控制點(diǎn)導(dǎo)航采集與大數(shù)據(jù)三維地圖制作探討

姜宇榕 周霞 劉彥文

摘 要 以中三角地區(qū)為研究對(duì)象，首先對(duì)導(dǎo)航輔助下進(jìn)行外業(yè)影像校正控制點(diǎn)采集的方法進(jìn)行了闡述，在中三角DEM和影像數(shù)據(jù)校正處理中進(jìn)行了驗(yàn)證，控制點(diǎn)采集的效率相對(duì)于傳統(tǒng)外業(yè)采集方法有明顯提高。其次利用超圖軟件對(duì)大數(shù)據(jù)量的影像、DEM數(shù)據(jù)緩存切片及時(shí)響應(yīng)的處理方法，探索了大數(shù)據(jù)支持下中三角三維旅游地圖的制作。實(shí)驗(yàn)證明超圖軟件以切片緩存的方式很好地解決了大數(shù)據(jù)量與用戶需求及時(shí)響應(yīng)的瓶頸。

關(guān)鍵詞 控制點(diǎn)；三維地圖；導(dǎo)航；DEM緩存；影像緩存

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）225-0149-04

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)正處于一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期，新概念和新產(chǎn)品層出不窮。在需求與市場的雙重推動(dòng)下，結(jié)合地理信息系統(tǒng)在各行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，其發(fā)展一度達(dá)到了飛速的地步，技術(shù)進(jìn)展主要表現(xiàn)在網(wǎng)格GIS、開源GIS、組件GIS、WebGIS、移動(dòng)GIS等方面[1-4]。眾所周知，對(duì)于任何類型的GIS，數(shù)據(jù)始終是其核心，隨著需求的精細(xì)程度不斷提高，GIS要面對(duì)更大量數(shù)據(jù)的處理與響應(yīng)，如李清泉等提出的大數(shù)據(jù)GIS中的5V特性，Volume（體量大）：大量TB級(jí)以上已有的數(shù)據(jù)等待處理；Velocity（速度快）：需要響應(yīng)以s甚至ms計(jì)的流數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生；Variety（模態(tài)多樣）：數(shù)據(jù)來源和類型繁多；Veracity（真?zhèn)坞y辨）：指數(shù)據(jù)的不確定性；Value（價(jià)值）：大數(shù)據(jù)的終極目標(biāo)在于從數(shù)據(jù)中挖掘價(jià)值[ 5 ]。上述GIS研究的熱點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)多方面熱點(diǎn)往往交織在一起顯示出GIS

在新時(shí)代下的再一次的巨大應(yīng)用潛力，比如將網(wǎng)絡(luò)GIS與三維GIS結(jié)合在一起，用戶只需借助簡單的瀏覽器即可欣賞城市三維地圖，并可以進(jìn)行簡單的查詢與分析。此外，GIS又與RS、GPS緊密聯(lián)系在一起，比如RS的影像數(shù)據(jù)，通過GPS采點(diǎn)校正控制處理后，可以在GIS中進(jìn)一步分析處理。本文探索在影像傳統(tǒng)控制點(diǎn)采集的基礎(chǔ)之上，通過手持GPS導(dǎo)航進(jìn)行控制點(diǎn)采集的方法，并利用處理結(jié)果制作中三角地區(qū)的三維旅游圖。

1 航片野外控制點(diǎn)的導(dǎo)航采集

傳統(tǒng)方法由野外實(shí)地測量獲取GIS數(shù)據(jù)的效率較為低下，隨著測繪技術(shù)的不斷進(jìn)展，利用航片獲取4D數(shù)據(jù)已漸成趨勢。由于成本等原因，小范圍小型無人機(jī)作業(yè)航片校正所依賴的外業(yè)控制點(diǎn)往往還是人工獲取。理論上航拍前應(yīng)該在地面布置能在航片上可見的如小紅旗之類的標(biāo)志物，便于后期辨別采集相應(yīng)控制點(diǎn)。但實(shí)際實(shí)施時(shí)，往往由于各種原因，而不乏采取先拍攝，后直接在影像上找尋特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)的方法。如本文作業(yè)時(shí)在影像上找尋的控制點(diǎn)如圖1所示。

此種方法作業(yè)的優(yōu)勢在于不需要拍攝前在實(shí)地標(biāo)定控制點(diǎn)，拍攝不受地面控制點(diǎn)測量進(jìn)度的影響，航片上控制選點(diǎn)較為靈活。但不足之處也較為明顯，因?yàn)樽鳂I(yè)區(qū)域?qū)刂泣c(diǎn)采集人員而言往往不熟悉，在航片上選擇的控制點(diǎn)在實(shí)地找尋時(shí)由于對(duì)當(dāng)?shù)夭皇煜ぃ枰ㄙM(fèi)大量的時(shí)間。

本文曾作過試驗(yàn)，如果利用Google Earth影像高倍放大后幫忙實(shí)地辨別方位，其效率非常低下，約為實(shí)際控制點(diǎn)采集所需時(shí)間的3～5倍左右。為此，本文提出基于手持GPS導(dǎo)航找尋相應(yīng)控制點(diǎn)的辦法，技術(shù)路線如圖2所示。

手持GPS導(dǎo)航尋找相應(yīng)控制點(diǎn)大體的做法是先利用已有的矢量數(shù)據(jù)獲得航片上標(biāo)定的控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息，再利用影像作為底圖數(shù)據(jù)，將其分割后導(dǎo)入手持GPS當(dāng)中，同時(shí)導(dǎo)入矢量標(biāo)定的控制點(diǎn)信息、規(guī)劃好的外業(yè)控制點(diǎn)測量最短的路徑數(shù)據(jù)。外業(yè)實(shí)際作業(yè)時(shí)，實(shí)測人員不需要熟悉當(dāng)?shù)胤轿唬苯右罁?jù)手持機(jī)的導(dǎo)航指南，可以迅速到達(dá)航片上標(biāo)定的控制點(diǎn)處。其誤差依賴與手持機(jī)的標(biāo)稱精度與有無相應(yīng)WGS-84坐標(biāo)和作業(yè)所采用的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)換信息。

本文三維地圖制作過程中由于采用了二者轉(zhuǎn)換高精度的七參數(shù)信息，所以誤差在1m～2m以內(nèi)，即相當(dāng)于開車測量控制點(diǎn)時(shí)，可以直接到達(dá)控制點(diǎn)上，以70～80個(gè)分布于5～6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的控制點(diǎn)信息采集為例，作業(yè)時(shí)間可以壓縮近60%，可以極大提高傳統(tǒng)控制點(diǎn)采集的效率。

2 單機(jī)版數(shù)字制圖選題實(shí)例

“中三角”即“長江中游城市集群”，是以武漢、長沙、南昌為核心，組合沿長江、環(huán)洞庭湖、環(huán)鄱陽湖的武漢城市圈、長株潭城市群，通過整體規(guī)劃和集成，形成跨省域的經(jīng)濟(jì)一體化城市集群。其所在的三省旅游資源十分豐富，有以一江兩湖為代表的水域景觀，以廬山、三清山、張家界為代表的山岳景觀，以武當(dāng)山、龍虎山、衡山為代表的宗教朝圣景觀，以黃鶴樓、滕王閣、岳陽樓為代表的江南名樓景觀，以南昌、瑞金、井岡山、紅安、韶山為代表的紅色革命史跡景觀，代表性景點(diǎn)如圖3。

本文在SuperMap軟件的支持下，選取中三角地區(qū)為研究對(duì)象，以旅游為主題，運(yùn)用傳統(tǒng)方法和導(dǎo)航尋找控制點(diǎn)輔助校正后的DEM和遙感影像數(shù)據(jù)，在SuperMap的支持下，探索大數(shù)據(jù)量制作三維旅游地圖的方法。

3 數(shù)據(jù)介紹

大數(shù)據(jù)量一直是用戶需求與軟件及時(shí)響應(yīng)之間的一對(duì)矛盾，實(shí)例中的大數(shù)據(jù)最主要的是空間數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及其他地圖數(shù)據(jù)等。從國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)（http：//datamirror. csdb.cn/index.jsp）數(shù)據(jù)檢索欄目輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)后查詢下載中三角DEM數(shù)據(jù)，共168幅，每幅范圍3601×3601像素（1°×1°，1"分辨率，約30m）。從Google Earth上下載12-16級(jí)中三角遙感影像數(shù)據(jù)，選用數(shù)據(jù)共3G左右，詳見表1。另外，還搜集到一些旅游景區(qū)的風(fēng)景圖片、旅游線路數(shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)處理

地圖導(dǎo)入超圖軟件導(dǎo)入進(jìn)來的柵格數(shù)據(jù)是沒有空間位置的，為了對(duì)導(dǎo)入的柵格數(shù)據(jù)賦予實(shí)際地物空間的位置，需要對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)柵格圖進(jìn)行坐標(biāo)和投影的校正，以使得其坐標(biāo)準(zhǔn)確。同時(shí)配準(zhǔn)也可以糾正掃描時(shí)由于各種因素引起的圖形變形。打開 SuperMap deskpro軟件，右擊工作空間中的“數(shù)據(jù)源”，選擇“新建數(shù)據(jù)源”，新建一個(gè)新的名為“中三角”的數(shù)據(jù)源。右擊“中三角”， 在彈出的列表中，選擇“導(dǎo)入數(shù)據(jù)集”選項(xiàng)，導(dǎo)入所需數(shù)據(jù)。在彈出的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”對(duì)話框中，點(diǎn)擊“添加文件”按鈕，在彈出的“打開”對(duì)話框中選擇“湖北省地圖”文件，“湖北省地圖”導(dǎo)入到數(shù)據(jù)源中。

地圖配準(zhǔn)。超圖軟件配準(zhǔn)過程如圖4所示。右鍵單擊底圖→屬性，選擇“投影信息”，點(diǎn)擊“重新設(shè)定投影”，在彈出的對(duì)話框中選擇所需要的經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)（底圖為北京80 坐標(biāo)系下高斯克呂格投影，所以要統(tǒng)一坐標(biāo)系）點(diǎn)擊確定。選取相距較遠(yuǎn)的多個(gè)具有代表性地物（如道路交叉路口），在 Google Earth 找到相應(yīng)點(diǎn)地理坐標(biāo)，并且記下此坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

將 Google Earth 上獲取的控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)大地坐標(biāo)信息解算有兩種方式，一是通過前述的導(dǎo)航尋找外業(yè)控制點(diǎn)實(shí)測的方法獲取，前文已有敘述；二是手動(dòng)或運(yùn)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行處理。具體操作是通過某點(diǎn)的經(jīng)度，計(jì)算出相應(yīng)的中央子午線、投影代號(hào)，利用坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化工具，選擇大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)系，通過輸入該點(diǎn)的緯度（B）、經(jīng)度（L）、海拔（H）以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換下拉列表中的投影設(shè)置中的中央子午線數(shù)值，就可以轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。利用轉(zhuǎn)換好的控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)，在超圖軟件中對(duì)湖南、湖北、江西三個(gè)省的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)分層。中三角旅游地圖涵蓋了各種不同類型的地理要素，因此在進(jìn)行矢量化之前，先要對(duì)不同地理要素進(jìn)行合理分層，對(duì)各數(shù)據(jù)集的表結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定。以方便底圖的矢量化以及后期對(duì)數(shù)據(jù)的處理。本次在超圖中建立了中三角一個(gè)數(shù)據(jù)源，包括了點(diǎn)、線、面、文本數(shù)據(jù)集。

地圖矢量化與圖層風(fēng)格設(shè)置。為了使遙感影像上的地圖信息更為豐富與準(zhǔn)確，需要對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，以更于后期疊置到影像上顯示，如水系、鐵路、主要行政駐地等。在矢量化之后，為了達(dá)到制圖的要求并達(dá)到美觀的效果，要根據(jù)具體數(shù)據(jù)的需要進(jìn)行風(fēng)格設(shè)置。由于軟件自帶的符號(hào)庫有限，故往往需要自己設(shè)計(jì)符號(hào)。如本文對(duì)線狀符號(hào)的制作，具體操作步驟為：工具→符號(hào)庫→編輯符號(hào)庫→新建符號(hào)→繪制符號(hào)→編輯符號(hào)信息→保存符號(hào)。此外，對(duì)于其他點(diǎn)圖層的風(fēng)格設(shè)置，還可以通過設(shè)計(jì)并導(dǎo)入符號(hào)數(shù)據(jù)文件，例如中三角旅游地圖在繪制過程中添加了風(fēng)景圖片，就是利用網(wǎng)絡(luò)下載的圖片進(jìn)行處理后導(dǎo)入進(jìn)去，再進(jìn)行風(fēng)格設(shè)置的。

5 大數(shù)據(jù)切片緩存與結(jié)果展示

數(shù)據(jù)處理與地圖制作過程中，體驗(yàn)了對(duì)大數(shù)據(jù)量的處理與應(yīng)用，如對(duì)海量DEM數(shù)據(jù)鑲嵌配準(zhǔn)裁剪以及對(duì)其中異常點(diǎn)的剔除、影像海量數(shù)據(jù)的處理等。對(duì)于大數(shù)據(jù)的響應(yīng)，不同的軟件有不同的處理方式，超圖軟件以切片緩存的方式很好的解決了大數(shù)據(jù)量與用戶需求及時(shí)相應(yīng)的瓶頸。切片響應(yīng)的處理方式一般見于對(duì)影像圖片的處理，如Google影像等，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩洳捎肳eb Mercator投影將全球數(shù)據(jù)分級(jí)切片，但對(duì)于DEM數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)量非常龐大，如何及時(shí)傳輸、及時(shí)響應(yīng)用戶地圖展示的需要，仍需要深入研究。超圖在此方面實(shí)現(xiàn)了類似的切片緩存處理并在軟件當(dāng)中將其實(shí)現(xiàn)，即將DEM也分割為小片，以四角坐標(biāo)將其顯示時(shí)于以拼接，其對(duì)硬件的需求可以滿足普通用戶的支撐能力。在SuperMap軟件中，DEM和遙感影像分別生成場景緩存和影像緩存，瀏覽時(shí)一起加載，使得中三角三維場景能夠立體出現(xiàn)，貼近實(shí)際。本文在地圖配準(zhǔn)中對(duì)于大數(shù)據(jù)DEM選取了近百個(gè)配準(zhǔn)點(diǎn)，以保證配準(zhǔn)效果的準(zhǔn)確性。

中三角旅游圖借助SuperMap、Photoshop等軟件，最終制作出中三角發(fā)展歷程圖、中三角三維旅游地圖、中三角衛(wèi)星影像圖等。各項(xiàng)地圖清晰展示了“中三角”旅游魅力，吸引廣大游客的關(guān)注，為觀光游客的旅行提供了極大的便利。景點(diǎn)名稱與圖片并存，交通路線也給游客提供更多路線的選擇，二三維結(jié)合給游客不一樣的視覺感受，游客可以借此從多方面、多角度認(rèn)識(shí)中三角、了解中三角，制圖部分結(jié)果如圖5所示。

6 數(shù)據(jù)分析

中三角三維地圖在聯(lián)想揚(yáng)天電腦上進(jìn)行了測試，在沒有加載地形緩存數(shù)據(jù)時(shí)，其運(yùn)行相對(duì)流暢，加載了地形數(shù)據(jù)之后，響應(yīng)速度有明顯變化，其單機(jī)版響應(yīng)效果內(nèi)部測試用戶滿意度估計(jì)約為0.7。這一結(jié)果相對(duì)于作者此前未利用緩存技術(shù)的響應(yīng)效果而言，已經(jīng)有了質(zhì)的變化，未利用緩存時(shí)，湖北、湖南、江西3個(gè)省份的DEM、影像同時(shí)顯示，同樣配置的機(jī)器，卡機(jī)現(xiàn)象非常明顯，單機(jī)版尚且如此，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的移動(dòng)版就更難。在GIS領(lǐng)域，隨著高分辨率衛(wèi)星、航測技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，越來越多關(guān)于這個(gè)世界的細(xì)節(jié)信息被挖掘和保存到硬盤上。為了解決大數(shù)據(jù)及時(shí)響應(yīng)的瓶頸，使用分布式切片處理DEM、影像等數(shù)據(jù)是一個(gè)最簡單的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]周新忠.當(dāng)代GIS進(jìn)展[J].價(jià)值工程，2010：162-163.

[2]胡慶武，陳亞男，周洋，等.開源GIS進(jìn)展及其典型應(yīng)用研究[J].地理信息世界，2009（1）：46-55.

[3]劉耀林.新地理信息時(shí)代空間分析技術(shù)展望[J].地理信息世界，2011（2）：21-24.

[4]左堯，王少華，鐘耳順，等.高性能GIS研究進(jìn)展及評(píng)述[J].地球信息科學(xué)，2017，19（4）：437-446.

[5]李清泉，李德仁.大數(shù)據(jù)GIS[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（6）：641-644.