Google Earth卫星影像图在道路设计中的应用

在道路勘测设计中,尤其是工程可行性研究阶段,道路的路线方案设计都是在大比例地形图上进行的。现阶段，此类地形图大多都是通过纸质地形图扫描定位形成图片格式后在CAD中进行拼接形成。该类地形图存在以下不足:1)很难直观地表现地形地物地貌信息，给路线控制点及控制要素的选择增加了难度;2)内容过于陈旧,对于新建房屋、新建道路没有及时更新;3)没有三维坐标,无法实现道路三维设计。如采用矢量地形图,则需对项目研究区域进行实地踏勘测量,对前期研究阶段而言,投资费用高,也提高了路线方案比选的造价,不利于方案的优化比选。

在工程规划设计中，通过卫星影像图上进行线位放样可使项目有一个比较直观清晰的走向。在2007年部颁5公路工程基本建设项目设计文件编制办法对于路线的平面设计部分中也提及必要时增加在影像地形图上绘制平面图,可见卫星影像地形图的重要性。如今卫星影像图,特别是基于Google Earth的卫星影像图,正在逐步被应用到道路设计中,以弥补采用一般测绘地形图的不足。但如何准确快捷地把卫星影像图应用到道路平面设计中,使其与一般测绘地形图有机地结合起来,并利用其三维仿真特点,更好地为道路设计服务,已成为广大设计咨询人员的一个难题。

1、Google Earth软件介绍

2005年Google公司推出了一款数字地球软件 GoogleEarth(谷歌地球)，GE是一款虚拟地球仪软件,它把卫星照片、航空照相和GIS布置在一个地球的三维模型上。GE上的全球地貌影像的有效分辨率不等,通常为30m(如中国大陆),针对大城市、著名风景区、建筑物区域会提供分辨率为1 m和0.5 m左右的高精度影像,道路上的汽车清晰可见,完全能满足工程研究需要。GE的个人版主要分为免费的Free版和收费的Plus版、Pro版。2010年发行的最新GE5.2版,其功能较为强大,不仅能实现诸如绘制线条、GPS导航、统计、录制电影、三维地形等,还提供Google O-cean(谷歌海洋)、大气层功能、历史图像等功能,如遇到分辨率不高的地区,还可以采用贴图形式。

2、Google Earth软件应用特点

由于Google Earth卫星影像图具备直观、免费、时效性强等特点，已逐渐在道路设计中普及。现今的道路设计中，大多都基于AutoCAD系统，如何将卫星影像图应用到道路CAD设计系统中，使道路设计与卫星影像图有机结合起来，已成为大多数设计者努力的方向。

由于GE是把卫星影像图设置在三维球面模型上,点坐标以经纬度表示,而通常用于道路设计中的一般测绘地形图却是在平面上,点坐标一般以XY大地坐标表示。如想把两者有机地结合起来,就需要实现不同体系的坐标转化,即:1)将GE球体中的卫星影像图转换到CAD平面图中,简称球体到平面转换;2)将CAD平面图中的设计成果转换到GE球体环境中,简称平面到球体转换。2 体系转换由于卫星影像图和一般的测绘地形图是基于不同的软件和坐标系统,为了将卫星影像图应用于路线设计中,并把道路设计成果导入GE,利用其三维仿真功能,实现动态直观检验,以指导路线设计,就需要完成不同软件系统中不同坐标体系的相互转换。转换不仅需要实现不同坐标系的坐标转换投影计算,还需实现在GE中下载卫星影像图和将设计成果植入GE中。

基于此，研究Google Earth卫星影像图下载原理，通过坐标转换，并利用kml脚本语言，实现设计成果在Google Earth与CAD道路设计系统的相互转换。最后利用Google Earth卫星影像三维仿真，实现路线动态三维实景模拟，以达到优化设计方案的目的。

3、Google Earth软件的优势

Google Earth为用户提供了三维可视化的地形图，引起了很多爱好者的关注。它在工程中的应用也越来越多，我们开始感受到Google Earth软件给工程设计带来的巨大影响，与建立在传统光栅以及矢量地形图基础之上的传统AutoCAD设计平台相比，GoogleEarth软件有着以下的优势:(l)提供免费的卫星或者航拍地图，与传统光栅和矢量地形图相比，逼真程度更高，更加直观；(2)Google Earth不但可以显示遥感图片，而且可以显示矢量数据地标，还包括点、线以及面等几何对象类型；(3)具有栅格图片叠加的功能，允许用户将本机或者网络地图图片叠加到Google Earth上，并且还可以根据用户的需要调整叠加图片的透明度，这一功能大大地方便了用户进行深入的观察分析和研究；(4)拥有大量的三维虚拟模型，也可以通过其他软件创建，允许用户使用三维对象；(5)突破了传统Web Gis数据的模式，能够为空间信息的快速地提供一种崭新的技术手段和解决思路。通过这种方法，服务器和客户端之间不再需要直接传输空间数据，而只需传输KML文档和影像图片；(6)影像数据会预先按照不同比例尺分块分层生成影像图片，当客户端发出数据请求时，服务器无需实时生成数据，而是依据用户请求的尺度和范围，在服务端选择预先生成好的影像图片，最后拼接成满足客户端需要的范围，返回给用户。这种模式可以显著地降低服务器和网络带宽的负担，为发生较少变化的空间数据的提出了一种新的思路及解决方法。同时，这种技术方法也使得人们与空间信息的交互的方式发生了深刻的变革。

4、Google Earth 球面至平面的坐标转换

1） 未知测绘坐标体系

为了实现方便,在GE球体中用矩形框框选研究区域,并选用矩形左上角及右下角两个控制点(如需精确,控制点可以大于两个),得其经纬度(Di[b,l];i=1、2),下载整合完图片后,明确平面图的坐标系及参数,并利用高斯-克吕格投影正解公式(5),计算其在对应坐标系中的大地XY坐标,最终根据控制点坐标完成在CAD平面中的保存。

2） 已知测绘坐标体系

用矩形框框选所研究区域平面,同理采用矩形左上角及右下角2个控制点进行计算,控制点的大地XY坐标为(Di[X,Y ];i=1、2)。通过已知的测绘坐标体系,明确高斯-克吕格投影反解公式中的参数。然后利用反解公式(6)计算控制点的经纬度(Di[B,L];i=1、2),再按照公式(3)求出墨卡托投影中的经纬度(Di[b,l];i=1、2),即控制点对应GE球体坐标中的经纬度。并根据计算的经纬度和GE传输下载原理得到计算路径,下载图片,最后整合卫星影像图片,并按平面大地XY坐标,将卫星影像图缩放旋转插入保存到CAD图形中。

5、结语

目前，基于Google Earth的影像图在路线设计研究中的应用已较为广泛，其直观、免费、3D服务等特点，都为路线方案的优化和演示提供了便利的条件。实例通过坐标变换，利用kml脚本语言及Arx二次开发语言，使Google Earth影像图更方便、快捷地运用到路线设计中，并实现了三维演示。