基于Google Earth的地圖要素矢量化及數據處理

王玉龍，楊昕，李錦

(河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北秦皇島 066001)

1 引言

隨著“3S”技術、計算機技術、互聯網和多媒體技術的快速發展，包括地圖制圖在內的諸多測量技術和方法都發生了極大的變化。尤其是近年來通過運用軟件對現有地形圖、遙感影像進行掃描矢量化的圖形處理技術正在測繪地理信息領域迅猛發展。

Google Earth(簡稱GE)是一款Google公司開發的虛擬地球軟件，它把衛星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上［1］。GE采用的平面坐標系統為WGS－84坐標系，高程系統為WGS－84橢球的大地高，在GE中隨著鼠標的移動相應點位的經緯度坐標和高程會實時顯示在GE窗口下側的狀態欄上。

本文以制作某地的礦業權分布圖為例，介紹了如何在Google Earth的高分辨率衛星影像和航片上矢量化，從中提取用戶需要的相關地圖要素并以KML文件格式存儲，然后配合ArcGIS等其他GIS軟件編輯成圖的方法。

2 Google Earth和KML簡介

Google Earth是Google公司2005年6月向全球推出的免費的衛星影像軟件［2］，通過網絡可訪問包含航空與衛星圖片的海量數據庫，獲取和判讀、標注感興趣的已知地域上的地物、地貌等實時地理信息。

Google Earth的影像主要來自Quick Bird商業衛星(衛片)和Blue Sky、Sanborn等公司(航片)。針對不同的地域，衛星影像的分辨率各不相同，0.15 m～2 m至幾十米等，重要城市分辨率高，無人區分辨率低［4］。這些大量以免費方式發布的衛星影像和眾多的用戶上傳添加的地標、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系統［5］，從而為全世界的廣大用戶提供了豐富、準確、快捷、免費的地理信息獲取渠道。

KML全稱是Keyhole Markup Language。通俗地講就是一種文件格式，用于描述和保存地理信息(如點、線、圖像、多邊形和3D模型等)。2008年4月16日，Google將KML開放了，使得它正式成為一種國際標準。用Google的話來說，KML成為地理標準信息的國際標準，就像互聯網上的HTML標準一樣［3］。

KML文件就是一種在Google地圖瀏覽器中用于交換地理數據的文件。它基于XML，并定義了一些TAG用于規定地理數據的顯示方式［3］。KML文件可以直接或間接導入到ArcGIS、MapInfo等GIS軟件中顯示并編輯。

3 在Google Earth上矢量化地圖要素后導入ArcGIS進行數據處理

3.1 項目簡介

為了滿足國土礦山資源管理需要，冀東Z市國土資源局委托我單位制作1∶5萬比例尺的Z市礦業權分布圖，要求坐標系統采用1980西安坐標系，規定圖上必須表示出各個礦權的礦證范圍、礦權名稱及許可證號，另外還要表示其他基本地理、人文要素，比如公路、鐵路、水系、各級行政界線以及居民地等，為下一步建立該市的礦山管理GIS系統提供數據基礎。

3.2 項目實施

目前我們具備的資料有:Z市2009年礦業權核查數據庫，里面包含了與礦權相關的各項信息;部分Z市一帶的1∶1萬和1∶5萬比例尺地形圖，但是由于這些圖紙成圖日期均在上世紀六、七十年代，現勢性較差，并且沒有全部覆蓋Z市范圍，所以可利用價值不大;另外還有一份已轉換到WGS－84坐標系的AutoCAD DWG格式Z市行政界線圖可以利用。

由此可見本項工作的重點就在于怎樣在有限的時間、經費條件下，快速、準確地獲取除礦山以外的其他地理信息要素。解決此類問題我們通常的做法有兩種:一是野外實測，但是由于甲方工期要求很緊，并且投入的經費有限，所以野外實測的方法就不予考慮了。第二種方法是圖形矢量化。以往做矢量化工作基本都是在已有地形圖上進行的，但是本項目中收集到的地形圖年代過于久遠，許多近年修建的公路、鐵路都沒有表示，所以利用價值也不大，只有采用其他可行的解決方法。

近年來國內對于Google Earth在各行業的應用研究方興未艾，尤其在地理信息和測繪方面更是如火如荼。在查閱了大量相關的論文、案例后，我們最終決定在Google Earth上完成矢量化工作。主要原因有以下幾個方面:首先是根據調查發現Z市范圍內的Google Earth影像圖拍攝日期基本都在2006年以后，現勢性較好;另外這一帶影像分辨率較高，各種主要道路、河流、居民地輪廓清晰，容易識別;還有就是在Google Earth上完成的矢量化數據(包括地理坐標和其他屬性信息)都可以存儲為KML文件，而KML因其開放性和良好的兼容性正逐漸成為一種國際通用的地理信息標準，KML文件格式可以被大多數常用的GIS軟件認可和接受。

(1)作業流程

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

由于篇幅限制，本文只討論與矢量化數據處理相關的內容，具體工作流程如圖1所示。

圖1 矢量化流程

(2)具體步驟

①在ArcGIS 9.3中加載AutoCAD DWG格式的Z市行政界線文件，利用ArcToolbox的轉換工具將圖層輸出為KML文件，如圖2所示。

圖2 行政界線輸出為KML文件

②啟動Google Earth，在“文件”菜單項下點擊“打開”，然后在瀏覽對話框中選擇剛剛保存的“Z市行政界線.KML”文件，這樣各級行政界線便按照其經緯度坐標值顯示在GE影像的相應位置上，從而為接下來的地物矢量化工作提供參考邊界，做到不遺不漏。

開始矢量化之前首先在GE的“我的位置”下新建文件夾并命名為“Z市制圖要素矢量化”，接著在此文件夾內依次新建文件夾若干并按實際需要分別命名為“道路”、“水系”、“居民地”等，后續的矢量化工作分別在對應的各個文件夾下進行。

以矢量化道路為例:單擊Google Earth左側側欄“位置”框中“Z市制圖要素矢量化”下的“道路”文件夾，然后點擊上方工具欄的“添加路徑”按鈕，在出現的對話框中“名稱”一欄里輸入道路的名稱，接著轉動鼠標的滾輪將視點調整到適當的高度(以能清晰分辨出影像上道路輪廓為宜)，從這條道路的端點或者與其他地物的交點開始沿著道路邊線或者中心線(視道路的寬窄而定)的各個拐點逐點矢量化，盡量保證矢量化出的線條與影像圖相吻合，一條路畫完后點擊對話窗口中的“確定”按鈕，數據便被保存到了“道路”目錄下，如圖3所示。

圖3 在Google Earth中矢量化

矢量化工作結束后，在側欄“位置”框中“Z市制圖要素矢量化”文件夾上點右鍵，在彈出菜單中單擊“將位置另存為”給導出的KML文件命名并保存。

③打開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坐標系［6］，而最終成果要求是1980西安坐標系，所以在ArcGIS中必須對加載的KML文件數據進行投影變換。需要說明的是七參數必須事先計算出來，我們的做法是搜集均勻分布于Z市區域內的5個(要求至少3個)C級GPS控制點的WGS－84和1980西安坐標，然后利用MapGIS軟件功能計算出Z市WGS－84坐標系到西安坐標系的布爾莎七參數，

接下來的操作過程分兩步:

第一步:首先定義地理轉換的方法，在Arctoolbox中打開Create Custom Geographic Transformation工具，在彈出的窗口中，輸入一個地理變換的名字，比如“Z市WGS－84ToXA80”，接著在自定義地理轉換的“方法”中選擇COORDINATE_FRAME，也就是七參數轉換方法。依次輸入3個平移參數(單位:m)、3個旋轉參數(以秒為單位)和1個比例因子(單位ppm)，如圖4所示。

圖4 定義投影變換參數

圖5 圖形要素投影變換

第二步:將數據要素進行投影變換。在Arctoolbox工具箱中打開Projections and Transformations＞Feature＞Project，在彈出的窗口中輸入要轉換的數據以及輸出文件名和輸出坐標系，地理變換方法選擇在第一步中定義的“Z市WGS－84ToXA80”，點擊“確定”，完成坐標系轉換，如圖5所示。

(4)接下來的工作就是在ArcGIS中進行制圖要素的編輯、屬性添加、圖面整飾等常規作業手段，由于不是本文重點，在此不再贅敘。

3.3 精度分析與總結

直接在Google Earth上完成矢量化對于我單位來說是一種全新的工作方法，為了檢驗成果精度，我們特意在Google Earth上的作業區域內選定了一些輪廓清晰的房角、電桿等地物，精確記錄其位置坐標，然后使用GPS RTK到實地對上述點位進行量測，經對比統計，兩者坐標相差一般都在±5 m以內，個別點最大相差不超過±10 m，精度優于1∶5萬比例尺地形圖編繪規范中要求圖上地物點平面位置中誤差小于等于圖上0.5 mm的規定。

與此同時我們也應該認識到在Google Earth進行矢量化工作的局限性。

首先Google Earth的高程精度遠沒有它的平面精度高，并且其WGS－84橢球高程無法在室內條件下準確地轉換到我們常用的高程系統，所以本方法只適用于平面地理要素的采集。

另外由于Google Earth到目前為止在我國大部分區域的影像分辨率較低，遠沒有達到其在歐美國家大中城市的1 m分辨率水平，所以上述作業方法在現階段僅限于制作中小比例尺地圖時使用。

還有就是從GE上矢量化出的地圖要素均為WGS－84坐標系統，要想精確地轉換到用戶坐標系統就需要準確的轉換參數，也就是通常說的七參數，即3個平移參數、3個旋轉參數和1個比例縮放因子，而目前在我國坐標系轉換參數屬于秘密資料是不對外公開的。

4 結語

通過本文中的實例證明，在制作1∶5萬或者更小比例尺專題地圖時，我們完全可以在Google Earth上完成地理要素的矢量化工作，從而免去了大量的外業工作，最終節省人力、物力，極大地提高了工作效率。

［1］顧有兵.基于Google Earth的測繪資料查詢系統設計及應用［J］.現代測繪，2010(3):52～53.

［2］金永福，郭偉其，蘇誠.基于Google Earth的海域使用管理信息系統應用 Ⅰ、瀏覽顯示篇［J］.海洋環境科學，2008(5):513～516.

［3］劉珍，劉建勛.淺談Google Earth二次開發技術［J］.地理空間信息，2009(4):72～74.

［4］李云星.基于Google Earth的測量控制點非涉密信息集成與應用［J］.城市勘測，2009(5):98～99.

［5］韓皓.Google Earth在鐵路勘測設計前期工作中的應用［J］.鐵道勘察，2010(1):9～11.

［6］錢李進.基于Google Earth的三維動畫在道路工程中的應用研究［DB/OL］.中國科技論文在線精品論文，2011，4(12):1127～1130.