Google Earth 在水利水电测绘中的应用

2011-10-31 14:09:00    来源:

摘要:分析了Google Earth 软件的强大功能,并详细介绍了Google Earth 软件在水利水电测绘中的各种实际应用,包括水 利工程断面测绘、地形图测绘、控制网优化设计、非涉密控制点成果资料
钭春红
(浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州310002)

1.Google Earth 简介
 
    Google Earth (以下简称GE) 是Google 公司提供的虚拟数字地球软件。它把卫星照片、航空照片和GIS(显示在三维模型上;用户可以通过客户端软件, 免费浏览全球各地的三维影像。这些数据主要来源于DigitalGlobe、EarthSat、BlueSky、Sanborn 等以卫星、航拍、GIS/GPS 地理数据、空中勘测等相关业务为主的国际商业公司,能够提供3 年前军用级水平的三维地图和匹配真实地球物理信息的高精度画面,中国的许多大城市、风景区、建筑物区域提供分辨率为0.61/0.5m 左右的高精度影像,视角高度约为350 m。GE 可以带您体会到河道变迁沧海桑田,欣赏太阳光线在地形地物上的投影产生的日出日落美景,标注地标并录制不限形式的旅程。

2.水利工程断面测绘
 
    1)流域规划以及水利枢纽的可行性研究阶段和初步设计阶段,需要对河道、水库等进行纵、横断面测绘。常规方法工作步骤较多,周期较长,在GE 平台上进行断面测量,可以代替繁重的外业及内业计算整理工作。具体作法是GE 界面上标绘断面线,可以采取2种办法,一种是菜单下添加路径,选取断面起点与终点;另一种是使用标尺工具,确定断面线的长度,保存界面后自动生成路径。在屏幕位置下选中后点击右键,下拉菜单选取“显示高度配置文件”(如图1 所示),立即产生了该断面的坡面图表(如图2 所示)。内容包括最小值、平均值、距离、坡度等,横轴和纵轴标记根据实际情况自动调整,光标停留在断面图上,GE 影像图内断面线自动跟踪,从左键按下到放开断面线上会加粗加亮显示。断面桩位置也可表示在影像图内,采用添加地标的方法标注标石位置,可以按照图式自定义标石符号并加注断面编号。
    2)纵横断面的位置按设计要求在GE 平台上初选,横断面尽量选在形态显著变化、支流入口、河道急转弯、比降明显变化等有关部位,把整条河道的断面线、标石符号、断面编号布置在影像图内,将屏幕左边位置下对应着所有的信息进行整理,取“某河道断面汇总”固定,通过复制命令,生成kmz 文件保存。
    3)水利水电工程测量规范(规划设计阶段)规定了断面点的测量精度,其中针对横断面的精度比例尺是1: 10 000 和1: 5 000 2 类。点位中误差平地丘陵(图上距离)为± 0.75 mm、山地高山地为± 1 mm;高程中误差丘陵为± 0.7m、山地为± 1.7 m。GE 提供的高程精度标注到m,在分辨率为0.61 m 左右的区域,点位精度较高,断面点的测量精度优于山地的1: 10 000比例尺实测精度要求,因此在规划设计阶段可以作为纵横断面测绘的辅助方法。

3.地形图测绘
 
    1)测图比例尺根据规划设计阶段和工程项目的实际需要, 渠道、隧洞、堤线、坝段等带状地形选用的测图比例尺为1: 2 000 至1: 10 000,地物点平面位置中误差(图上距离)为± 0.5mm ~ 0.6mm;通常地形图测绘对控制及地形图精度考虑较多,过程方法专业性很强,周期相对较长。特别是技术人员去省外或国外工作,控制基础资料相当短缺,如果规划设计工作中需要修测和补测地形图,作业人员进出场非常不方便。
    2)在精度要求不高的情况下,GE 提供了一种非常简便的方法,即利用GE 三维模拟功能, 在GE 上建立一定海拔的平面, 使之与起伏的地表相切, 就能得到等高面范围线。具体作法是:GE 界面下添加多边形工具,在属性框中有“海拔高度”项选取等高线的高度(见图3),在右侧下拉菜单中高度模式选“绝对”,在影像图内自动会生成等高面范围线,多边形的范围应包含需要测绘的区域。菜单下添加路径,根据地形图图式对计曲线、首曲线的规定进行矢量化;继续在属性框中“海拔高度”项选取其他高度,生成其他等高线(见图4),注意当等高线数值越大时, 露出等高面的范围就越小, 多边形内等高线分布也越零星,因此,要注意不能遗漏。面状地物也是多边形工具,为了不影响进行地物矢量化时对地物判断的清晰度,应将位置框中所有等高线的“勾”去掉。借助kml2dxf 转换软件,可将GE 平台的图元导入到AutoCAD 或成图软件中进行编辑加工(见图5)。
    3)在影像图分辨率高和现势性好的区域,提取GE卫星影像照片插入AutoCAD 或成图软件中进行编辑,修测和补测地形图更加简单。利用GetScreen 软件,设置好提取范围、视角高度,两点定位并计算,分幅图片会自动拼接,最后得到一幅完整无缝的测区影像。以浙江省东苕溪流域为例,总共拼接了23 × 23 计529幅,所需时间大约是0.5s/幅,拼接完成时间共花了5min,总图大小约98 兆。在AutoCAD 或成图软件中,影像图根据共有的特征点进行比例尺纠正,CAD 矢量图置于影像图之上,可以非常高效的对地形图修测或小范围补测,在分辨率为0.61 m 左右的区域,满足的点位精度接近1: 2 000;也可以将AutoCAD 图拷屏成图像文件,通过添加图像叠加层,GE 屏幕自动生成绿色田字框,插入图片,调整好透明度,根据共有的特征点进行纠正,测绘人员可以足不出户就掌握了道路、水系、居民地等区域现状, 对已测地形图进行校对检查, 防止错漏,大大减少了外业测绘调查的工作量。
    4)目前的GE 提供地形图精度还比较低,进行纠正后点位平面精度接近1: 2 000,高程精度比较粗糙,利用GE 一般需要特征点或控制点;前期工作中方案比较时不需大比例尺地形图,GE 实用性很强。精度影响因素有矢量化精度、等高距、影像质量、纠正变形等,应根据规划设计阶段和工程项目的实际需要选择地形图精度,需要高精度大比例尺地形图时应进行常规测绘。

4.控制网优化设计
 
    1)在测量控制网的优化设计时, 通过GE 构建的三维地面高程模型了解现场情况, 进行控制点布控选点, 对网型进行优化设计, 能有效地节省勘测工作量和周期。通过坐标转换软件Acad2kml vlx 程序, 将高等级控制点平面坐标换算为GE 经纬度坐标,打开GE 软件,导入高等级控制点经纬度坐标,再漫游到测区范围, 结合从GE 上展示的三维地貌, 根据国家有关规范设计控制网网型, 并用“路径”功能将网图绘于GE 屏幕上,选取合适的控制点位置,用标记功能在该处建立以控制点名称的地标。以浙西某坝址为例,利用标尺功能,量取测边边长、计算夹角;利用“显示高度配置文件”功能,进行通视分析,如断面形状两端最高中间下凹,则说明基本通视;利用“游览”功能,踏勘设站线路,计算最佳行走路线;对地标符号自定义及颜色设置,拷贝后对影像图进行图廓整饰后制作出控制网的优化设计图(见图6)。
    2)查找各点对应地标属性中的WGS84 经纬度坐标, 将所有控制点的坐标导入到手持GPS 导航设备中,根据手持GPS 的导航指示, 到达各个控制点概略位置,根据现场状况实际调整附近区域内的理想点位。比如GPS 选择点位,视场中避免有高度角大于15 °的成片障碍物,应选在交通便利、视野开阔的地方,便于观测及其他测量手段利用;点位应远离大功率无线电发射源、高压输电线、幕墙玻璃等,以降低多路径效应对GPS 卫星信号的影响。

5.非涉密控制点成果资料管理
 
    1)控制点成果资料经历多年的积累,为方便日后查询,对这些控制点成果资料进行管理非常必要。首先收集测区相关测量控制点的图件、点之记与点的实地照片等资料;在GE 的位置栏中文件夹目录下, 添加全省所有流域文件夹目录,流域文件夹下添加支流目录,在支流目录添加地标,以控制点点名为地标名称,以控制点类型和等级区分地标符号。参考已有的控制点点之记与点的实地照片、点位描述等资料, 对控制点进行地标概略定位,在说明栏下对该控制点进行完整确切的描述, 在符合有关部门对测绘成果保密管理的前提下,标注测量控制点的等级、概略三维坐标、点位的野外分布与坐落情况;有条件的还可制作360Citys图库,让人身临其境来体验控制点的周边环境(见图7)。
    2)建立测区的测量控制点管理信息库。尽量收集完备的测区全部控制点的资料和信息。在GE 平台上建立的数据库可以导出、导入kmz 文件格式。控制点的信息可根据实际需要进行设计、更新。控制点管理信息的检索与查询非常简单,在流域文件夹目录下, 利用鼠标的左键单击点名, 即刻显示该点的全部相关信息,概略大地坐标显示在屏幕下端的状态栏;利用鼠标的左键双击点名, 即刻“飞行漫游”至放大比例,显示清晰的点位实地影像和全部相关信息。

6.其他应用
 
    1)在水库淹没调查中,需要计算淹没范围,统计各类土地、房屋面积等;采用GE 辅助调查,能起到事半功倍的效果。比如计算1 块水稻田,只需添加“多边形”工具,选择好长度和面积单位,就十分方便得到周长和占地面积(见图8)。制作水准路线图(见图9)采用GE 非常简单,过程不再赘述。
7.结语
 
    水利水电测绘是勘测设计的重要部分,进度、质量、费用及安全是勘测设计的目标管理要求;GE 平台提供了一种非常好的工具,尽管GE 影像提供的滞后束缚了实际应用效果,但随着GE 对高分辨率卫星影像数据的不断更新积累, 建模技术的进一步成熟, 以及其相关软件功能的不断完善和加强,GE 以良好的开放性、应用多样化,必将会改变各类行业特别是勘测设计业的应用和作业模式,并有力推动三维数字地形模型的发展应用。



参考文献
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[5] 李云星.基于Google Earth 的测量控制点非涉密信息集成与应用[J].城市勘测,2009,5:102-103,119
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