Google Earth衛(wèi)片年代往往不能完全滿足需要,而且還存在衛(wèi)片拼接錯誤、扭曲和云彩遮蓋等問題,圖層中鐵路網(wǎng)、公路網(wǎng)和水系往往不能與衛(wèi)片完全重合,而且其提供的衛(wèi)片分辨率滿足計算機瀏覽,但不滿足印刷需要。Google公司明確其提供的地圖資料僅供規(guī)劃用途而已,有著作權(quán)限制。因此,建議本文介紹的方法限在項目前期使用。同時,可以通過購買商業(yè)衛(wèi)星圖片,來獲得更新、更大分辨率、滿足印刷需要的衛(wèi)星圖片。

Google Earth免費和收費版本其區(qū)別是收費版增加了一些比如繪制線條、多邊形、GPS導航、統(tǒng)計等功能,但它們的全球的地貌影像與3D數(shù)據(jù)都是一樣的,并不存在付費版的圖象質(zhì)量更好更清晰的說法,但付費版提供高精度打印模塊。

5 其他地理信息系統(tǒng)軟件

5.1 Google Map

Google Map是Google Earth的web版,可以在Web上顯示矢量的Google Map地圖,近期其更新更是與Google Earth同步,其優(yōu)勢是在Terrain模式下為您準備好了最小等距10 m的等高線。由于是數(shù)據(jù)技術(shù)擬合的地形,較Google Earth美觀許多。

5.2 NASA World Wind

另一款完全免費的地理信息系統(tǒng)軟件是World Wind,它是由NASA(National Aeronautics and Space Administration美國國家航空航天局)開發(fā)的開放源代碼軟件,用C#編寫。World Wind可以利用Landsat 7、SRTM、MODIS、GLOBE, Landmark Set等多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù),讓用戶體驗三維地球遨游的感覺。其最大的特性是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的自動更新能力。這種能力使得World Wind具有在世界范圍內(nèi)跟蹤近期事件、天氣變化、火災等情況的能力。World Wind最高的解析度可以達到每像素代表15 m,也就是說一些比較大的街道可以看得一清二楚。Google Earth是一款面向大眾的商業(yè)軟件,側(cè)重滿足大眾的瀏覽、導航、量測的要求；而World Wind面向科學研究工作者,提供了一個開放的地理信息框架,在中國大陸區(qū)域顯示很差,尤其是城市及周邊區(qū)域,遠不及Google Earth的清晰度,其普及程度和易用性亦不及,因此對于鐵路規(guī)劃實用性較差。

5.3 Micosoft Virtual earth

Virtual earth是微軟公司推出的“虛擬地球”,其工程實用性較Google Earth、World Wind差。

5.4 國產(chǎn)GeoGloble軟件

2008年底,國家測繪科技委員會在上海提出了啟動“國家地理信息公共服務平臺”建設工程,打造中國自主知識產(chǎn)權(quán)的Google Earth即GeoGloble。由武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室研發(fā)。GeoGlobe軟件還提供了強大的二次開發(fā)功能。現(xiàn)在只能內(nèi)部使用還沒有對外開放,期待GeoGlobe盡快免費開放。

6 結(jié)束語

Google Earth自2005年發(fā)布以來,已經(jīng)在地質(zhì)勘察、防治災害、交通規(guī)劃、水利工程、土地規(guī)劃利用等廣泛領域發(fā)揮作用,吸引了眾多愛好者二次開發(fā)相關應用軟件,幫助我們更好的應用Google Earth。以Google Earth為代表的,互聯(lián)網(wǎng)上海量免費地理信息數(shù)據(jù),提高了鐵路勘測設計效率,降低了勞動強度,節(jié)約了生產(chǎn)成本,而且這些數(shù)據(jù)在勘測設計項目中的應用還有很大空間,需要設計人員不斷探索發(fā)現(xiàn)。

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[3] 謝 偉.Google Earth等免費數(shù)據(jù)源在鐵路勘測設計中的應用[J].鐵道勘察，2009(2)

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