卫星图道路设计中的应用

于 CAD 图形环境平台进行的, 而卫星影像图为卫星 拍摄或航空拍摄图片 , 是一种具有一定数学基础、 由多 幅卫星遥感影像按其地理坐标镶嵌拼 接而成的影像 图。卫星影像图最突出的优点是信息丰富, 形象直观, 其高精度影像图地理精度已达到米级水平 , 能够满足 道路项目前期研究的需要 , 是其他普通线划地图所不 能比拟的。而且现在提供全球卫星影像图的公司也较 多, 如 法 国 SP OT 5、 美 国 IKONOS 及 美 国 Digit al Glo be 公司的 QuickBird( 解析度高达 0. 61 m 的高精 度影像) 。 1. 2 Goog le Ear th 软件( 后简称 GE) 2004 年 10 月 27 日 Goog le 公司宣布收购了 Key ho le 后, 并于 2005 年 6 月推出了最早的 Go ogle Eart h 系列软件。 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 30 m( 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。
e2 3e4 5e6 3e2 3e4 45e6 ( 1- ) B- ( + + ) 4 64 256 8 32 1 024 15e4 45e6 35e6 + ) sin( 4B) sin ( 6B) 256 1 024 3 072 1- e2 sin2 B = ( a 2 / b) 1+ ( e ) 2 cos2 B ( 5)
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( X,
4
A 2 A + ( 5- T + 9C + 4 C ) ] 2 24 6 2 A + ( 61- 58T + T + 270C - 330T C) } 720 X N = k 0 { M + N t gB [ Y E = FE + k 0 N [ A + ( 1- T + C) A + ( 5- 18T + 6
以往的道路勘测设计中, 尤其是 ( 预 ) 工程可行性 研究阶段 , 道路的平面布线都是在大比例地形图上进 行的。此类地形图大多都是通过纸质地形图扫描定位 形成 , 为图片格式的地形图 ( 简称光栅地形图 ) 。与后 期实际测量绘制的带三维数据地形图 ( 简称矢量地形 图) 不同, 该类地形图存在以下不足 : 1) 很难直观地表 现地形地貌信息 , 如山地、 河流、 老路、 房屋、 稻田、 果林 等, 不利于相应工程量的统计 ; 2) 内容过于陈旧 , 特别 是某些居民区房屋、 原有道路无法更新至现状; 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。 目前 , 卫星影像图在工程规划设计中已是比较重 要的基础资料。在卫星影像图上放线 , 可使项目有一 个比较直观清晰的走向。在 2007 年部颁 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 Goog le Eart h 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 ( 光栅图或矢量化地形图) 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
表1 椭球体名称 北京 54 坐标系 西安 80 坐标系 WGS 84 中国椭球体参数 长半轴 a/ m 6 378 245 6 378 140 6 378 137 短半轴 b/ m 6 356 863. 018 8 6 356 755. 288 2 6 356 752. 314 2
渐增大, 无极点 , 因此实际地图的经纬度到墨卡托投影 的经纬度需进行转化 , 正解转化公式( 3 ) : ( B, L ) ( b, l) , 单位 : 弧度。 b= ln[ ( 1+ sin B) / cosB ] l= L ( 3)
GE 采用的就是墨卡托投影。墨卡托投影 , 是一 种 等角正切圆柱投影 , 它没有角度变形, 由每一点向 各方向的长度比相等。墨卡托投影坐标系取零子午线 或自定义原点经线( L0) 与赤道交点的投影为原点 , 零 子午线或自定义原点经线的投影为纵坐标 X 轴 , 赤道 的投影为 横坐标 Y 轴 , 构成墨卡 托平面直角 坐标系 ( 投影公式中 a、 b、 e 等参 数参 照椭球 体几 何表 达公 式) 。 墨卡托投影正解公式 ( 1) : ( B, L ) 纬度 B 0 , 原点纬度 0 , 原点经度 L 0。 X N = K ln [ t g ( + B) 4 2 ( X , Y ) , 标准
第 31 卷 第 2 期 2 0 1 1 年 4 月 文章编号 : 1671- 2579( 2011) 02- 0001- 04
中 外
公
路
1
Google Earth 卫星影像图在道路设计中的应用研究
方成 , 王春晖 , 吴延明
( 1. 浙江公路水运工 程咨询公司 , 浙江 杭州
1 2 1
310004; 2. 杭州市交 通资产经营公司 )
摘要 : 目前 , 由于 G oog le Ear th 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 A utoCA D 系 统 , 如何将 卫星 影像图 应用 到道路 CA D 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。基于此 , 研究 G oo gle Eart h 卫星影像图下载原理 , 通过坐标转换 , 并利用 km l 脚本 语言 , 实现 设计成 果在 Go og le Ear th 与 CA D 道路设 计系 统的相 互转 换。最后 利用 G oog le 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。 关键词 : 卫星影像图 ; kml 脚本语言 ; 坐标转化 ; 道路设计
3
GE 三维模型植入机制 为了将自定义的 3D 模型加入到 GE 三维影像环
境中 , GE 自 Release4 版本后 , 开发了 Sket chUp 软件, 以便于用户在 GE 三维环境中植入自定义 3D 模型。 此外 , GE 也提供了基于 Java Script 的 A PI 及 kml 脚 本语言功能, 供使用者进行二次开发。
e ( 1- esinB ) 2 ] 1+ esinB
Y B = K ( L - L 0)
2
( 1)
ab co s( B 0 ) 2 2 1+ ( e ) cos ( B 0) 墨卡托投影反解公式 ( 2) : ( X , Y ) ( B, L) , k= N B0 co s( B 0) =
) K EXP( 2 ) ln( 1+ esi nB 2 YB L= + L0 ( 2) K 由于墨卡托投影的纬线间隔从标准纬线向两极逐
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
B=
- 2ar ct g EXP( -
X
N
e
1- esi nB
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。 2. 1 地图坐标转换 2. 1. 1 地图投影 地图坐标系由地图投影和大地基准面确定, 目前, 常用的投影转化有墨卡托投影、 高斯 - 克吕 格投影、 UT M 投影和兰勃特等角投影等。 2. 1. 2 大地基准面的选择 大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表 面的逼近 , 每个国家或地区有所不同, 中国主要有北京 54 坐标系、 西 安 80 坐标系、 WGS84 坐标 系统。其 3 个椭球体参数如表 1 所示。
墨卡托投影的经纬度 到实际地图的 经纬度公式 ( 4) , 即反解转化公式 : ( b, l ) ( B, L ) , 单位 : 弧度。 B= 2 { arct g[ EXP ( b) ] - / 4} ( 4) L= l 2. 3 道路工程测量中的坐标投影
在工程测量应用中 , 中国采用的是高斯 - 克吕格 投影 , 简称高斯投影。它是一种 等角横切圆柱 投影。 其投影精度高, 变形小, 而且计算简便。为了控制长度 变形 , 高斯投影按一定经度将地球椭球面划分成若干 投影带, 通常按经差 6 或 3 分为六度带或三度带。 高斯 - 克吕 格投影正 解公式 ( 5) : ( B, L ) Y ) , 原点纬度 0 , 中央经度 L 0 。
2
中 GE 的个人版主要分为免费 的 F ree 版和收费的
外
公 2. 2
路 GE 坐标投影
第 31 卷
Plus 版、 Pro 版。 2010 年 5 月发行的最新 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 Go ogle 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。一般 GE 的运行必须有网络支持 , 但也可以将卫星影像图 存入缓存后断网使用。 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 X Y 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 CA D 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。
收稿日期 : 2010- 11- 12 基金项目 : 浙江省交通运输厅科技项目 ( 编号 : 2009H 12) 作者简介 : 方成 , 男 , 硕士 . E- ma il: up2you_610@ 163. com
计咨询人员的一个难题。
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卫星影像图及 Goog le Earth
卫星影像图 通常在路线平面设计中 , 一般测绘地形图都是基
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2011 年 第 2 期 T + 14C - 58T C) T= tg B C= ( e ) cos B A = ( L - L 0 ) co sB M= sin( 2B) + ( N=
2 2 2 2
方成 , 等: Go ogle Eart h 卫星影像图在道路设计中的应用研究 A5 ] 120 达成 qrst 字符串表达式。 2. 5
Baidu Nhomakorabea
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( B,
GE 卫星影像的运用
在道路设计 , 特别是路线方案研究阶段, 利用 GE
高斯 - 克吕格投影反 解公式 ( 6 ) : ( X , Y ) L)
卫星影像图廉价实时直观等特点, 以优化道路设计方 案。然而 , 如何实现 GE 卫星影像图到 CAD 图形的转 换, 成为 GE 卫星影像运用于道路设计的关键, 即球体 到平面转换。 3. 1 球体到平面的坐标转换原理 一般对于不同体系中的坐标转换, 需要有 N 个控 制点作为基准( N 2) , GE 球面体系中点坐标是以经 纬度控制 , 测绘平面图体系点坐标是以 X Y 大地坐标 控制。当无地形图或地形图坐标未知的情况 , 可以直 接根据项目研究区域 , 并在平面区域中框选 2 个以上 的控制点 , 确定经纬度 , 下载图片, 自定义测绘平面图 坐标体系以确定转换参数 , 如 a、 b、 度带、 带号等 , 并通 过高斯 - 克 吕格投影 公式, 计算对应 测绘平面 图中 X Y 坐标, 实现影像图插入; 当已知测绘平面图坐标体 系, 就可根据坐标体系确定转换参数, 框选确定控制点 得其大地 X Y 坐标, 通过计算得其坐标经纬度 , 并根据 墨卡托投影经纬度转化公式转化为 GE 球体经纬度, 下载图片 , 并根据原 X Y 坐标将卫星影像图插入到测 绘平面图中。 3. 2 转换实例及主要程序流程 3. 2. 1 未知测绘坐标体系