利用Google Earth影像測制1∶2 000地形圖

張書華，劉云生，張梅

(山東省魯南地質工程勘察院，山東兗州 272100)

1 引言

地形測量是傳統測量的主要項目，長期以來，大比例尺地形圖的測量方法是從最初的平板儀測量發展到全站儀測量。面積較大時，可采用航空攝影測量的方法。野外工作量大，作業周期長，成本高;而航空攝影測量雖野外工作量較小，但只較適合大面積地形測量，對于小面積地形測繪，由于其航攝成本高，航攝要求較苛刻，故小面積作業不便采用。

近年來，隨著航天技術與數字影像技術的發展，衛星遙感影像質量不斷提高，空間分辨率從原來的幾十米發展到今天的0.41 m(GeoEye－1，全色)，影像處理技術也發生了質的飛躍，衛星影像資料種類繁多，影像處理軟件層出不窮，影像清晰度不斷提高，處理影像技術日臻成熟。有關研究表明［1］，采用 Quick Bird高分辨率全色遙感影像，并采取多項式糾正法進行糾正，可實現較為平坦城區的1∶2 000比例尺地形圖的更新，條件理想的地區甚至可更新 1∶1 000比例尺地形圖。Google Earth集成了遙感(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)三種高新技術的功能，部分地區影像分辨率高達0.5 m，可在全球范圍內周期性地更新。衛星遙感影像具有獲取周期短、成本低、野外工作量小的特點，因而具有廣闊的應用前景。本文主要探討Google Earth影像在大比例尺地形測量中的應用。測區兗州市的Google Earth影像分辨率為 0.5 m，影像拍攝時間為2009年12月21日，影像清晰，放大到1∶1 600，道路、房屋等影像邊沿依舊清晰可見，可與航攝影像相媲美。

圖1 放大到1∶1 600，Google Earth影像依舊清晰，可矢量化出地貌、地物

2 測區簡介及測繪工藝流程

2.1 測區簡介及測圖要求

兗州市隸屬濟寧市，位于山東省西南部，東南與鄒城市接壤，西南與濟寧市任城區相鄰，西與濟寧市汶上縣相接，北鄰泰安市寧陽縣，東臨曲阜市，這里交通發達，京滬鐵路在兗州市市區東部穿過，327國道環繞兗州市市區西北。測區位于兗州市城區西部，為平原地區，測區面積28.6 km2，區內主要種植小麥、玉米等作物，耕地全部為水澆地;測區內村莊有38個，大小企業有20多家，區內鄉村公路四通八達，交通較為便利。測區樹木較多，植被覆蓋較好，通視不便，困難類別為Ⅱ類。

主要測圖要求:

(1)測圖比例尺為1∶2 000，坐標系統為1980西安坐標系，高程系為1985國家高程基準;

(2)本次測繪測區內的道路、河流、溝渠、橋梁，村莊內主要道路，主房、連體房屋可一并繪出;

(3)測區內廠礦企業要測繪出外圍墻、廠房等建筑物，地物地貌按《工程測量規范》要求測量;

(4)測區內林地、墳地、果園等類別要實測分清，沿道路兩側單體建筑物實測分清;

(5)高程注記標注到0.01 m，等高距為0.5 m。

2.2 測繪工藝流程

圖2 1∶2 000地形測量工作流程圖

3 測圖實施過程及要點

采用以下測量方案:

(1)在Google Earth影像圖上選擇具有明顯影像特征的像片控制點，選擇依據是:要均勻分布在整個校正區域、特征要固定而明顯、數量要足夠。控制點應是在原始影像中均勻分布并能正確識別和定位，在地形圖上可精確定位的特征點、特征線(取其中點)。如固定的地形地物交叉點、河流拐彎處或交叉處、塔尖、橋梁、鐵路、水壩和交叉路口等。

(2)用全站儀或RTK測量像控點;用水準儀測量像控點的高程。

(3)用ERDAS軟件，以像控點為基準，糾正Google Earth影像圖為1∶2 000正射影像圖(DOM)。

(4)以1∶2 000正射影像圖為底圖，在內業用矢量化方法制作1∶2 000平面圖。

(5)將1∶2 000平面圖分幅打印，在野外加測平面圖的高程，檢查平面圖的精度，糾正平面圖的錯誤，補測漏繪地物和新增地物。

(6)將外業實測高程展繪在1∶2 000平面圖上，勾繪等高線，最終完成1∶2 000比例尺地形圖制作。

3.1 控制點的布設與測量

控制點對于幾何精校正精度的影響，主要表現在控制點(GCP)的數量、分布和其定位精度。校正方法(包括數學模型、確定亮度值的方法)不同，影響也不同。GCP數量的增加可以提高校正精度，但也使得尋找GCP的難度加大。GCP的數量也不宜過多，因為過多不會顯著提高校正精度，卻使計算量大大增加。幾何精校正要求GCP均勻分布。若GCP分布不均勻，則在GCP密集的區域影像校正較好，而在GCP分布稀疏的區域，則會出現較大的誤差。GCP的位置精度越高，校正效果越好。幾何精校正的技術指標是:校正后的圖面中誤差一般不大于0.5 mm。

3.2 像控點的測量

像控點的測量包括平面和高程兩個方面。測量采用RTK法。為了達到RTK平高一體化測量的目的，必須首先布設高程控制網，用高程控制網控制RTK的高程精度。具體做法是:首先用水準測量的方法測出各基本控制點的高程，將RTK基準站架設在測區中部海拔較高的地方，例如高樓頂部或測區的制高點上，基準站周圍應視野開闊，樹木較少，便于RTK信號的傳播。測出高程與坐標，然后供內業糾正之用。內業糾正用分片糾正配準的方法，分片應主要以地物密集程度大的片區為整體，即分片接邊地物較少，接邊簡單為原則，通常以自然村為單位，采用村周圍控制點糾正配準，再將分片配準的圖像進行無縫鑲嵌，無縫鑲嵌以控制點為準進行，若鑲嵌過程中存在誤差，將誤差按最小二乘法進行分配，將鑲嵌后的圖像以像控點為準進行圖上檢核，檢核方法為:在每片影像中篩選精度較高、匹配較好的3個像控點，以選中的像控點為準進行影像鑲嵌，以鑲嵌配準后的影像為基礎，量取相鄰不同影像上同名像控點的坐標，并計算其距離ds;同法量取同名影像重合點并計算距離ds，檢核結果如表1所示。

內業矢量化控制點及影像重合點檢核結果 表1

將鑲嵌配準后的影像圖進行內業矢量化，矢量化的原則如下:

(1)建筑物的矢量化，其點位選取以建筑物的地基為準，若地基位置不清，可以其他影像代替，如房屋的房檐，根據本地區的情況，可酌情減去 0.3 m～0.5 m。

(2)溝渠等地貌以實地影像邊線為準矢量化，若有樹木覆蓋，以樹木邊沿繪出，若林帶較寬(超過圖上2 mm)，則林帶單獨繪出。

(3)水塘、道路等邊線，以地形測量《規范》方法繪出，即水塘繪出水崖線，水塘邊線，道路繪出路邊線、路肩線、路溝兩邊線。將矢量化后的平面圖拿到實地檢查并加測高程。該項工作是分3個外業組分頭進行的，每組約合十整幅圖，各組僅用了5 d的時間就完成了外業工作，極大地提高了工作效率。

4 野外精度檢查

首先以平面圖為草圖，在村莊及樹木密集區用全站儀、在視野開闊信號較好的地區用RTK進行實地測量，實地測量目的有三個，一是補充測量高程點，二是檢核地物、地貌點的精度，三是對照平面圖判定實地有無錯誤，經實地檢測，地物、地貌點的較差如表2和表3所示。由表2按同精度雙觀測值統計計算得控制點點位中誤差為 3.0 cm，影像重合點點位中誤差為0.59 m;由表3按同精度雙觀測值統計計算得控制點高程中誤差為3.1 cm，地形點高程中誤差為1.01 dm，符合測量《規范》中有關對地形測量控制點及地形點的精度要求。

外業實測控制點及影像重合點平面精度檢核結果 表2

野外實測高程點精度檢核結果 表3

5 結論

利用Google Earth測制 1∶2 000地形圖，在較嚴格的精度控制措施下，所測地形圖的精度可以滿足1∶2 000地形圖的精度要求，雖然利用Google Earth測制1∶2 000大比例尺地形圖過程還比較復雜，高程點仍需野外實測，但就大比例尺地形測量而言，還是大大減少了野外工作量，縮短了工期。就以本案例而言，若不利用Google Earth影像而全部采用野外數據采集的測量方法，投入3個野外作業組，野外工作需60 d，內業工作量需25 d;而采用先進行Google Earth影像矢量化，再到外業檢查補測的方法進行測量，外業工作時間大大縮短，外業控制僅用10 d，檢查及加測高程僅用15 d，共野外工作一個月，野外工作量減少一半，內業工作量雖略有增加(增加5 d)，但和全野外數據采集的測量方法相比，總工期還是提前了10 d，取得了明顯的經濟效益。

［1］楊澤運，康家銀，趙廣東.利用Quick Bird全色遙感影像更新城市大比例尺地形圖［J］.測繪工程，2005，14(2)，29～31

［2］胡旭偉，王昌翰.利用SPOT一5衛星遙感影像更新1∶10000地形圖初探［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(3)，23 ～25

［3］萬幼川，宋楊.基于高分辨率遙感影像分類的地圖更新方法［J］.武漢大學學報·信息科學版，2005，30(2)，105～109

［4］劉瑞敏，李華，王思鍇等.基于 Google Earth的地鐵亦莊線 GPS控制網布設［J］.測繪通報，2008(11)，47～49

［5］彭和強，張有能.基于Google Earth的地形圖制作技術［J］.測繪通報，2009(10)，56～58

［6］周園，關衛軍，佟胤錚.基于ERDAS IMAGINE的遙感圖像更新地形圖［J］.遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2009，28(3)，376 ～378