Google Earth數據精度分析及在鐵路選線設計中的應用

王一波 邵偉偉 羅新宇

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅蘭州 730070)

在當前的鐵路建設中,對鐵路項目進行可行性研究通常還是采用傳統方法,由于紙質地圖的更新速度慢,不能精確反應鐵路行經地區的信息,造成鐵路可行性分析的各項指標存在誤差,無法對線路方案進行最終的準確評價。已經通過的可行性研究,在后期的設計和建設中,又往往出現線位的較大改動和增加未知工程量等一系列問題,造成鐵路綜合效益降低,達不到預期的效果。

眾所周知,Google Earth(以下簡稱GE)擁有全球不同分辨率的衛星影像和三維地形數據,可以為全球范圍的地理信息系統應用提供免費的基礎地理地圖。但是,由于軍事,國家利益等諸多原因,目前我國能獲取的GE數據精度遠遠不能滿足鐵路工程勘測設計的需求[2]。通過簡單對比可以發現,GE中一些點的平面數據和實地相差幾十米、甚至上百米,其高程相差也達幾十米。GE對不同區域提供的分辨等級也不一樣,比如某些鄉村就比較模糊。正由于GE數據精度有限,所以我們對GE資源還缺乏深刻認識,其可信度無從建立,能否將其應用于鐵路勘測設計,如何有效利用GE資源為鐵路勘測設計服務,都必須對其數據可靠性和精度進行詳細的分析和驗證。

1 GE數據的特點

GE將航拍照片、衛星影像、遙感影像和地理信息數據(GIS)數據整合在一起,其數據來源于美國國家航空航天安全局(NASA),初始數據為矢量化的柵格數據。其衛星影像部分來自于美國Digital Globle公司的Quick Bird(快鳥)商業衛星以及美國Earth Sat公司的LAND2SATO7陸地衛星;航拍部分來源于以航拍、GIS/GPS相關業務為主的英國公司BlueSky和美國公司Sanborn。GE將矢量數據根據其屬性數據類型的不同,分成不同的圖層,更加方便矢量數據的管理和使用。柵格數據則將地表分割成一個個的單元格,根據單元格覆蓋地表面積的大小,構成不同分辨率的圖像。

GE支持本地矢量數據的采集和應用,用戶可以方便地從其遙感影像中采集矢量數據進行分析。GE所顯示的底片是衛星遙感影像,這些影像是衛星影像和航拍數據的整合,其最高分辨率可達到分米級。但由于政治軍事等各方面的原因,這些高分辨率的影像主要集中在歐美地區,在我國境內的分辨率明顯低于歐美地區。

2 GE數據的精度分析

2.1 鐵路設計對空間數據的要求

目前鐵路勘測設計一般分為四個階段:預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖設計[4]。在不同的勘測階段,都需明確指出設計所采用地形圖的比例尺,明確規定了進行各項勘測設計測繪的精度指標。總體而言,隨著設計階段的逐步深入,對空間信息數據要求的精度是逐步提高的。

2.2 GE數字高程模型數據的理論精度

GE采用的數字高程模型數據為SRTM(全稱是Shuttle Radar Topography Mission),主要是由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的,SRTM數據每經緯度方格提供一個文件,該數據精度有1弧秒和3弧秒兩種標準,分別稱作SRTM-1和SRTM-3,水平分辨率分別為30 m和90 m。其中,SRTM-1精度的數據是將1度的面積分成了3 600×3 600個小區域,每一個小區域的大小為1弧秒(約30×30 m的面積;實際上隨著緯度的變化,面積有一定的差異);SRTM-3精度的數據是將1度的面積分成了1 200×1 200個小區域,每一個小區域的大小是3弧秒(約90×90 m的面積),任何一個小區域只有一個數值代表給區域中心的海拔高程,其余區域的高程數值都是通過該區域本身的一個高程數值以及相鄰區域的高程屬性值作距離加權差分計算得出的。相對而言,劃分的區域面積越少,海拔的精度就越高:SRTM-1的文件中包含3 601×3601個采樣點的高度數據,SRTM-3的文件里面包含1 201×1 201個采樣點的高度數據。目前能夠免費獲取中國境內的數字高程模型數據是SRTM-3,每個90 m的數據點是由9個30 m的數據點算術平均得來的。SRTM數據采用16位的數值表示高程數值,其最大正高程為9 000 m,最大負高程為-12 000 m。SRTM-3的高程基準為EGM-96大地水準面,平面基準為WGS84。SRTM-3的標稱絕對高程精度為 ±16 m,標稱絕對水平精度為 ±20 m,取得的描述面為DSM。

2.3 GE資源獲取的正確性驗證

正確性驗證是指驗證其下載手段、方法的有效性,并不關聯下載資源的精度。

(1)檢驗DEM與衛星圖片是否匹配

為了檢驗GE資源獲取手段的正確性,把用兩種不同方式下載的DEM(地面高程模型)與衛星圖片在第三方軟件平臺上進行展示,以檢查其DEM與衛星圖片匹配是否準確。其DEM是基于GE二次開發實現逐點獲取的地面高程模型,衛星圖片是直接鏈接服務器下載并經自動拼接后得到的整塊區域的圖片,展示平臺采用的是第三方ArcGoble平臺,以保證從驗證機制上能夠證明這種驗證方式的有效性。

圖1 檢驗DEM與衛星圖片是否匹配

從圖1中可以看出,湖泊河流與地形匹配良好,山腰道路走勢合理,地形紋理層次分明有序,山谷、山脊輪廓清晰,因此這種DEM獲取的手段與衛星圖片下載的方法都是有效、正確的。

(2)檢驗反算等高線與GE是否匹配

將下載后的地面模型取等高線,生成如下10 m等高距的地形圖文件,反過來將地形文件加載到GE,以檢驗等高線與GE是否匹配。

從圖2中可以看到,等高線與地形匹配良好,這說明:下載過程與轉換過程中方位沒有損失精度;下載與轉換過程中高程沒有損失精度。而一旦出現精度損失的情況,將會導致等高線紊亂,與地形匹配不上。

圖2 檢驗反算等高線與GE是否匹配

2.4 GE高程精度驗證

為驗證GE高程精度,故將GE高程與實測高程進行對比分析。其測量點號布置如圖3所示,設立于道路人行道中央及交叉路中央,以便于觀察。

圖3 測量點號布置

實測線路單程1.8 km,往返共3.6 km,閉合差3 mm,其測量結果如表1所示。

從表1可看出,在這些點位上GE高程與實際高程能夠較好的符合。經鐵四院在金溫鐵路設計中詳細驗證,其GE數據的精度可以滿足鐵路選線設計中預可研和可研兩個階段對空間信息數據精度的要求。

表1 實測高程與GE高程比較 m

2.5 從GE數據提取線路的縱/橫斷面精度分析

為分析從GE數據中提出線路的縱/橫斷面是否可行、數據精度如何,將傳統方式與GE數據提取方式進行比較。一方面,利用現有鐵路選線輔助軟件從1∶2 000地形圖中生成數字地模,按20 m取一個點切出縱斷面;另一方面,利用GE提取的DEM,按50 m一個點切出縱斷面。由兩種方式分別生成縱斷面圖,從圖4比較可以看出,其地形地勢還是基本上相吻合的,因此從GE數據提取線路的縱/橫斷面其精度是能滿足可研階段的精度要求的。

圖4 地形圖提取的縱斷面與GE提取的縱斷面比較

為了進一步檢驗從GE上獲取的地面線數據的精度,中鐵二院曾對“鄭州至萬州”、“四川犍為小火車規劃”等線路的縱橫斷面地面線進行了綜合比較分析。經比較發現,從GE上獲取的地面線數據與從1∶5萬地形圖上人工判讀的地面線數據高差在10 m范圍內達到了95%,可以說明基于GE的提取的地形精度與人工從1∶5萬地形圖上判讀的精度相當,可滿足規劃階段的要求[4]。另一方面,GE的提取速度遠快于人工提取的速度,并且GE是DEM疊加影像的三維平臺,具有較好的量測性能(如高程、距離等),有著眾多的優勢。

3 GE數據在鐵路選線設計中的應用

通過對GE的坐標數據和影像數據的精度分析,結合當前GE在當前各個領域的應用,可將GE數據具體應用于鐵路選線設計的以下方面。

3.1 制作數字地形圖

在鐵路可研階段,通常收集到的地形圖多為20世紀60、70年代測繪,與當前的現狀差別較遠,特別是村鎮范圍擴展較快,新增了很多建筑物,路網變化也較大。利用GE的衛星影像,疊加SRTM數據生成的等高線地圖,可制作1∶1萬、1∶5萬、1∶10萬的地形圖,從而對線路行經區域內的地貌、水系、城鎮布局、路網等進行了深入細致的研究。

(1)根據地圖范圍,從中國科學院國際數據服務平臺(http://srtm.datamirror.csdb.cn)下載鐵路所在區域的SRTM數據。

(2)利用GetScreen等成熟的GE圖片提取軟件,可以快速、簡便地從GE中下載相應區域的衛星圖片,提取后可利用軟件將分幅的圖片進行自動拼接,最后得到一幅完整無縫的測區影像。

(3)利用Global Mapper軟件將下載的SRTM數據生成等高線地圖,經疊合衛星圖片和圖形矯正后,生成帶等高線的各種比例地形圖。

3.2 建立數字地模

在設計鐵路的全線均勻布置控制點,通過坐標計算,可求取鐵路所在帶狀區域的布爾莎模型的七參數,然后利用GE的COM API函數提取區域內點的三維坐標,建立整個區域的數字地模。在一定的精度指標下,滿足鐵路可行性研究設計的部分需求,例如鐵路選線繞避重要地物、橋梁隧道的布置區域、方案的比選等。

3.3 地質布孔及輔助測繪

在鐵路外業勘測中,將收集的地質圖紙放到GE中,能夠提高布置地質鉆孔的準確度和效率;通過專門的部門對GE的高清影像分析,能夠對該區域的地質狀況有初步的分析和了解,實施地質選線。另外,在勘測資料整理校審階段,可以利用GE影像對野外測繪的地形和地貌進行校對檢查,杜絕漏測漏繪和測錯現象[3]。

3.4 基于GE的鐵路三維選線

利用GE的KML技術可實現在GE上進行鐵路平面定線,使GE成為鐵路的三維空間選線平臺。通過直接在GE中進行三維選線,能夠迅速高效率的選擇出一條最佳線位,然后進行平面、縱斷面、橫斷面數據提取和設計。

3.5 鐵路設計成果在GE中的三維展示

對于鐵路設計者而言,不僅要設計出好的線路方案,也經常需要通過平面示意圖、三維效果圖、三維動畫等手段進行方案演示。利用Google公司的另一個軟件Google Sketchup(簡稱GC)建立三維模型,可將鐵路設計成果展示在GE中。通過GE的三維立體顯示,逼真展示了現場線位的效果,還可以配以圖片和文字說明,從而使業主、設計人員、政府部門都可以直觀的分析和查看路線設計方案,以便做出決策。同樣,對于CAD中的線位,也可通過坐標轉換,利用第三方軟件Global Mapper將線位轉換成KML文件格式,在GE中顯示查看。

4 結束語

隨著GE在各領域的廣泛使用,將其數字地球技術應用于鐵(公)路線路規劃設計無疑具有極其重要的意義。通過對GE資源的可行性、可靠性、數據精度進行分析比較及現場實踐驗證,可以得出以下結論:

(1)在目前階段,將GE資源應用于鐵路勘測設計中是可行的,其GE數據提取方式也基本可靠,但由于其數據精度限制,還只能滿足鐵路預可研和部分可研階段的設計要求,應特別注意GE資源應用的范圍。

(2)充分利用GE資源,將其積極應用于鐵路規劃設計中,可有效解決當前存在的問題,顯著提高鐵路選線設計技術水平,幫助設計人員實現二維選線向三維選線轉變,大大提高了鐵路設計效率和設計鐵路的綜合指標,其應用有著廣泛的前景。

(3)GE資源下載與轉換過程中必須可靠,應盡量利用RailwayGIS數字化平臺或GERail三維空間選線系統進行GE資源下載,避免出現數據精度損失,否則將嚴重影響設計成果的質量。

(4)GE采用的WGS84坐標系下的大地坐標,而在鐵路工程建設規范中,明確要求新建鐵路的平面坐標系采用北京54坐標系。要實現兩個坐標系的精確轉換首先需要獲取鐵路工程建設區域的七參數值,但由于區域不同,該區內的橢球面和該坐標系下的橢球面必然存在一定差異,僅僅靠兩種橢球參數很難進行精確轉換[6]。

(5)鐵路選線設計的發展趨勢是建立集成GE和AutoCAD的鐵路線路三維空間設計平臺,充分利用GE提供的數字地形和影像,輔助進行線路平縱橫設計、方案比選、各種工程圖和數量表的輸出以及工程虛擬現實演示等,最終實現面向鐵路各設計階段的數字化選線。

[1]Wolk,R.M.Utilizing Google Earth and Google Sketchup to visualize wind farms[C]∥2008 IEEE International Symposi-um on Technology and Society.2008:1-8

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