張銀虎
(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)
在鐵路勘察設計項目中,前期投標及預可研階段主要采用國家1∶50000比例尺地形圖作為底圖開展線路設計工作。由于國家1∶50000比例尺地形圖采購周期長,局部區(qū)域現(xiàn)勢性不好,且線劃圖直觀性不強,不便于前期專業(yè)設計使用。為此,文章探討了采用ArcGIS軟件系統(tǒng),利用公共平臺的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)以及各專業(yè)基礎調查數(shù)據(jù),制作1∶50000比例尺的鐵路遙感影像專題圖的方案,以滿足鐵路勘察設計項目前期設計用圖需求。
鐵路遙感影像專題圖是以遙感影像為底圖,疊加等高線和高程點等地形信息,疊加基礎地理信息,疊加城市規(guī)劃、自然保護區(qū)等鐵路設計專題信息,是一種集成多專業(yè)信息的專題地圖[1]?,F(xiàn)有的各種矢量圖制圖軟件在遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、制圖綜合以及制圖符號化、地圖成果輸出方面尚存在不足,需要借助多個第三方處理軟件方可完成遙感影像圖的制作工作,進而使得制圖數(shù)據(jù)流不通暢,成圖效率不高。作為目前應用最廣泛的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件,ArcGIS軟件系統(tǒng)在多源數(shù)據(jù)的處理、分析和制圖管理方面具有明顯的技術優(yōu)勢,能夠明顯提高鐵路遙感影像專題圖的制作效率和成圖質量。
鐵路遙感影像專題圖的基礎數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)以及鐵路設計專題數(shù)據(jù)等。
遙感影像數(shù)據(jù)是鐵路遙感影像專題圖底圖的重要組成部分,制圖時主要采用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。為確保鐵路遙感影像專題圖的成圖精度,需結合成圖比例尺選擇具有合適空間分辨率的遙感影像作為底圖。對于遙感影像空間分辨率與成圖比例尺的適配關系,可依據(jù)人眼在明視距離(250mm)處的分辨率進行計算。地圖制圖中,將人眼視覺分辨率取為0.1mm,限差定為0.2mm。對于1∶50000比例尺地形圖,根據(jù)0.1~0.2mm的圖上長度計算對應的地面長度為5~10m。因此,對于鐵路遙感影像專題圖,其所需的遙感影像的空間分辨率應為5~10m。
由于鐵路遙感影像專題圖屬中小比例尺工程制圖,對地圖影像時相要求不高,因此可以通過瓦片地圖獲取影像數(shù)據(jù)。瓦片地圖是以各種網(wǎng)絡地圖形式出現(xiàn)的共享數(shù)據(jù),例如Google Map、Bing Map、天地圖、百度地圖等。瓦片地圖影像數(shù)據(jù)一般通過第三方軟件平臺下載,支持多任務區(qū)、不同分辨率分級數(shù)據(jù)的批量下載,可選用多種數(shù)據(jù)源實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的互補。
DEM數(shù)據(jù)即數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),是在平面X、Y域按照一定的格網(wǎng)間隔采集地面高程而建立的規(guī)則格網(wǎng)高程數(shù)據(jù)庫。鐵路遙感影像專題圖制作一般采用共享數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),主要包括SRTM數(shù)據(jù)和GDEM數(shù)據(jù)。
SRTM數(shù)據(jù)是美國、德國與意大利航天機構聯(lián)合測量,由美國發(fā)射的“奮進”號航天飛機上搭載的SRTM系統(tǒng)完成的雷達影像數(shù)據(jù)。目前可免費獲取的SRTM數(shù)據(jù)為3″(約90m)的高程數(shù)據(jù),標稱絕對高程精度±16m、絕對平面精度±20m。ASTER GDEM數(shù)據(jù)是美國航空航天局與日本經(jīng)濟產業(yè)省共同推出的全球電子地形數(shù)據(jù),第二版V2數(shù)據(jù)于2011年10月公布,格網(wǎng)間距1″(約30m),高程精度約±17m。
SRTM數(shù)據(jù)和GDEM數(shù)據(jù)均可以在中科院地理空間數(shù)據(jù)云平臺上進行下載,根據(jù)成圖區(qū)域選擇對應的圖幅編號分幅下載。
在鐵路遙感影像專題圖中,基礎地理信息數(shù)據(jù)主要分為道路及屬性信息、重要地物及屬性信息、水系及屬性信息、居民地及屬性信息等?;A地理信息數(shù)據(jù)可以從導航數(shù)據(jù)庫(Navigable Database)中獲取,也可以在公共地圖數(shù)據(jù)平臺上進行采集。
導航數(shù)據(jù)庫是針對智能交通系統(tǒng)與定位服務應用需求而建立的具有統(tǒng)一技術標準的地理數(shù)據(jù)庫,是一個綜合的數(shù)據(jù)集,既包括空間要素的幾何信息、要素的基本屬性,也包括要素的增強屬性、交通導航信息等[2]。導航數(shù)據(jù)庫可以通過采購或公共平臺下載的方式獲取,并根據(jù)制圖需求進行基本地圖數(shù)據(jù)編輯和轉換。
鐵路設計專題數(shù)據(jù)是由各專業(yè)搜集的與線路設計相關的各類專題數(shù)據(jù),如城市規(guī)劃圖、文物保護區(qū)、環(huán)保區(qū)、水源地分布圖等[1]。鐵路設計專題數(shù)據(jù)主要包括光柵專題圖和矢量專題圖兩個格式,制圖時需要進行坐標配準和格式轉換。
在常規(guī)的矢量地形圖等工程制圖工作中,一般采用AutoCAD、MicroStation、EPS等圖形處理和編輯軟件,這些軟件的圖形編輯和處理功能較強,但在遙感影像編輯、DEM數(shù)據(jù)處理以及多源數(shù)據(jù)整合及數(shù)據(jù)管理能力方面相對較弱。結合鐵路遙感影像專題圖制作特點,需采用一個更加集成化、專業(yè)化、系統(tǒng)化的制圖平臺進行圖形制作。而地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件以其強大的地理信息數(shù)據(jù)處理、分析和管理能力,能夠更加高效地對獲取的多源數(shù)據(jù)進行編輯、處理和整合,提高鐵路遙感影像專題圖的制作效率和成圖質量。
作為目前應用最廣泛的GIS軟件,ArcGIS軟件系統(tǒng)是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI公司)開發(fā)的地理信息系統(tǒng)軟件,具有強大的數(shù)據(jù)管理、地圖配圖、制圖表達等功能。與常規(guī)矢量地圖制圖軟件相比,ArcGIS軟件應用于鐵路遙感影像專題圖制圖,具有以下技術優(yōu)勢[3-4]。
(1)基于數(shù)據(jù)庫的制圖模式,實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的集成化管理。
(2)通過Geodatabase數(shù)據(jù)庫存儲技術建立無縫連接的空間數(shù)據(jù)庫,可進行大范圍的地圖制圖和批量分幅輸出。
(3)使用已有地理數(shù)據(jù)進行制圖,數(shù)據(jù)規(guī)范,邏輯性強,不必考慮數(shù)據(jù)格式轉換帶來的信息丟失等兼容性問題。
(4)支持多種類型地圖符號庫驅動技術,要素符號化能力強,自動化程度高。
(5)靈活的制圖表達機制,支持同一數(shù)據(jù)的多種地圖表達。
(6)支持模板化制圖,可達到地圖成果批量輸出。
結合多源數(shù)據(jù)處理及制圖GIS軟件平臺特點,采用ArcGIS軟件設計鐵路遙感影像專題圖制圖的作業(yè)流程如圖1所示。
圖1 鐵路遙感影像專題圖制圖作業(yè)流程
鐵路遙感影像專題圖制作之前,需進行制圖方案和制圖標準的設計。
(1)制圖比例尺。鐵路勘察設計項目前期用圖主要為1∶50000比例尺地形圖,遙感影像專題圖制作采用1∶50000比例尺。
(2)坐標系統(tǒng)。地圖制圖一般采用投影坐標系,成圖過程中的坐標系統(tǒng)策劃需結合項目類型以及成圖各階段坐標系統(tǒng)等因素進行?,F(xiàn)行鐵路技術規(guī)范中要求鐵路勘察設計工作應采用基于CGCS2000國家大地坐標基準的工程獨立坐標系。
(3)數(shù)據(jù)源。對于成圖基礎數(shù)據(jù),需要結合項目線路走向、用圖需求及成圖范圍,調查并確定遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型及獲取途徑。
(4)圖式符號。鐵路遙感影像專題圖圖式符號主要執(zhí)行《國家基本比例尺地圖圖式第3部分:1∶25000 1∶50000 1∶100000地形圖圖式》(GB/T 20257.3—2017)的相關要求,并結合地圖的紋理對圖示符號的表達效果進行合理編輯。
(5)圖形分幅。為便于數(shù)據(jù)管理和應用,鐵路遙感影像專題圖仍按照現(xiàn)行國家1∶50000地形圖分幅原則進行,并結合項目線路走向進行適當調整。
對于獲取的遙感影像數(shù)據(jù),需要進行影像幾何校正、影像裁剪等預處理工作,以滿足鐵路遙感影像專題圖制圖需求。
(1)影像幾何校正。由于遙感影像數(shù)據(jù)來源不同、時相不同,其空間位置信息(即坐標系統(tǒng))各不相同,且一般與鐵路遙感影像專題圖的設計坐標系不一致,需要進行坐標轉換。此外,受瓦片地圖影像數(shù)據(jù)源及圖像下載影響,獲取的遙感影像數(shù)據(jù)可能存在一定的變形。因此,需要結合地理信息數(shù)據(jù)及其他空間位置數(shù)據(jù)對影像進行幾何糾正,確保遙感影像空間位置精度。在ArcGIS軟件中,遙感影像的幾何校正采用“地理配準”和“投影柵格”工具進行。“地理配準”是指使用地圖坐標,為缺少坐標基準或存在空間位置變形的影像數(shù)據(jù)指定正確的空間位置,采用的控制點可以為影像中的格網(wǎng)交叉點、明顯的地物點等具有準確地理坐標位置的對應點。對于具有不同坐標系的遙感影像數(shù)據(jù),可以利用“投影柵格”工具,將影像轉換至制圖坐標系下。坐標轉換一般采用七參數(shù)法,轉換采用COORDINATE_FRAME方法[5]。
(2)影像裁剪。影像裁剪是根據(jù)鐵路遙感影像專題圖的制作范圍,把影像裁剪出一個或多個新的影像文件。ArcGIS軟件中的影像裁剪采用“按掩膜提取進行裁剪”和柵格處理工具集中的“裁剪”工具進行,通過輸入制圖區(qū)的圖形(掩膜)裁剪出新的影像文件,其范圍大小和掩膜一致。“按掩膜提取進行裁剪”是用選定的圖像、圖形,對待裁切的圖像進行遮擋來進行圖像裁剪的過程[6]。利用柵格處理工具集中的“裁剪”工具進行裁剪,是根據(jù)選定的矢量圖形范圍或手動輸入的“輸出范圍”四角坐標,對遙感影像進行裁剪。
利用DEM數(shù)據(jù),可以在ArcGIS軟件下進行等高線和高程點等地形要素的生成提取,生成后的等高線和高程點以矢量數(shù)據(jù)格式存儲。
(1)等高線生成。在ArcGIS軟件中,等高線的生成可以采用三維分析工具箱中的“等值線”工具和“表面等值線”工具進行?!暗戎稻€”工具使用的只能是柵格格式的DEM數(shù)據(jù)。作業(yè)時選擇DEM數(shù)據(jù)并輸入等高線間距,即可進行等高線生成,并采用“平滑線”工具對等高線進行平滑處理?!氨砻娴戎稻€”工具使用的是TIN、Terrain或LAS數(shù)據(jù),可以設置“計曲線”屬性字段,在生成的等高線數(shù)據(jù)表中通過“Index_Cont”字段進行區(qū)分。
(2)高程點生成。基于DEM數(shù)據(jù)的高程點生成,采用三維分析工具箱中的“柵格轉點”工具進行。對于輸入柵格數(shù)據(jù)集的每個像元,都會在輸出要素類中創(chuàng)建一個點。ArcGIS軟件默認將高程數(shù)據(jù)賦給“GRID_CODE”字段,需要建立“Elevation”字段,并利用字段計算器把“GRID_CODE”字段的值賦給“Elevation”字段。
地理信息數(shù)據(jù)主要為矢量數(shù)據(jù)格式,需進行數(shù)據(jù)格式轉換和空間校正處理,并依據(jù)地理要素類型進行分類管理。
(1)數(shù)據(jù)格式轉換。通過多種途徑獲取的地理信息數(shù)據(jù)格式較多,除了SHP、GDB、MDB等可以被ArcGIS軟件直接使用的數(shù)據(jù)庫格式外,CAD格式數(shù)據(jù)也比較多,因此需要將CAD格式的地理信息數(shù)據(jù)轉換為ArcGIS格式數(shù)據(jù)。CAD格式數(shù)據(jù)轉換采用“CAD至地理數(shù)據(jù)庫”工具,通過讀取CAD數(shù)據(jù)集并創(chuàng)建工程圖對應的要素類,并寫入地理數(shù)據(jù)庫要素數(shù)據(jù)集中。
(2)矢量數(shù)據(jù)空間校正。由于基礎地理信息數(shù)據(jù)來源的多樣化,描述同一地理位置的數(shù)據(jù)會在幾何上出現(xiàn)一些變形或旋轉,這時可以通過ArcGIS軟件中的“空間校正”工具進行數(shù)據(jù)整合。ArcGIS軟件中提供了仿射變換、相似變換和投影變換等方法,不同變換方法對控制點的數(shù)量略有不同,一般需具有3個以上的控制點。
鐵路設計專題數(shù)據(jù)主要通過各專業(yè)收集,其數(shù)據(jù)來源復雜、格式多樣,需要進行數(shù)據(jù)預處理后才能滿足制圖使用需求。專題數(shù)據(jù)處理內容一般包括對坐標點數(shù)據(jù)進行圖形化、對無坐標文件的光柵數(shù)據(jù)進行幾何糾正和數(shù)據(jù)格式轉換、對具有地理坐標的文件進行投影坐標系轉換和數(shù)據(jù)格式轉換等[1]。
(1)制圖綜合。鐵路遙感影像專題圖的制作是對多源地理數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)的可視化,通過借助符號、顏色和標注等多種方式進行表示。在ArcGIS軟件平臺中,專題圖制作是以MXD地圖文件的方式保存,并鏈接制圖GDB數(shù)據(jù)庫。在鐵路遙感影像專題圖制作時,可以根據(jù)制圖需要進行數(shù)據(jù)庫標準的制定,并建立相應的要素數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集或鑲嵌數(shù)據(jù)集。一般需要參考國家及地方標準,在此基礎上完善和設計項目的制圖數(shù)據(jù)庫標準。
鐵路遙感影像專題圖執(zhí)行1∶50000地形圖的制圖標準,圖內要素以遙感影像、地貌、鐵路、公路、城市軌道交通、水系、境界與政區(qū)、植被與土質、專題資料、定位基礎等為主。在數(shù)據(jù)庫中,需建立對應類別的要素數(shù)據(jù)集,每個要素數(shù)據(jù)集中分別存儲點、線、面、注記4類要素,如圖2所示。同時建立遙感影像鑲嵌數(shù)據(jù)集,對遙感影像圖進行存儲管理。
基于遙感影像數(shù)據(jù)集、空間地理信息數(shù)據(jù)庫及專題要素數(shù)據(jù),在ArcGIS軟件中建立制圖模板,進行多源數(shù)據(jù)制圖綜合,并進行信息標注。當影像數(shù)據(jù)平面位置有偏差,則以地物矢量為參照對影像圖進行平移。在疊有影像圖的情況下進行地形圖編輯,必要時要對矢量數(shù)據(jù)進行修測。
圖2 制圖數(shù)據(jù)庫要素分類
(2)符號庫制作。圖式符號是指在地形圖中用于表示地球表面地物、地貌的專門符號,一般包括地物符號、地貌符號、注記符號[7]。比例尺不同,各種符號的圖形、尺寸也不盡相同。在ArcGIS軟件中,需結合鐵路遙感影像專題圖制作需求,創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫要素符號庫,主要分為點符號、線符號、面符號、文字注記符號4類,進而實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的符號化。制圖符號庫在ArcMap軟件的“樣式管理器”中進行創(chuàng)建,在新建制圖符號庫中,分別選擇“標記符號”“線符號”“填充符號”進行點、線、面符號的創(chuàng)建。
結合某鐵路項目,對提出的鐵路遙感影像專題圖制作方法進行應用測試。鐵路項目屬原珠三角城際鐵路規(guī)劃線路,為預可研階段。
(1)影像底圖制作。利用第三方軟件下載谷歌影像地圖,影像分辨率為4.5m。在ArcGIS平臺下,建立“5萬影像地形圖.MXD”地圖文件及“5萬圖.GDB”數(shù)據(jù)庫,將影像文件導入數(shù)據(jù)庫,建立柵格數(shù)據(jù)集,并結合制圖圖框對遙感影像進行裁切和坐標系轉換,以滿足制圖需要。
(2)基礎地理信息矢量數(shù)據(jù)處理。對鐵路、公路、水系、境界等矢量數(shù)據(jù)進行坐標轉換,由WGS84坐標基準轉換至CGCS2000基準。按成圖范圍進行矢量數(shù)據(jù)裁剪,并導入“5萬圖.GDB”數(shù)據(jù)庫。結合遙感影像底圖,對矢量數(shù)據(jù)進行編輯修測,修編后的成果如圖3所示。
圖3 地理信息矢量數(shù)據(jù)成果
(3)鐵路設計專題數(shù)據(jù)處理。既有環(huán)保、水源保護區(qū)等專題數(shù)據(jù)為CAD格式數(shù)據(jù),在ArcGIS軟件中進行數(shù)據(jù)格式轉換和數(shù)據(jù)分層,并進行坐標轉換,轉換后的成果導入“5萬圖.GDB”數(shù)據(jù)庫。
(4)地形要素提取。利用ArcGIS軟件“表面等值線”工具和“柵格轉點”工具,基于GDEM數(shù)據(jù),生成等高線和高程點矢量數(shù)據(jù),結合影像及地理信息數(shù)據(jù)進行編輯,并導入“5萬圖.GDB”數(shù)據(jù)庫。
(5)制圖綜合及符號化。在“5萬圖.GDB”數(shù)據(jù)庫中對各種制圖基礎數(shù)據(jù)進行分要素數(shù)據(jù)集和要素類分層管理。建立制圖符號庫“5萬符號線型.style”,并對各基礎數(shù)據(jù)要素進行符號化,主要線符號如圖4所示。
圖4 制圖主要線符號
(6)成果輸出。經(jīng)過制圖綜合及符號化,并添加坐標方格網(wǎng)后,制作完成的鐵路遙感影像專題圖即可以進行成果輸出,可以按照1∶50000比例尺將成果圖以PDF格式打印輸出,如圖5所示。
圖5 鐵路遙感影像專題圖成果展示(局部)
通過與既有地形圖資料及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析,并給相關設計專業(yè)試用,制作的鐵路遙感影像專題圖圖面精度符合1∶50000比例尺地形圖要求,且圖面信息豐富、全面,地形地物及鐵路設計專題要素表示直觀,能夠滿足項目預可研階段線路設計需要。
結合鐵路勘察設計項目前期設計用圖需求,文章研究了利用公共平臺數(shù)據(jù)及專業(yè)調查專題數(shù)據(jù),采用ArcGIS軟件制作1∶50000比例尺鐵路遙感影像專題圖的作業(yè)方法。與傳統(tǒng)的1∶50000地形圖相比,鐵路遙感影像專題圖具有圖面信息豐富、表示直觀的優(yōu)勢,更加符合鐵路勘察設計項目前期用圖需要。由于鐵路勘察設計項目前期設計用圖有著成圖范圍大、制圖時間緊的特點,因此后續(xù)需要在多源數(shù)據(jù)基礎資料庫的建立以及ArcGIS軟件平臺下制圖標準化、自動化方面進行深化研究,以進一步提升制圖作業(yè)效率。