Google Earth在填海工程動態監測中的應用

曾紀勝，孫玉超，王銀霞，魏征

(國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

Google Earth在填海工程動態監測中的應用

曾紀勝，孫玉超，王銀霞，魏征

(國家海洋局南海規劃與環境研究院 廣州 510300)

根據國家海洋局海域管理要求，填海工程在施工過程中需要對其進行海域使用動態監測。填海工程界址和面積以及岸線變遷監測的技術手段主要包括GPS測量、水深測量和水下側掃等。文章結合Google Earth海量免費高分辨率遙感影像優勢且支持二次開發特點，探討Google Earth在填海工程動態監測內、外業工作中的應用;基于Google Earth開發一套外業數據采集及Google影像下載軟件，為其在填海工程動態監測中的常規化應用提供便捷工具。應用結果表明，Google Earth可為填海工程動態監測外業測量工作提供實時定位及快速疊加分析，Google影像可為填海過程分析提供參考數據并為成果圖件制作提供底圖數據，Google Earth可作為填海工程動態監測工作中高效的輔助工具。

填海工程;動態監測;海域管理;工程技術

根據國家海洋局編制的《海域使用分類體系》，填海造地指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式。填海屬于完全改變海域自然屬性的用?；顒?，同時對周邊海域資源條件和開發利用活動造成較大影響［1］。2007年國家海洋局印發《填海項目竣工海域使用驗收管理辦法》，要求填海項目竣工驗收時需提交海域使用動態監測報告。開展填海工程的海域使用動態監測是海洋管理部門加強監管、規范項目用海和施工、保護海洋資源環境的有效手段［2］，填海工程海域使用動態監測包括界址和面積動態監測、海洋水動力環境動態監測、岸線變遷動態監測、海洋環境質量動態監測和海域使用對策措施落實情況等部分［3］。

本文從填海工程動態監測工作要求出發，結合Google Earth海量高清遙感影像庫優勢及二次開發特點，開發一套外業數據采集及Google影像下載軟件，探討Google Earth在填海工程界址和面積以及岸線變遷監測內、外業工作中的應用。

1 Google Earth介紹

Google Earth是Google公司于2005年6月推出的一款三維虛擬地球軟件，具有先進的海量衛星影像存儲和處理技術、提供免費高分辨率衛星影像、功能強大、操作簡單、支持二次開發等特點［4］。Google Earth免費提供的衛星影像在中國經濟發達的沿海地區分辨率均優于1 m、許多地區為0．5 m，大部分區域影像更新周期小于1年，并且提供多年歷史影像。

Google Earth提供2種開發方式，分別是基于Google Earth的 COM API和KML［5］。Google Earth COM API于2008年5月正式發布，基于COM API的開發方式主要將Google Earth地球窗口嵌入開發系統中，實現地理數據管理、三維展示、影像獲取、導航定位、制圖輸出等;KML文件是Google公司基于XML定義的用于交換地理數據的文件，KML可用于定義的地理特征包括地點、描述、疊層、路徑和多邊形等［6］，基于KML的開發主要是將其他格式的地理數據轉換成KML文件并在Google Earth中疊加分析。

2 基于KML的海岸線及填海批復范圍的疊加分析

Google Earth平臺中影像數據均為WGS84坐標系;目前我國沿海各地修測的海岸線均為WGS84坐標系，海域管理信息系統中批復用海的宗海圖坐標系為 CGCS2000國家大地坐標系(之前主要為WGS84坐標系)。在我國大部分地區，同一點的WGS84坐標值與CGCS2000坐標值最大相差20～30 cm［7］，因此在海岸線及填海批復范圍線與Google Earth影像疊加分析時，坐標系可認為是一致的。

目前我國海域管理中海岸線和填海批復范圍數據格式主要為ArcGIS的Shape file格式、AutoCAD的DWG格式以及坐標文本格式等，不論何種格式均可以通過ArcGIS等軟件轉換成KML格式(或KMZ格式)，當然也可以開發的軟件將以上數據格式轉換成KML文件并將其疊加到Google Earth中，從而結合Google影像分析用海情況。

3 基于Google Earth COM API的定位分析及數據采集

海岸線與填海批復范圍線在Google Earth中疊加后，根據Google Earth中的最新影像可以查看填海工程最新施工情況，從而達到監測的目的。但該方式在實際工作中存在影像更新周期長且影像更新不及時等問題，達不到動態監測的效果，因此需要將Google影像與外業測量相結合來獲取最新的填海施工情況。

基于Google Earth COM API開發外業定位及數據采集軟件，通過讀取外業平板電腦內置GPS(或外接GPS)串口中的NMEA 0183協議字符串［8］，獲取當前位置的經緯度坐標(WGS84坐標系)，生成KML導航點及 KML軌跡線文件，實時疊加到Google Earth影像中，從而實現基于Google Earth的外業定位及數據采集。

在外業數據采集時，將海岸線與填海批復范圍線疊加到Google Earth中，作業人員攜帶外業平板電腦沿著填海坡頂線采集數據并實時記錄軌跡，通過查看實時位置與海岸線及填海批復范圍線相互位置關系，從而判斷該區域填海情況，同時也能判斷該區域Google影像是否為最新。外業采集的坡頂線數據也可以用來分析填海完成情況(判斷是否超填以及填海完成具體情況時，必要時需進行水下側掃)。

4 基于Google Earth的無人機航拍照片疊加分析

在填海工程動態監測外業數據采集時，經常需要拍攝現場照片記錄填海完成情況。近年來隨著消費級無人機技術的快速發展，無人機航拍在各行業得到迅速應用。由于價格合理、操控簡單且具有良好的拍攝視角，基于無人機航拍的填海項目現場監測不但能節省時間和人力成本，獲取的數據也更有展示度。

無人機航拍作業時將攝像頭垂直向下拍攝，獲取填海前緣附近照片;基于航拍照片與Google影像中地物的對應關系，將航拍照片疊加到Google Earth中并配準;通過對比航拍照片與Google影像分析最新填海進展情況，并在Google Earth中基于航拍照片做簡單量測(由于航拍照片存在畸變差以及照片配準誤差，量測結果存在一定誤差)。

5 基于Google Earth的影像下載及監測圖件繪制

Google Earth中有海量的高分辨率衛星影像，但僅限于在Google Earth平臺中應用，若能將Google影像下載到本地并在ArcGIS等專業繪圖軟件中用于圖件繪制，不但能達到較好的制圖效果，還能節省項目經費。

目前國內外對Google Earth影像下載的研究很多，而且也有許多免費或收費的Google影像下載軟件。從技術上講，Google影像下載主要有2種方式:一種是基于COM API的Google影像截圖及拼接;另一種是直接從服務器下載Google影像瓦片數據并拼接。

基于Google Earth COM API開發的軟件包括Google影像自動下載、拼接及配準功能。將Google地圖窗口縮放到需要下載的區域，軟件自動將窗口范圍計算分成22行22列共484個小區域，分別自動截取每個小區域的清晰影像圖，并裁掉截圖邊上各1/8長寬的范圍(這部分包含有水印、狀態欄和導航欄等多余信息);所有小區域截圖完成后，根據各小區域之間嚴密的相對位置關系，將其拼接成一幅無縫的JPG圖像;通過獲取Google窗口中下載區域的四角點坐標，可對拼接的JPG進行幾何校正，還原其在Google Earth中的坐標信息;也可根據地面實測像控點實現更精確的地理配準。

將下載的Google影像與填海界址測量數據疊加分析，計算已填、未填和超填區域面積并繪制成圖，能直觀展示目前填海完成情況。

6 基于Google歷史影像的填海過程發現

對于《填海項目竣工海域使用驗收管理辦法》印發之前沒有實施動態監測的填海工程，或在管理辦法印發之后由于各種原因沒有實施動態監測的填海工程，由于缺乏填海過程中的監測數據，無法追溯其歷史填海情況;尤其對于已發生超填或未批先填的項目，無法掌握填海發生時間，不利于海域管理部門有據管理。

Google歷史影像能較好解決填海歷史問題。Google Earth影像庫中包含我國沿海大部分地區近20年來多期的遙感影像，且經濟發達地區每年有1～2期影像。多期歷史影像能從整體上反映填海進展情況，可以彌補填海項目動態監測數據的不足。

7 結論

Google Earth軟件一經推出，由于其免費的高分辨率遙感影像優勢，被迅速應用到各行各業中。由于坐標系統一致，我國海洋管理數據可以直接套合到Google Earth中，而不需要進行坐標系轉換，為Google Earth在海洋管理領域的應用提供便利。本文結合多年填海工程動態監測工作經驗以及Google Earth軟件特點，將Google Earth運用到動態監測內外業工作中，解決一系列實際問題。

(1)基于Google Earth COM API開發一個外業數據采集及影像下載軟件，為外業測量工作提供實時定位及快速疊加分析;Google影像下載可作為一種新的高分辨率影像獲取手段，下載的影像可用來進行填海范圍提取以及制圖底圖。

(2)基于Google Earth的無人機航拍照片疊加分析可為消費級無人機航拍照片的定位及量測提供參考。

(3)Google歷史影像可為超填和違填現象提供數據支持，可作為海洋管理的有力證據。

需要說明的是，Google Earth雖然可以為填海工程動態監測工作提供許多便利，但無法作為動態監測的主要技術手段，填海界址范圍的確定還須依靠GPS測量和水下側掃數據，因此Google Earth只可作為填海工程動態監測工作中高效的輔助工具。

［1］林同勇．海域使用動態地面監視監測內容探析［J］．海洋開發與管理，2014，31(6):10－13．

［2］曹宇峰，賈峰，藍虹，等．填海項目海域使用動態監測工作之淺見［J］．海洋開發與管理，2015，32(11):14－16．

［3］張曉輝，黃根華，曾德相，等．淺析南海區國管填海項目海域使用與海洋環境動態監測和監管［J］．海洋開發與管理，2015，32 (3):28－30．

［4］李?。贕oogle Earth平臺的地學信息集成研究［D］．成都:成都理工大學，2008．

［5］江寬，龔小鵬．Google APl開發詳解:Google Maps與 Google Earth雙劍合璧［M］．北京:電子工業出版社，2008．

［6］劉珍，劉建勛．淺談Google Earth二次開發技術［J］．地理空間信息，2009，7(4):72－74．

［7］吳永亭，楊龍，馮義楷，等．海籍調查采用的坐標系統探討［J］．海洋開發與管理，2014，31(10):36－39．

［8］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．

Application of Google Earth in the Dynamic Monitoring of Sea Reclamation

ZENG Jisheng，SUN Yuchao，WANG Yinxia，WEI Zheng

(South China Sea Institute of Planning and Environmental Reaserch，SOA，Guangzhou 510300，China)

According to the requirements of sea areas management，it is necessary to monitor the sea areas usage dynamically during the construction process of sea reclamation．The techniques of monitoring reclamation engineering boundary，area and coastline change mainly include GPS measurement，depth measurement and the water side sweep．This paper discussed the application of Google Earth in the dynamic monitoring of the sea reclamation，combining with the advantages of Google Earth's mass free high resolution remote sensing image，and the support of add-on functions'development．The development of data acquisition and Google image download software based on Google Earth provided a convenient tool for the application of Google Earth in the dynamic monitoring of the sea reclamation．Application results showed that Google Earth could provide real-time positioning and rapid overlay analysis for field survey work in seareclamation monitoring，Google images could provide reference data in the analysis process of sea reclamation and data for map producing．Therefore，Google Earth could be an efficient auxiliary tool for the dynamic monitoring of sea reclamation．

Reclamation project，Dynamic monitoring，Sea area management，Engineering technology

P229;P75

A

1005－9857(2017)02－0076－04

2016-09-20;

2016-12-10

國家海洋局南海分局海洋科學技術局長基金項目(1402);海洋公益性行業科研專項(201305020－7);國家自然科學基金項目(61527810)．

曾紀勝，工程師，研究方向為海洋遙感、航空攝影測量、海洋測繪、海洋信息化，電子信箱:1660545@qq．com