基于遙感影像的GPS實景化導航在野外地質調查中的應用

楊奇勇， 蔣忠誠， 馬祖陸， 沈利娜

(巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室，中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004)

基于遙感影像的GPS實景化導航在野外地質調查中的應用

楊奇勇， 蔣忠誠， 馬祖陸， 沈利娜

(巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室，中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004)

針對現有手持GPS系統不提供地圖支持及野外地質調查過程中邊遠山區無圖可用的問題，提出了基于遙感影像的GPS實景化導航方法，研究如何利用Google Earth提供的海量免費高分辨率遙感影像和Trimble GPS提供的強大導航功能，制作研究區域高精度背景導航影像，以實現野外地質調查的實景化導航。結果表明，基于遙感影像的GPS實景化導航方法簡單、直觀，能滿足野外調查和旅游等導航的需求。

遙感影像；GPS；導航

0 引 言

遙感影像是快速獲取地球表面信息的重要信息源，具有成圖周期短，數據更新快，地物平面精度高、相對關系明確、細部反映真實等優勢，能夠為用戶提供一種“俯視看世界”的環境。隨著遙感技術的發展，遙感影像分辨率越來越高，甚至達到cm級(如IKONOS,SPOT5和QuickBird等)[1-2]。由于遙感影像優越的數據質量和時間上的延續性，在土地利用、生態環境監測等方面得到越來越廣泛的應用[3-5]。遙感影像能直接顯示自然地理要素和某些易于識別的地物，如道路、河流、聚落、耕地及林地等，具有形象、直觀、富立體感、易讀的特點。因此，用遙感影像輔助野外調查具有明顯的優勢。

全球定位系統(GPS) 具備高精度、全天候、全球覆蓋、高效率及自動化等顯著特點。基于單點定位的GPS其定位精度為30～100 m，可應用于地面車輛、船舶等概略的偽距單點定位[6]。將基于實時差分定位的GPS技術應用于野外地質調查、土地利用調查、土地整理以及地形測量等工程項目，不但能降低作業人員工作強度、提高工作效率，而且還能節約作業成本[7]。但是，目前的GPS導航地圖主要以道路和聚落為主，不提供其他地圖信息支持。這種方式比較適用于城市內部的導航，難以滿足郊區尤其是野外地質調查導航的需要。因此，研究基于遙感影像的GPS導航方法對野外地質調查具有重要意義。

本文以云南省鶴慶縣野外石漠化遙感地質調查為例，介紹基于遙感影像的GPS實景化導航方法。通過制作研究區域導航背景影像，利用Trimble Juno 3B 手持GPS 強大的導航能力，實現“人圖合一”的實景化導航，為野外調查、城市旅游等導航提供參考。

1 研究區概況

研究區鶴慶縣位于云南省西北部，地處滇西橫斷山脈南端、云嶺山脈以東，大理白族自治州北端，地理坐標為E100°01′～100°29′，N25°57′～26°42′(圖1)。全縣轄9個鄉鎮，國土面積為2 395 km2，其中山區、半山區和峽谷區面積占89.7%。由于特殊的地理環境和懸殊的地貌差異，形成“一山分四季，十里不同天”的立體氣候。北部的鶴慶壩(鶴慶盆地)是全縣的農業經濟活動中心。縣城位于鶴慶盆地，海拔2 196 m，年均氣溫13.5 ℃，年降雨量959.5 mm。鶴慶壩西部的西山基巖裸露率高，石漠化嚴重。

2 實景化導航的設計

實景化導航設計過程中應用到的硬件有PC機和Trimble Juno 3B手持GPS；軟件有ArcGIS，GPS Pathfinder Office和Microsoft ActiveSync等同步軟件以及Google衛星地圖下載器等。實景化導航設計流程如圖2所示。

圖2 基于遙感影像和GPS的實景化導航設計流程Fig.2 Program flowchart of navigation based on remote sensing image and GPS

2.1 遙感影像的下載與拼接

在Google Earth衛星地圖下載器中打開遙感影像下載窗口，勾選“衛星地圖”和“標簽”2個選項，輸入鶴慶縣的邊界地理坐標范圍(用“度”表示)。選擇文件保存目錄后，在窗口上顯示出從11～22級不同影像下載級別的信息(圖3)。

從圖3可以看出，影像的下載級別越高，其分辨率就越高，但是數據量也就越大。由于鶴慶縣縣域范圍較大，考慮到GPS對內存和野外導航時操作的反應及等待時間等因素，本研究選擇的下載級別為14級(數據量只有3.94 M)。該級別影像清晰，道路聚落等關系明晰(圖1(右))，基本滿足野外判讀及導航要求。

圖3 遙感影像下載窗口Fig.3 Window downloading remote sensing image

影像下載完成后，點擊“導出/拼接圖片”按鈕，選擇拼接級別為14級，勾選“生成jgw坐標”選項，點擊“輸出”按鈕后在彈出窗口選擇“是”添加標簽，完成下載影像的自動拼接。在拼接完成后的影像上有地名注記和道路等信息，利于實景化導航。

2.2 遙感圖像的校正

拼接后的遙感圖像包含2個文件，一個是jpg格式的圖像文件，另一個是jgw格式的說明文件，包含圖像文件的坐標等信息，以經緯度顯示。直接將下載后的圖像作為背景導入GPS，發現圖像上的地物與實際位置存在一定的錯位，需要進行校正。將圖像文件導入GIS，設坐標系統為WGS-84(與GPS導航坐標系統一致)，用經緯度來表示平面位置。根據1∶5 萬比例尺地質調查的要求，利用參考圖形(1∶5 萬地形圖或地理數據云網站(http: //www.gscloud.cn/)提供的免費DEM和WGS-84坐標系統，滿足1∶5 萬地質調查要求)進行遙感圖像的校正。本研究中用Google衛星地圖下載器下載的研究區域圖像坐標系統為WGS-84，圖像幾乎沒有變形，但是存在錯位現象。因此，只要做圖像平移校正就能滿足實景化導航的需要。將參考圖形導入GIS，校正步驟如下：

1)用記事本打開jgw格式文件。文件內容分6行，第1行和第4行分別為X和Y方向上的分辨率，在本校正過程中不修改；第2行和第3行分別為圖像旋轉的角度，也不修改；第5行和第6行分別為圖像左上角的x和y坐標，以“度”來表示，這是背景圖像校正時可能要修改的地方。

2)在GIS平臺上找出遙感圖像和參考地圖上同一標志物，如山峰、道路或河流的交匯處或拐彎處等。以參考地形圖上選定的標志物為參照物，判斷遙感圖像上對應的標志物在參照物的什么方位，計算2個標志物的經度差和緯度差。

3)圖像校正主要是修改jpg文件中的第5行和第6行數據。如果圖像上的標志物在參照標志物的東面，那么就在第5行數據的基礎上減去二者的經度差，反之就加上相應的經度差；如果遙感圖像上的標志物在參照標志物的北面，那么第6行數據就減去二者的緯度差，反之就加上相應的緯度差。

4)重復步驟2)，3)，使圖像與地形圖相應的標志物在空間位置上基本重合，完成圖像校正。

2.3 背景圖片的制作

通過對遙感圖像的初步判讀，可以將感興趣的區域提取出來生成shp格式的矢量圖。如將鶴慶縣的石漠化信息提取出來，再疊加到遙感圖像上。本研究根據野外調查的需要，將鶴慶縣的紙質地質圖掃描、配準、矢量化，并將矢量圖疊加到圖像上作為導航背景圖片。圖片輸出為jpg格式，同時輸出一份紙質圖件用于野外輔助看圖。這樣，在野外導航時，調查者能夠非常直觀地看到自己所處的位置及周邊的地質環境情況(如觀察者所處區域的巖性等)。如果疊加的是歷史時期的石漠化等級圖，調查者能夠非常直觀地看到自己所處區域的歷史石漠化等級狀況，便于在野外進行石漠化動態變化比較。

2.4 數據同步

打開Trimble X(本研究中用Trimble Juno 3B)手持GPS，啟動TerraSync。在電腦上啟動GPS Pathfinder Office軟件，將GPS與電腦連接，系統自動啟動Active Sync軟件。將制作好的背景圖像導入到GPS Pathfinder Office中，保存為背景圖片格式，再利用GPS Pathfinder Office的傳送功能將背景圖片發送到GPS上。

3 實景導航

在研究區域打開GPS，將GPS顯示為圖形模式，點擊“層次”選項，再點擊“背景文件”選項，在彈出的菜單中選擇制作、發送過來的背景文件。以光標為中心放大背景圖像到適當比例。光標在圖中的位置代表觀察者的實際位置。隨著觀察者在研究區域進行調查活動，光標在背景圖片上也相應地移動，從而實現實景化導航。找一個交叉路口，檢查光標是否也停留在遙感圖像上的對應位置，如果不是，說明遙感圖像還需校正，此時可以交叉路口為參照標志，進行背景圖片的重新校正。即重復前面2.2節2.3節的步驟，直至光標也停留在遙感圖像上的交叉路口(圖4)。

圖4 野外實景導航Fig.4 Real navigation in the field

上述校正工作是在鶴慶縣北部縣城完成的。對遙感圖像校正后將手持GPS放置鶴慶縣縣城主要道路交叉路口，在圖4中光標正好也處在圖像上的交叉路口中心，說明背景圖像能夠用于導航。在項目調查導航過程中，發現即使是在縣城的南面，光標最大偏移量也只有10 m，說明GPS能夠滿足項目導航的需要。

從圖4可以看出，基于遙感影像的GPS導航很直觀。光標能反映導航者前進的方向和所處的地理坐標、海拔高度等。根據光標的位置，對照紙質地質圖很快便知道自己處在什么巖性區域、該區域的石漠化歷史等級狀況，等等，從而節省野外作業時間，提高了工作效率。

4 結論

1)針對野外地質調查缺少資料的問題，借助Google Earth 提供的免費遙感圖像制作GPS實景化導航圖，用于野外實景導航。該導航方法簡單、操作方便，導航精度能滿足調查需要。

2)疊加地質圖后的實景化導航能反映野外工作者所處地點的地形地貌特征和地質情況，給調查者以“人在地質圖中”的感覺。不但便于野外線路的選取，而且利于對調查點更多地質信息的獲取，節省調查時間。

3)從設計的實景化導航方法來看，根據野外工作的需要，可以通過改變或者組合疊加在遙感圖像上的其他圖件建立背景圖像。如疊加土壤圖進行土壤調查；疊加林類分布圖進行森林調查等。因此，該方法具有較好的應用前景。

[1] 黃志堅,張金芳.基于圖像配準的高分辨率遙感圖像道路追蹤[J].電子技術,2010,37(2):4-6. Huang Z J,Zhang J F.Road tracking from high resolution images based on image registration[J].Electronic Technology,2010,37(2):4-6.

[2] 葉發旺,劉德長.高分衛星遙感數據在鈾礦化褪色蝕變識別分析中的應用[J].國土資源遙感,2012,24(4):117-123. Ye F W,Liu D C.Application of high resolution satellite remote sensing technology in identification and analysis of the Uranium mineralization bleached alteration[J].Remote Sensing for Land and Resources,2012,24(4):117-123.

[3] 雒燕飛,徐泮林,李英成,等.3S技術在土地督察中的應用[J].國土資源遙感,2010,22(3):12-15. Luo Y F,Xu P L,Li Y C,et al.The application of 3S technology to land supervision[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010,22(3):12-15.

[4] 楊奇勇,蔣忠誠,馬祖陸,等.基于地統計學和遙感的巖溶區石漠化空間變異特征[J].農業工程學報,2012,28(4):243-247. Yang Q Y,Jiang Z C,Ma Z L,et al.Spatial variability of Karst rock desertification based on geostatistics and remote sensing[J].Transactions of the CSAE,2012,28(4):243-247.

[5] 郭達志,盛業華,金學林,等.礦區巖溶陷落柱探測中遙感與地理信息系統技術的應用研究[J].測繪學報,1994,23(2):113-119. Guo D Z,Sheng Y H,Jin X L,et al.An application of remote sensing image and GIS to exploration of Karst collapse pillars in a coal mine area[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1994,23(2):113-119.

[6] 袁建東.基于Google Earth的車載GPS導航定位的設計與實現[D].西安:西安科技大學,2009. Yuan J D.The Design and Realization of Navigation and Positioning Using Car-carrying GPS[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2009.

[7] 索俊鋒.基于Google Earth的GPS實景化導航系統的設計與實現[J].礦山測量,2013(1):8-10,58. Suo J F.Design and realization of the real navigation system using GPS based on Google Earth[J].Mine Surveying,2013(1):8-10,58.

(責任編輯： 刁淑娟)

Application of the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey

YANG Qiyong， JIANG Zhongcheng， MA Zulu， SHEN Lina

(KeyLaboratoryofKarstEcosystemandTreatmentofRockyDesertification,InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin541004,China)

The current GPS (Global Positioning System) system could not provide map support, and no maps can be used in geological survey in the remote areas. Aimed at solving these problems, the authors put forward the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey. Google Earth can provide large and free high resolution remote sensing image for users in the world and Trimble GPS can provide powerful navigation function. The real navigation was designed based on GPS and remote sensing image extracted from Google Earth. By using high resolution remote sensing image with the addition of geological map as the background map, the imports receive location information to be calibrated on remote sensing images, and the real navigation can be achieved. The results achieved by the authors show that the technology is more effective and intuitive in comparison with other approaches, and hence can meet the demands of navigation in field survey and tour.

remote sensing image; GPS; navigation

2013-11-05；

2014-01-23

“十二五”國家科技支撐計劃課題“喀斯特峰叢洼地退化生態系統適應性修復技術與示范”(編號： 2010BAE00739-02)、“十二五”國家科技支撐計劃課題“典型旅游區退化生態系統植被修復及生態旅游管理關鍵技術研究與示范”(編號： 2012BAC16B02)、西南巖溶石漠化遙感調查與地面監測(編號： 1212011220958)、廣西自然科學基金(編號： 2012GXNSFAA053186,2014GXNSFBA118215)以及中國地質科學院巖溶地質研究所所控項目(編號： 2012015)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.28

楊奇勇,蔣忠誠,馬祖陸,等.基于遙感影像的GPS實景化導航在野外地質調查中的應用[J].國土資源遙感,2015,27(1)：178-181.(Yang Q Y,Jiang Z C,Ma Z L,et al.Application of the GPS real navigation based on remote sensing image to geological survey[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：178-181.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0178-04

楊奇勇(1976-)，男，博士后，副研究員，主要從事巖溶區水土資源高效利用與遙感應用研究。Email: yangqiyong0739@163.com。

沈利娜(1982-)，女，博士，主要從事巖溶生態環境監測、評價和遙感應用研究。Email: shenlina@karst.ac.cn。