測量控制數據可視化管理與應用系統開發

劇成宇，師艷，高首都，孫步陽，張俊鵬

(1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007； 2.河南地礦職業學院，河南 鄭州 450007)

1 引 言

伴隨測繪地理信息生產部門生產項目的不斷累積，測量控制數據的數量和分布的范圍也在不斷增多。近年來由于測繪地理信息技術的飛速發展，這類數據數的數量也呈指數級別增長。測量控制數據是測繪地理信息行業的基礎數據，對測繪地理信息項目有著至關重要的作用，因此從行業現狀和行業需求等角度出發，對測量控制數據進行管理應用是必然要求。目前國內外學者對該領域都有了一些研究，但均未涉及可視化管理和坐標系統轉換及KML數據交換的應用上。賀愛民[1]開發了控制點管理系統，未實現可視化和KML交換文件等功能。楊曉彤[2]開發的控制數據系統，實現了管理和一些應用功能，但均基于谷歌地圖API，已不符合目前行業發展需求[3]。

GDAL(Geospatial Data Abstraction Library，地理空間數據抽象庫)是一個在X/MIT許可協議下對空間數據進行轉換的開源類庫，提供對多種柵格數據和矢量數據格式的讀寫支持，提供空間參考以及坐標轉換的支持[4，5]。KML(Keyhole Markup Language，Keyhole標記語言)是一種基于XML語法與格式、用于描述和保存地理信息的編碼規范。為實現控制測量數據的可視化管理和坐標轉換應用，本文基于GDAL開發了一個測量控制數據可視化管理與應用系統，實現了坐標系統轉換關系求取，同時支持KML數據交換文件的交互式操作。不僅實現了傳統意義上的控制點成果管理系統功能，同時基于地圖切片和KML數據交換文件對控制點的可視化管理和深度應用功能進行了開發，取得了一定的成果。

2 系統總體設計

測量控制數據的內容包括以下內容：

①各種橢球基準的坐標數據；

②控制點點之記文檔；

③控制點信息，包含工程負責人、概略經緯度、坐標系統信息等。

系統整體架構基于GDAL類庫進行開發，實現測量控制數據可視化管理、坐標系統轉換和KML數據文件的交互式操作[5]。系統開發的關鍵是基于GDAL的本地柵格和矢量數據處理、控制數據加密處理、坐標轉換和數據交換功能。

系統總體設計如圖1所示：

圖1 系統總體設計方案

3 系統功能實現

3.1 數據管理

(1)可視化管理

系統采用C/S結構開發，引入GDAL類庫對衛星影像柵格數據和矢量數據(公開的行政界線和路網數據)進行處理，實現數據管理的可視化界面[6]。系統運行時為本地單機版運行，同時將控制數據的坐標轉換至火星坐標系(GCJ-02)，在可視化管理的基礎上保證了數據的安全，如圖2所示。

圖2 控制數據可視化管理

(2)數據加密

將已有的測量控制數據通過DES(Data Encryption Standard，數據加密標準)加密算法進行加密，并處理為二進制格式文件，確保控制數據的安全性；同時在系統中使用DES解密算法對數據進行解密，保證在系統中取得相應權限的用戶可以獲取控制數據的詳細信息[7]。

(3)數據交換

通過調用GDAL接口和使用KML數據交換功能，將控制數據以標注形式顯示在可視化界面上，鼠標單擊時顯示標注信息窗口，向用戶顯示該控制點的屬性信息。

(4)數據庫管理

系統開發了控制數據更新和檢測功能，可實現控制數據的實時更新，同時在更新時進行數據合法性檢查，保證錄入數據庫的數據的正確性。

系統開發了控制數據查詢下載功能(圖3、圖4)，用戶可根據控制點的點號、投影帶、距離范圍以及人員、工程屬地等屬性進行數據查詢，當取得下載權限之后可將查詢到的數據下載，為了保證數據的安全性，并結合工程生產實際，將單次控制數據的下載數量限制為10個。

圖3 數據查詢

圖4 數據下載

3.2 數據應用

(1)坐標系統轉換

本系統的數據管理功能將測量控制數據以標注的形式顯示在可視化界面中，用戶將待求點導入可視化界面，根據控制點和待求點的空間位置關系選擇坐標轉換的控制點，實現轉換結果的最優解[8，9]。坐標轉換控制點選取的操作如圖5所示。

圖5 基于可視化界面的坐標轉換控制點選取

本系統提供的坐標轉換類型有：

①不同橢球基準的平面坐標系統轉換(四參數)；

②不同橢球基準的大地坐標和平面坐標轉換(七參數)；

③使用數據交換文件進行坐標轉換(四參數和七參數)

④高斯正反算；

⑤高斯投影換帶計算。

①和②需要使用控制數據首先計算坐標轉換參數，使用的控制數據就是上一步在可視化界面中依據空間關系選取的[8]。

③中的KML文件指的是帶有工地校準功能的測量軟件生成的KML文件，該文件中包括各個點的工地校準所使用的兩套坐標，可以作為該區域進行坐標轉換的控制數據，但在使用該功能之前，應明確KML覆蓋區域和待求點的相對空間關系。

①、②和③提供的坐標轉換功能中涉及高程擬合時均采用顧及了空間相關性的克里格插值算法，可獲得較高精度的坐標轉換關系。

④和⑤是根據用戶需求，結合高斯正反算算法進行地理坐標和投影坐標的相互轉換。

上述坐標系統功能輸出的結果文件信息包括：控制數據、坐標轉換種類、轉換殘差、校測誤差、源坐標、轉換結果和KML文件等。

(2)KML數據交換

KML文件給測繪地理信息行業的內外業工作帶來了極大的便利，尤其在外業工作中結合導航電子設備可最大限度地發揮該文件類型的優勢。KML文件支持質心坐標系，使用2000國家大地坐標系可滿足測量外業工作需求。

本文通過研究KML文件的編碼規則和文件格式，在系統中實現了KML文件的生成，從KML文件中提取路徑和標注等圖元類型，提取坐標等功能。

KML文件生成功能的導入數據的坐標系統應為WGS84坐標系或者2000國家大地坐標系。

KML文件生成功能提供了路徑和標注點兩種KML文件的功能，輸入數據為各個節點的質心坐標系的地理坐標。如圖6所示，其中標注是將輸入的點制作為單個的標注點，路徑是將輸入點按照輸入順序連接成一條路徑，同時二者也可結合，給用戶提供了個性化的操作功能。

圖6 KML文件生成

KML文件提取功能是從KML文件中提取出標注和路徑等圖元信息，同時提取出圖元類型對應的坐標信息。

4 應用實例

本系統提供的測繪控制數據管理應用系統是基于中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司實際生產情況開發的，為中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司的勘測設計工作服務，提供的功能在勘測設計可行性研究、初步設計和施工圖及竣工圖等階段都起到了重要的作用。

在電力工程勘測設計的可行性研究和初步設計階段，工作人員在三維地理信息系統中進行站址和路徑規劃，使用本系統的坐標轉換功能可將規劃設計數據與國土等部門的數據進行銜接，減少了重復工作，提升了設計工作效率。

在新能源工程中，前期大區域規劃工作中涉及多個部門不同時期、不同類型、不同坐標系統的數據和圖件，需要使用本系統提供控制數據，將上述數據整合到同一坐標系統的同一張圖上，為后續的各項工作奠定了堅實的基礎。同時在新能源項目的各個設計階段，涉及多次各種類型的坐標轉換，本系統提供的功能均可滿足要求。

5 結論與展望

測繪控制數據管理應用系統基于GDAL庫進行可視化數據管理，為了數據安全，對數據進行加密和解密編碼，同時提供了坐標轉換和KML文件交互操作功能。

系統的可視化功能采用本地柵格和矢量數據作為底圖，無須接入互聯網電子地圖，保證數據安全的同時也增強了系統的適用性和穩定性。

系統在工程勘測設計的各個階段可提供多種測繪地理信息專業服務，實現了測繪控制數據管理的同時，也實現了數據的深化應用，提升了測繪地理信息專業在工程勘測設計領域的技術水平和工作深度。