Google Earth数据精度分析及在铁路选线设计中的应用

王一波 邵伟伟 罗新宇

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)

在当前的铁路建设中,对铁路项目进行可行性研究通常还是采用传统方法,由于纸质地图的更新速度慢,不能精确反应铁路行经地区的信息,造成铁路可行性分析的各项指标存在误差,无法对线路方案进行最终的准确评价。已经通过的可行性研究,在后期的设计和建设中,又往往出现线位的较大改动和增加未知工程量等一系列问题,造成铁路综合效益降低,达不到预期的效果。

众所周知,Google Earth(以下简称GE)拥有全球不同分辨率的卫星影像和三维地形数据,可以为全球范围的地理信息系统应用提供免费的基础地理地图。但是,由于军事,国家利益等诸多原因,目前我国能获取的GE数据精度远远不能满足铁路工程勘测设计的需求[2]。通过简单对比可以发现,GE中一些点的平面数据和实地相差几十米、甚至上百米,其高程相差也达几十米。GE对不同区域提供的分辨等级也不一样,比如某些乡村就比较模糊。正由于GE数据精度有限,所以我们对GE资源还缺乏深刻认识,其可信度无从建立,能否将其应用于铁路勘测设计,如何有效利用GE资源为铁路勘测设计服务,都必须对其数据可靠性和精度进行详细的分析和验证。

1 GE数据的特点

GE将航拍照片、卫星影像、遥感影像和地理信息数据(GIS)数据整合在一起,其数据来源于美国国家航空航天安全局(NASA),初始数据为矢量化的栅格数据。其卫星影像部分来自于美国Digital Globle公司的Quick Bird(快鸟)商业卫星以及美国Earth Sat公司的LAND2SATO7陆地卫星;航拍部分来源于以航拍、GIS/GPS相关业务为主的英国公司BlueSky和美国公司Sanborn。GE将矢量数据根据其属性数据类型的不同,分成不同的图层,更加方便矢量数据的管理和使用。栅格数据则将地表分割成一个个的单元格,根据单元格覆盖地表面积的大小,构成不同分辨率的图像。

GE支持本地矢量数据的采集和应用,用户可以方便地从其遥感影像中采集矢量数据进行分析。GE所显示的底片是卫星遥感影像,这些影像是卫星影像和航拍数据的整合,其最高分辨率可达到分米级。但由于政治军事等各方面的原因,这些高分辨率的影像主要集中在欧美地区,在我国境内的分辨率明显低于欧美地区。

2 GE数据的精度分析

2.1 铁路设计对空间数据的要求

目前铁路勘测设计一般分为四个阶段:预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计[4]。在不同的勘测阶段,都需明确指出设计所采用地形图的比例尺,明确规定了进行各项勘测设计测绘的精度指标。总体而言,随着设计阶段的逐步深入,对空间信息数据要求的精度是逐步提高的。

2.2 GE数字高程模型数据的理论精度

GE采用的数字高程模型数据为SRTM(全称是Shuttle Radar Topography Mission),主要是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的,SRTM数据每经纬度方格提供一个文件,该数据精度有1弧秒和3弧秒两种标准,分别称作SRTM-1和SRTM-3,水平分辨率分别为30 m和90 m。其中,SRTM-1精度的数据是将1度的面积分成了3 600×3 600个小区域,每一个小区域的大小为1弧秒(约30×30 m的面积;实际上随着纬度的变化,面积有一定的差异);SRTM-3精度的数据是将1度的面积分成了1 200×1 200个小区域,每一个小区域的大小是3弧秒(约90×90 m的面积),任何一个小区域只有一个数值代表给区域中心的海拔高程,其余区域的高程数值都是通过该区域本身的一个高程数值以及相邻区域的高程属性值作距离加权差分计算得出的。相对而言,划分的区域面积越少,海拔的精度就越高:SRTM-1的文件中包含3 601×3601个采样点的高度数据,SRTM-3的文件里面包含1 201×1 201个采样点的高度数据。目前能够免费获取中国境内的数字高程模型数据是SRTM-3,每个90 m的数据点是由9个30 m的数据点算术平均得来的。SRTM数据采用16位的数值表示高程数值,其最大正高程为9 000 m,最大负高程为-12 000 m。SRTM-3的高程基准为EGM-96大地水准面,平面基准为WGS84。SRTM-3的标称绝对高程精度为 ±16 m,标称绝对水平精度为 ±20 m,取得的描述面为DSM。

2.3 GE资源获取的正确性验证

正确性验证是指验证其下载手段、方法的有效性,并不关联下载资源的精度。

(1)检验DEM与卫星图片是否匹配

为了检验GE资源获取手段的正确性,把用两种不同方式下载的DEM(地面高程模型)与卫星图片在第三方软件平台上进行展示,以检查其DEM与卫星图片匹配是否准确。其DEM是基于GE二次开发实现逐点获取的地面高程模型,卫星图片是直接链接服务器下载并经自动拼接后得到的整块区域的图片,展示平台采用的是第三方ArcGoble平台,以保证从验证机制上能够证明这种验证方式的有效性。

图1 检验DEM与卫星图片是否匹配

从图1中可以看出,湖泊河流与地形匹配良好,山腰道路走势合理,地形纹理层次分明有序,山谷、山脊轮廓清晰,因此这种DEM获取的手段与卫星图片下载的方法都是有效、正确的。

(2)检验反算等高线与GE是否匹配

将下载后的地面模型取等高线,生成如下10 m等高距的地形图文件,反过来将地形文件加载到GE,以检验等高线与GE是否匹配。

从图2中可以看到,等高线与地形匹配良好,这说明:下载过程与转换过程中方位没有损失精度;下载与转换过程中高程没有损失精度。而一旦出现精度损失的情况,将会导致等高线紊乱,与地形匹配不上。

图2 检验反算等高线与GE是否匹配

2.4 GE高程精度验证

为验证GE高程精度,故将GE高程与实测高程进行对比分析。其测量点号布置如图3所示,设立于道路人行道中央及交叉路中央,以便于观察。

图3 测量点号布置

实测线路单程1.8 km,往返共3.6 km,闭合差3 mm,其测量结果如表1所示。

从表1可看出,在这些点位上GE高程与实际高程能够较好的符合。经铁四院在金温铁路设计中详细验证,其GE数据的精度可以满足铁路选线设计中预可研和可研两个阶段对空间信息数据精度的要求。

表1 实测高程与GE高程比较 m

2.5 从GE数据提取线路的纵/横断面精度分析

为分析从GE数据中提出线路的纵/横断面是否可行、数据精度如何,将传统方式与GE数据提取方式进行比较。一方面,利用现有铁路选线辅助软件从1∶2 000地形图中生成数字地模,按20 m取一个点切出纵断面;另一方面,利用GE提取的DEM,按50 m一个点切出纵断面。由两种方式分别生成纵断面图,从图4比较可以看出,其地形地势还是基本上相吻合的,因此从GE数据提取线路的纵/横断面其精度是能满足可研阶段的精度要求的。

图4 地形图提取的纵断面与GE提取的纵断面比较

为了进一步检验从GE上获取的地面线数据的精度,中铁二院曾对“郑州至万州”、“四川犍为小火车规划”等线路的纵横断面地面线进行了综合比较分析。经比较发现,从GE上获取的地面线数据与从1∶5万地形图上人工判读的地面线数据高差在10 m范围内达到了95%,可以说明基于GE的提取的地形精度与人工从1∶5万地形图上判读的精度相当,可满足规划阶段的要求[4]。另一方面,GE的提取速度远快于人工提取的速度,并且GE是DEM叠加影像的三维平台,具有较好的量测性能(如高程、距离等),有着众多的优势。

3 GE数据在铁路选线设计中的应用

通过对GE的坐标数据和影像数据的精度分析,结合当前GE在当前各个领域的应用,可将GE数据具体应用于铁路选线设计的以下方面。

3.1 制作数字地形图

在铁路可研阶段,通常收集到的地形图多为20世纪60、70年代测绘,与当前的现状差别较远,特别是村镇范围扩展较快,新增了很多建筑物,路网变化也较大。利用GE的卫星影像,叠加SRTM数据生成的等高线地图,可制作1∶1万、1∶5万、1∶10万的地形图,从而对线路行经区域内的地貌、水系、城镇布局、路网等进行了深入细致的研究。

(1)根据地图范围,从中国科学院国际数据服务平台(http://srtm.datamirror.csdb.cn)下载铁路所在区域的SRTM数据。

(2)利用GetScreen等成熟的GE图片提取软件,可以快速、简便地从GE中下载相应区域的卫星图片,提取后可利用软件将分幅的图片进行自动拼接,最后得到一幅完整无缝的测区影像。

(3)利用Global Mapper软件将下载的SRTM数据生成等高线地图,经叠合卫星图片和图形矫正后,生成带等高线的各种比例地形图。

3.2 建立数字地模

在设计铁路的全线均匀布置控制点,通过坐标计算,可求取铁路所在带状区域的布尔莎模型的七参数,然后利用GE的COM API函数提取区域内点的三维坐标,建立整个区域的数字地模。在一定的精度指标下,满足铁路可行性研究设计的部分需求,例如铁路选线绕避重要地物、桥梁隧道的布置区域、方案的比选等。

3.3 地质布孔及辅助测绘

在铁路外业勘测中,将收集的地质图纸放到GE中,能够提高布置地质钻孔的准确度和效率;通过专门的部门对GE的高清影像分析,能够对该区域的地质状况有初步的分析和了解,实施地质选线。另外,在勘测资料整理校审阶段,可以利用GE影像对野外测绘的地形和地貌进行校对检查,杜绝漏测漏绘和测错现象[3]。

3.4 基于GE的铁路三维选线

利用GE的KML技术可实现在GE上进行铁路平面定线,使GE成为铁路的三维空间选线平台。通过直接在GE中进行三维选线,能够迅速高效率的选择出一条最佳线位,然后进行平面、纵断面、横断面数据提取和设计。

3.5 铁路设计成果在GE中的三维展示

对于铁路设计者而言,不仅要设计出好的线路方案,也经常需要通过平面示意图、三维效果图、三维动画等手段进行方案演示。利用Google公司的另一个软件Google Sketchup(简称GC)建立三维模型,可将铁路设计成果展示在GE中。通过GE的三维立体显示,逼真展示了现场线位的效果,还可以配以图片和文字说明,从而使业主、设计人员、政府部门都可以直观的分析和查看路线设计方案,以便做出决策。同样,对于CAD中的线位,也可通过坐标转换,利用第三方软件Global Mapper将线位转换成KML文件格式,在GE中显示查看。

4 结束语

随着GE在各领域的广泛使用,将其数字地球技术应用于铁(公)路线路规划设计无疑具有极其重要的意义。通过对GE资源的可行性、可靠性、数据精度进行分析比较及现场实践验证,可以得出以下结论:

(1)在目前阶段,将GE资源应用于铁路勘测设计中是可行的,其GE数据提取方式也基本可靠,但由于其数据精度限制,还只能满足铁路预可研和部分可研阶段的设计要求,应特别注意GE资源应用的范围。

(2)充分利用GE资源,将其积极应用于铁路规划设计中,可有效解决当前存在的问题,显著提高铁路选线设计技术水平,帮助设计人员实现二维选线向三维选线转变,大大提高了铁路设计效率和设计铁路的综合指标,其应用有着广泛的前景。

(3)GE资源下载与转换过程中必须可靠,应尽量利用RailwayGIS数字化平台或GERail三维空间选线系统进行GE资源下载,避免出现数据精度损失,否则将严重影响设计成果的质量。

(4)GE采用的WGS84坐标系下的大地坐标,而在铁路工程建设规范中,明确要求新建铁路的平面坐标系采用北京54坐标系。要实现两个坐标系的精确转换首先需要获取铁路工程建设区域的七参数值,但由于区域不同,该区内的椭球面和该坐标系下的椭球面必然存在一定差异,仅仅靠两种椭球参数很难进行精确转换[6]。

(5)铁路选线设计的发展趋势是建立集成GE和AutoCAD的铁路线路三维空间设计平台,充分利用GE提供的数字地形和影像,辅助进行线路平纵横设计、方案比选、各种工程图和数量表的输出以及工程虚拟现实演示等,最终实现面向铁路各设计阶段的数字化选线。

[1]Wolk,R.M.Utilizing Google Earth and Google Sketchup to visualize wind farms[C]∥2008 IEEE International Symposi-um on Technology and Society.2008:1-8

[2]http://e.chinabyte.com/116/2326616.shtml.

[3]叶丰明,韩正梅.Google Earth在铁路勘测设计中的应用[J].铁道勘察,2009(6):43-46

[4]朱 颖,蒲 浩,刘江涛,等.基于数字地球的铁路三维空间选线技术研究[J].铁道工程学报,2009(7):33-37

[5]王 强.基于Google Earth平台的数字旅游应用研究[D].北京:北京林业大学,2007

[6]陈建平,常庆瑞,陶文芳,等.基于Google Earth的GIS专题制图技术研究与应用[J].水土保持通报,2008,28(6):63-67

[7]丁志江,王 猛,梁栋彬.基于Google Earth影像图遥感解译在我国西北矿产地质调查中的应用[J].吉林地质,2008,27(4):124-129

[8]刘瑞敏,李 华,王思锴,等.基于Google Earth的地铁亦庄线 GPS控制网布设[J].测绘通报,2009(11):47-49

[9]易共才,王彦军,高 宏.Google Earth在公路工程中的应用研究[J].中外公路,2008(2):1-3

[10]谭 浩,张庆新.Google Earth在公路设计中的应用[J].西南公路,2007(1):64-65

[11]刘群义,钟嘉奇,刘 北.Google Earth在水利工程管理中的应用[J].黑龙江水利科技,2006(2):144-147