基于多源數據的鐵路遙感影像專題圖制作探討

張銀虎

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 概述

在鐵路勘察設計項目中，前期投標及預可研階段主要采用國家1∶50000比例尺地形圖作為底圖開展線路設計工作。由于國家1∶50000比例尺地形圖采購周期長，局部區域現勢性不好，且線劃圖直觀性不強，不便于前期專業設計使用。為此，文章探討了采用ArcGIS軟件系統，利用公共平臺的衛星遙感影像數據、DEM數據、基礎地理信息數據以及各專業基礎調查數據，制作1∶50000比例尺的鐵路遙感影像專題圖的方案，以滿足鐵路勘察設計項目前期設計用圖需求。

鐵路遙感影像專題圖是以遙感影像為底圖，疊加等高線和高程點等地形信息，疊加基礎地理信息，疊加城市規劃、自然保護區等鐵路設計專題信息，是一種集成多專業信息的專題地圖[1]。現有的各種矢量圖制圖軟件在遙感影像數據、DEM數據、基礎地理信息數據等多源數據處理、數據管理、制圖綜合以及制圖符號化、地圖成果輸出方面尚存在不足，需要借助多個第三方處理軟件方可完成遙感影像圖的制作工作，進而使得制圖數據流不通暢，成圖效率不高。作為目前應用最廣泛的地理信息系統（GIS）軟件，ArcGIS軟件系統在多源數據的處理、分析和制圖管理方面具有明顯的技術優勢，能夠明顯提高鐵路遙感影像專題圖的制作效率和成圖質量。

2 制圖數據獲取

鐵路遙感影像專題圖的基礎數據主要包括遙感影像數據、DEM數據、基礎地理信息數據以及鐵路設計專題數據等。

2.1 遙感影像數據

遙感影像數據是鐵路遙感影像專題圖底圖的重要組成部分，制圖時主要采用衛星遙感影像數據。為確保鐵路遙感影像專題圖的成圖精度，需結合成圖比例尺選擇具有合適空間分辨率的遙感影像作為底圖。對于遙感影像空間分辨率與成圖比例尺的適配關系，可依據人眼在明視距離（250mm）處的分辨率進行計算。地圖制圖中，將人眼視覺分辨率取為0.1mm，限差定為0.2mm。對于1∶50000比例尺地形圖，根據0.1～0.2mm的圖上長度計算對應的地面長度為5～10m。因此，對于鐵路遙感影像專題圖，其所需的遙感影像的空間分辨率應為5～10m。

由于鐵路遙感影像專題圖屬中小比例尺工程制圖，對地圖影像時相要求不高，因此可以通過瓦片地圖獲取影像數據。瓦片地圖是以各種網絡地圖形式出現的共享數據，例如Google Map、Bing Map、天地圖、百度地圖等。瓦片地圖影像數據一般通過第三方軟件平臺下載，支持多任務區、不同分辨率分級數據的批量下載，可選用多種數據源實現多源數據的互補。

2.2 DEM數據

DEM數據即數字高程模型數據，是在平面X、Y域按照一定的格網間隔采集地面高程而建立的規則格網高程數據庫。鐵路遙感影像專題圖制作一般采用共享數字高程模型數據，主要包括SRTM數據和GDEM數據。

SRTM數據是美國、德國與意大利航天機構聯合測量，由美國發射的“奮進”號航天飛機上搭載的SRTM系統完成的雷達影像數據。目前可免費獲取的SRTM數據為3″（約90m）的高程數據，標稱絕對高程精度±16m、絕對平面精度±20m。ASTER GDEM數據是美國航空航天局與日本經濟產業省共同推出的全球電子地形數據，第二版V2數據于2011年10月公布，格網間距1″（約30m），高程精度約±17m。

SRTM數據和GDEM數據均可以在中科院地理空間數據云平臺上進行下載，根據成圖區域選擇對應的圖幅編號分幅下載。

2.3 基礎地理信息數據

在鐵路遙感影像專題圖中，基礎地理信息數據主要分為道路及屬性信息、重要地物及屬性信息、水系及屬性信息、居民地及屬性信息等。基礎地理信息數據可以從導航數據庫（Navigable Database）中獲取，也可以在公共地圖數據平臺上進行采集。

導航數據庫是針對智能交通系統與定位服務應用需求而建立的具有統一技術標準的地理數據庫，是一個綜合的數據集，既包括空間要素的幾何信息、要素的基本屬性，也包括要素的增強屬性、交通導航信息等[2]。導航數據庫可以通過采購或公共平臺下載的方式獲取，并根據制圖需求進行基本地圖數據編輯和轉換。

2.4 鐵路設計專題數據

鐵路設計專題數據是由各專業搜集的與線路設計相關的各類專題數據，如城市規劃圖、文物保護區、環保區、水源地分布圖等[1]。鐵路設計專題數據主要包括光柵專題圖和矢量專題圖兩個格式，制圖時需要進行坐標配準和格式轉換。

3 制圖平臺選擇

在常規的矢量地形圖等工程制圖工作中，一般采用AutoCAD、MicroStation、EPS等圖形處理和編輯軟件，這些軟件的圖形編輯和處理功能較強，但在遙感影像編輯、DEM數據處理以及多源數據整合及數據管理能力方面相對較弱。結合鐵路遙感影像專題圖制作特點，需采用一個更加集成化、專業化、系統化的制圖平臺進行圖形制作。而地理信息系統（GIS）軟件以其強大的地理信息數據處理、分析和管理能力，能夠更加高效地對獲取的多源數據進行編輯、處理和整合，提高鐵路遙感影像專題圖的制作效率和成圖質量。

作為目前應用最廣泛的GIS軟件，ArcGIS軟件系統是美國環境系統研究所（ESRI公司）開發的地理信息系統軟件，具有強大的數據管理、地圖配圖、制圖表達等功能。與常規矢量地圖制圖軟件相比，ArcGIS軟件應用于鐵路遙感影像專題圖制圖，具有以下技術優勢[3-4]。

（1）基于數據庫的制圖模式，實現了多源數據的集成化管理。

（2）通過Geodatabase數據庫存儲技術建立無縫連接的空間數據庫，可進行大范圍的地圖制圖和批量分幅輸出。

（3）使用已有地理數據進行制圖，數據規范，邏輯性強，不必考慮數據格式轉換帶來的信息丟失等兼容性問題。

（4）支持多種類型地圖符號庫驅動技術，要素符號化能力強，自動化程度高。

（5）靈活的制圖表達機制，支持同一數據的多種地圖表達。

（6）支持模板化制圖，可達到地圖成果批量輸出。

4 制圖方法

結合多源數據處理及制圖GIS軟件平臺特點，采用ArcGIS軟件設計鐵路遙感影像專題圖制圖的作業流程如圖1所示。

圖1 鐵路遙感影像專題圖制圖作業流程

4.1 制圖標準設計

鐵路遙感影像專題圖制作之前，需進行制圖方案和制圖標準的設計。

（1）制圖比例尺。鐵路勘察設計項目前期用圖主要為1∶50000比例尺地形圖，遙感影像專題圖制作采用1∶50000比例尺。

（2）坐標系統。地圖制圖一般采用投影坐標系，成圖過程中的坐標系統策劃需結合項目類型以及成圖各階段坐標系統等因素進行。現行鐵路技術規范中要求鐵路勘察設計工作應采用基于CGCS2000國家大地坐標基準的工程獨立坐標系。

（3）數據源。對于成圖基礎數據，需要結合項目線路走向、用圖需求及成圖范圍，調查并確定遙感影像數據、DEM數據、基礎地理信息數據的數據類型及獲取途徑。

（4）圖式符號。鐵路遙感影像專題圖圖式符號主要執行《國家基本比例尺地圖圖式第3部分：1∶25000 1∶50000 1∶100000地形圖圖式》（GB/T 20257.3—2017）的相關要求，并結合地圖的紋理對圖示符號的表達效果進行合理編輯。

（5）圖形分幅。為便于數據管理和應用，鐵路遙感影像專題圖仍按照現行國家1∶50000地形圖分幅原則進行，并結合項目線路走向進行適當調整。

4.2 遙感影像數據預處理

對于獲取的遙感影像數據，需要進行影像幾何校正、影像裁剪等預處理工作，以滿足鐵路遙感影像專題圖制圖需求。

（1）影像幾何校正。由于遙感影像數據來源不同、時相不同，其空間位置信息（即坐標系統）各不相同，且一般與鐵路遙感影像專題圖的設計坐標系不一致，需要進行坐標轉換。此外，受瓦片地圖影像數據源及圖像下載影響，獲取的遙感影像數據可能存在一定的變形。因此，需要結合地理信息數據及其他空間位置數據對影像進行幾何糾正，確保遙感影像空間位置精度。在ArcGIS軟件中，遙感影像的幾何校正采用“地理配準”和“投影柵格”工具進行。“地理配準”是指使用地圖坐標，為缺少坐標基準或存在空間位置變形的影像數據指定正確的空間位置，采用的控制點可以為影像中的格網交叉點、明顯的地物點等具有準確地理坐標位置的對應點。對于具有不同坐標系的遙感影像數據，可以利用“投影柵格”工具，將影像轉換至制圖坐標系下。坐標轉換一般采用七參數法，轉換采用COORDINATE_FRAME方法[5]。

（2）影像裁剪。影像裁剪是根據鐵路遙感影像專題圖的制作范圍，把影像裁剪出一個或多個新的影像文件。ArcGIS軟件中的影像裁剪采用“按掩膜提取進行裁剪”和柵格處理工具集中的“裁剪”工具進行，通過輸入制圖區的圖形（掩膜）裁剪出新的影像文件，其范圍大小和掩膜一致。“按掩膜提取進行裁剪”是用選定的圖像、圖形，對待裁切的圖像進行遮擋來進行圖像裁剪的過程[6]。利用柵格處理工具集中的“裁剪”工具進行裁剪，是根據選定的矢量圖形范圍或手動輸入的“輸出范圍”四角坐標，對遙感影像進行裁剪。

4.3 DEM數據地形要素提取

利用DEM數據，可以在ArcGIS軟件下進行等高線和高程點等地形要素的生成提取，生成后的等高線和高程點以矢量數據格式存儲。

（1）等高線生成。在ArcGIS軟件中，等高線的生成可以采用三維分析工具箱中的“等值線”工具和“表面等值線”工具進行。“等值線”工具使用的只能是柵格格式的DEM數據。作業時選擇DEM數據并輸入等高線間距，即可進行等高線生成，并采用“平滑線”工具對等高線進行平滑處理。“表面等值線”工具使用的是TIN、Terrain或LAS數據，可以設置“計曲線”屬性字段，在生成的等高線數據表中通過“Index_Cont”字段進行區分。

（2）高程點生成。基于DEM數據的高程點生成，采用三維分析工具箱中的“柵格轉點”工具進行。對于輸入柵格數據集的每個像元，都會在輸出要素類中創建一個點。ArcGIS軟件默認將高程數據賦給“GRID_CODE”字段，需要建立“Elevation”字段，并利用字段計算器把“GRID_CODE”字段的值賦給“Elevation”字段。

4.4 基礎地理信息數據轉換及空間校正

地理信息數據主要為矢量數據格式，需進行數據格式轉換和空間校正處理，并依據地理要素類型進行分類管理。

（1）數據格式轉換。通過多種途徑獲取的地理信息數據格式較多，除了SHP、GDB、MDB等可以被ArcGIS軟件直接使用的數據庫格式外，CAD格式數據也比較多，因此需要將CAD格式的地理信息數據轉換為ArcGIS格式數據。CAD格式數據轉換采用“CAD至地理數據庫”工具，通過讀取CAD數據集并創建工程圖對應的要素類，并寫入地理數據庫要素數據集中。

（2）矢量數據空間校正。由于基礎地理信息數據來源的多樣化，描述同一地理位置的數據會在幾何上出現一些變形或旋轉，這時可以通過ArcGIS軟件中的“空間校正”工具進行數據整合。ArcGIS軟件中提供了仿射變換、相似變換和投影變換等方法，不同變換方法對控制點的數量略有不同，一般需具有3個以上的控制點。

4.5 鐵路設計專題數據預處理

鐵路設計專題數據主要通過各專業收集，其數據來源復雜、格式多樣，需要進行數據預處理后才能滿足制圖使用需求。專題數據處理內容一般包括對坐標點數據進行圖形化、對無坐標文件的光柵數據進行幾何糾正和數據格式轉換、對具有地理坐標的文件進行投影坐標系轉換和數據格式轉換等[1]。

4.6 制圖綜合與符號化

（1）制圖綜合。鐵路遙感影像專題圖的制作是對多源地理數據及專題數據的可視化，通過借助符號、顏色和標注等多種方式進行表示。在ArcGIS軟件平臺中，專題圖制作是以MXD地圖文件的方式保存，并鏈接制圖GDB數據庫。在鐵路遙感影像專題圖制作時，可以根據制圖需要進行數據庫標準的制定，并建立相應的要素數據集、柵格數據集或鑲嵌數據集。一般需要參考國家及地方標準，在此基礎上完善和設計項目的制圖數據庫標準。

鐵路遙感影像專題圖執行1∶50000地形圖的制圖標準，圖內要素以遙感影像、地貌、鐵路、公路、城市軌道交通、水系、境界與政區、植被與土質、專題資料、定位基礎等為主。在數據庫中，需建立對應類別的要素數據集，每個要素數據集中分別存儲點、線、面、注記4類要素，如圖2所示。同時建立遙感影像鑲嵌數據集，對遙感影像圖進行存儲管理。

基于遙感影像數據集、空間地理信息數據庫及專題要素數據，在ArcGIS軟件中建立制圖模板，進行多源數據制圖綜合，并進行信息標注。當影像數據平面位置有偏差，則以地物矢量為參照對影像圖進行平移。在疊有影像圖的情況下進行地形圖編輯，必要時要對矢量數據進行修測。

圖2 制圖數據庫要素分類

（2）符號庫制作。圖式符號是指在地形圖中用于表示地球表面地物、地貌的專門符號，一般包括地物符號、地貌符號、注記符號[7]。比例尺不同，各種符號的圖形、尺寸也不盡相同。在ArcGIS軟件中，需結合鐵路遙感影像專題圖制作需求，創建空間數據庫要素符號庫，主要分為點符號、線符號、面符號、文字注記符號4類，進而實現矢量數據的符號化。制圖符號庫在ArcMap軟件的“樣式管理器”中進行創建，在新建制圖符號庫中，分別選擇“標記符號”“線符號”“填充符號”進行點、線、面符號的創建。

5 應用案例

結合某鐵路項目，對提出的鐵路遙感影像專題圖制作方法進行應用測試。鐵路項目屬原珠三角城際鐵路規劃線路，為預可研階段。

（1）影像底圖制作。利用第三方軟件下載谷歌影像地圖，影像分辨率為4.5m。在ArcGIS平臺下，建立“5萬影像地形圖.MXD”地圖文件及“5萬圖.GDB”數據庫，將影像文件導入數據庫，建立柵格數據集，并結合制圖圖框對遙感影像進行裁切和坐標系轉換，以滿足制圖需要。

（2）基礎地理信息矢量數據處理。對鐵路、公路、水系、境界等矢量數據進行坐標轉換，由WGS84坐標基準轉換至CGCS2000基準。按成圖范圍進行矢量數據裁剪，并導入“5萬圖.GDB”數據庫。結合遙感影像底圖，對矢量數據進行編輯修測，修編后的成果如圖3所示。

圖3 地理信息矢量數據成果

（3）鐵路設計專題數據處理。既有環保、水源保護區等專題數據為CAD格式數據，在ArcGIS軟件中進行數據格式轉換和數據分層，并進行坐標轉換，轉換后的成果導入“5萬圖.GDB”數據庫。

（4）地形要素提取。利用ArcGIS軟件“表面等值線”工具和“柵格轉點”工具，基于GDEM數據，生成等高線和高程點矢量數據，結合影像及地理信息數據進行編輯，并導入“5萬圖.GDB”數據庫。

（5）制圖綜合及符號化。在“5萬圖.GDB”數據庫中對各種制圖基礎數據進行分要素數據集和要素類分層管理。建立制圖符號庫“5萬符號線型.style”，并對各基礎數據要素進行符號化，主要線符號如圖4所示。

圖4 制圖主要線符號

（6）成果輸出。經過制圖綜合及符號化，并添加坐標方格網后，制作完成的鐵路遙感影像專題圖即可以進行成果輸出，可以按照1∶50000比例尺將成果圖以PDF格式打印輸出，如圖5所示。

圖5 鐵路遙感影像專題圖成果展示（局部）

通過與既有地形圖資料及現場實測數據進行對比分析，并給相關設計專業試用，制作的鐵路遙感影像專題圖圖面精度符合1∶50000比例尺地形圖要求，且圖面信息豐富、全面，地形地物及鐵路設計專題要素表示直觀，能夠滿足項目預可研階段線路設計需要。

6 結束語

結合鐵路勘察設計項目前期設計用圖需求，文章研究了利用公共平臺數據及專業調查專題數據，采用ArcGIS軟件制作1∶50000比例尺鐵路遙感影像專題圖的作業方法。與傳統的1∶50000地形圖相比，鐵路遙感影像專題圖具有圖面信息豐富、表示直觀的優勢，更加符合鐵路勘察設計項目前期用圖需要。由于鐵路勘察設計項目前期設計用圖有著成圖范圍大、制圖時間緊的特點，因此后續需要在多源數據基礎資料庫的建立以及ArcGIS軟件平臺下制圖標準化、自動化方面進行深化研究，以進一步提升制圖作業效率。