控制點導航采集與大數據三維地圖制作探討

姜宇榕 周霞 劉彥文

摘 要 以中三角地區為研究對象，首先對導航輔助下進行外業影像校正控制點采集的方法進行了闡述，在中三角DEM和影像數據校正處理中進行了驗證，控制點采集的效率相對于傳統外業采集方法有明顯提高。其次利用超圖軟件對大數據量的影像、DEM數據緩存切片及時響應的處理方法，探索了大數據支持下中三角三維旅游地圖的制作。實驗證明超圖軟件以切片緩存的方式很好地解決了大數據量與用戶需求及時響應的瓶頸。

關鍵詞 控制點；三維地圖；導航；DEM緩存；影像緩存

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）225-0149-04

地理信息系統（GIS）技術正處于一個重要的發展時期，新概念和新產品層出不窮。在需求與市場的雙重推動下，結合地理信息系統在各行業應用的優勢，其發展一度達到了飛速的地步，技術進展主要表現在網格GIS、開源GIS、組件GIS、WebGIS、移動GIS等方面[1-4]。眾所周知，對于任何類型的GIS，數據始終是其核心，隨著需求的精細程度不斷提高，GIS要面對更大量數據的處理與響應，如李清泉等提出的大數據GIS中的5V特性，Volume（體量大）：大量TB級以上已有的數據等待處理；Velocity（速度快）：需要響應以s甚至ms計的流數據不斷產生；Variety（模態多樣）：數據來源和類型繁多；Veracity（真偽難辨）：指數據的不確定性；Value（價值）：大數據的終極目標在于從數據中挖掘價值[ 5 ]。上述GIS研究的熱點，在實際應用時多方面熱點往往交織在一起顯示出GIS

在新時代下的再一次的巨大應用潛力，比如將網絡GIS與三維GIS結合在一起，用戶只需借助簡單的瀏覽器即可欣賞城市三維地圖，并可以進行簡單的查詢與分析。此外，GIS又與RS、GPS緊密聯系在一起，比如RS的影像數據，通過GPS采點校正控制處理后，可以在GIS中進一步分析處理。本文探索在影像傳統控制點采集的基礎之上，通過手持GPS導航進行控制點采集的方法，并利用處理結果制作中三角地區的三維旅游圖。

1 航片野外控制點的導航采集

傳統方法由野外實地測量獲取GIS數據的效率較為低下，隨著測繪技術的不斷進展，利用航片獲取4D數據已漸成趨勢。由于成本等原因，小范圍小型無人機作業航片校正所依賴的外業控制點往往還是人工獲取。理論上航拍前應該在地面布置能在航片上可見的如小紅旗之類的標志物，便于后期辨別采集相應控制點。但實際實施時，往往由于各種原因，而不乏采取先拍攝，后直接在影像上找尋特征點作為控制點的方法。如本文作業時在影像上找尋的控制點如圖1所示。

此種方法作業的優勢在于不需要拍攝前在實地標定控制點，拍攝不受地面控制點測量進度的影響，航片上控制選點較為靈活。但不足之處也較為明顯，因為作業區域對控制點采集人員而言往往不熟悉，在航片上選擇的控制點在實地找尋時由于對當地不熟悉，往往需要花費大量的時間。

本文曾作過試驗，如果利用Google Earth影像高倍放大后幫忙實地辨別方位，其效率非常低下，約為實際控制點采集所需時間的3～5倍左右。為此，本文提出基于手持GPS導航找尋相應控制點的辦法，技術路線如圖2所示。

手持GPS導航尋找相應控制點大體的做法是先利用已有的矢量數據獲得航片上標定的控制點的坐標信息，再利用影像作為底圖數據，將其分割后導入手持GPS當中，同時導入矢量標定的控制點信息、規劃好的外業控制點測量最短的路徑數據。外業實際作業時，實測人員不需要熟悉當地方位，直接依據手持機的導航指南，可以迅速到達航片上標定的控制點處。其誤差依賴與手持機的標稱精度與有無相應WGS-84坐標和作業所采用的大地坐標轉之間的轉換信息。

本文三維地圖制作過程中由于采用了二者轉換高精度的七參數信息，所以誤差在1m～2m以內，即相當于開車測量控制點時，可以直接到達控制點上，以70～80個分布于5～6個鄉鎮的控制點信息采集為例，作業時間可以壓縮近60%，可以極大提高傳統控制點采集的效率。

2 單機版數字制圖選題實例

“中三角”即“長江中游城市集群”，是以武漢、長沙、南昌為核心，組合沿長江、環洞庭湖、環鄱陽湖的武漢城市圈、長株潭城市群，通過整體規劃和集成，形成跨省域的經濟一體化城市集群。其所在的三省旅游資源十分豐富，有以一江兩湖為代表的水域景觀，以廬山、三清山、張家界為代表的山岳景觀，以武當山、龍虎山、衡山為代表的宗教朝圣景觀，以黃鶴樓、滕王閣、岳陽樓為代表的江南名樓景觀，以南昌、瑞金、井岡山、紅安、韶山為代表的紅色革命史跡景觀，代表性景點如圖3。

本文在SuperMap軟件的支持下，選取中三角地區為研究對象，以旅游為主題，運用傳統方法和導航尋找控制點輔助校正后的DEM和遙感影像數據，在SuperMap的支持下，探索大數據量制作三維旅游地圖的方法。

3 數據介紹

大數據量一直是用戶需求與軟件及時響應之間的一對矛盾，實例中的大數據最主要的是空間數據，包括DEM數據、衛星影像數據以及其他地圖數據等。從國際科學數據平臺（http：//datamirror. csdb.cn/index.jsp）數據檢索欄目輸入經緯度坐標后查詢下載中三角DEM數據，共168幅，每幅范圍3601×3601像素（1°×1°，1"分辨率，約30m）。從Google Earth上下載12-16級中三角遙感影像數據，選用數據共3G左右，詳見表1。另外，還搜集到一些旅游景區的風景圖片、旅游線路數據等。

4 數據處理

地圖導入超圖軟件導入進來的柵格數據是沒有空間位置的，為了對導入的柵格數據賦予實際地物空間的位置，需要對其進行配準，對柵格圖進行坐標和投影的校正，以使得其坐標準確。同時配準也可以糾正掃描時由于各種因素引起的圖形變形。打開 SuperMap deskpro軟件，右擊工作空間中的“數據源”，選擇“新建數據源”，新建一個新的名為“中三角”的數據源。右擊“中三角”， 在彈出的列表中，選擇“導入數據集”選項，導入所需數據。在彈出的“數據導入”對話框中，點擊“添加文件”按鈕，在彈出的“打開”對話框中選擇“湖北省地圖”文件，“湖北省地圖”導入到數據源中。

地圖配準。超圖軟件配準過程如圖4所示。右鍵單擊底圖→屬性，選擇“投影信息”，點擊“重新設定投影”，在彈出的對話框中選擇所需要的經緯度坐標系統（底圖為北京80 坐標系下高斯克呂格投影，所以要統一坐標系）點擊確定。選取相距較遠的多個具有代表性地物（如道路交叉路口），在 Google Earth 找到相應點地理坐標，并且記下此坐標數據。

將 Google Earth 上獲取的控制點對應大地坐標信息解算有兩種方式，一是通過前述的導航尋找外業控制點實測的方法獲取，前文已有敘述；二是手動或運用坐標轉換軟件進行處理。具體操作是通過某點的經度，計算出相應的中央子午線、投影代號，利用坐標點轉化工具，選擇大地坐標系轉換成平面坐標系，通過輸入該點的緯度（B）、經度（L）、海拔（H）以及坐標轉換下拉列表中的投影設置中的中央子午線數值，就可以轉換坐標。利用轉換好的控制點坐標對，在超圖軟件中對湖南、湖北、江西三個省的數據進行配準。

數據分層。中三角旅游地圖涵蓋了各種不同類型的地理要素，因此在進行矢量化之前，先要對不同地理要素進行合理分層，對各數據集的表結構進行設定。以方便底圖的矢量化以及后期對數據的處理。本次在超圖中建立了中三角一個數據源，包括了點、線、面、文本數據集。

地圖矢量化與圖層風格設置。為了使遙感影像上的地圖信息更為豐富與準確，需要對部分數據進行矢量化，以更于后期疊置到影像上顯示，如水系、鐵路、主要行政駐地等。在矢量化之后，為了達到制圖的要求并達到美觀的效果，要根據具體數據的需要進行風格設置。由于軟件自帶的符號庫有限，故往往需要自己設計符號。如本文對線狀符號的制作，具體操作步驟為：工具→符號庫→編輯符號庫→新建符號→繪制符號→編輯符號信息→保存符號。此外，對于其他點圖層的風格設置，還可以通過設計并導入符號數據文件，例如中三角旅游地圖在繪制過程中添加了風景圖片，就是利用網絡下載的圖片進行處理后導入進去，再進行風格設置的。

5 大數據切片緩存與結果展示

數據處理與地圖制作過程中，體驗了對大數據量的處理與應用，如對海量DEM數據鑲嵌配準裁剪以及對其中異常點的剔除、影像海量數據的處理等。對于大數據的響應，不同的軟件有不同的處理方式，超圖軟件以切片緩存的方式很好的解決了大數據量與用戶需求及時相應的瓶頸。切片響應的處理方式一般見于對影像圖片的處理，如Google影像等，為了提高數據傳輸的效率，其采用Web Mercator投影將全球數據分級切片，但對于DEM數據，由于其數據量非常龐大，如何及時傳輸、及時響應用戶地圖展示的需要，仍需要深入研究。超圖在此方面實現了類似的切片緩存處理并在軟件當中將其實現，即將DEM也分割為小片，以四角坐標將其顯示時于以拼接，其對硬件的需求可以滿足普通用戶的支撐能力。在SuperMap軟件中，DEM和遙感影像分別生成場景緩存和影像緩存，瀏覽時一起加載，使得中三角三維場景能夠立體出現，貼近實際。本文在地圖配準中對于大數據DEM選取了近百個配準點，以保證配準效果的準確性。

中三角旅游圖借助SuperMap、Photoshop等軟件，最終制作出中三角發展歷程圖、中三角三維旅游地圖、中三角衛星影像圖等。各項地圖清晰展示了“中三角”旅游魅力，吸引廣大游客的關注，為觀光游客的旅行提供了極大的便利。景點名稱與圖片并存，交通路線也給游客提供更多路線的選擇，二三維結合給游客不一樣的視覺感受，游客可以借此從多方面、多角度認識中三角、了解中三角，制圖部分結果如圖5所示。

6 數據分析

中三角三維地圖在聯想揚天電腦上進行了測試，在沒有加載地形緩存數據時，其運行相對流暢，加載了地形數據之后，響應速度有明顯變化，其單機版響應效果內部測試用戶滿意度估計約為0.7。這一結果相對于作者此前未利用緩存技術的響應效果而言，已經有了質的變化，未利用緩存時，湖北、湖南、江西3個省份的DEM、影像同時顯示，同樣配置的機器，卡機現象非常明顯，單機版尚且如此，基于網絡技術的移動版就更難。在GIS領域，隨著高分辨率衛星、航測技術和激光雷達技術的應用不斷深入，越來越多關于這個世界的細節信息被挖掘和保存到硬盤上。為了解決大數據及時響應的瓶頸，使用分布式切片處理DEM、影像等數據是一個最簡單的選擇。

參考文獻

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