GOOGLE EARTH在铁路勘测设计前期工作中的应用

韩 皓

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

铁路勘测设计具有一套完整而有效的流程和方法,航测卫星遥感技术已广泛而深入地应用其中。然而，航飞工作一般安排在预可行性研究阶段以后,往往勘测设计前期阶段没有航片、卫片或者范围不足。

铁路前期规划阶段工作中往往受到现场资料缺乏的困扰,比例尺地形图成图年代早,时效性较差,新增房屋、工厂、公路、水库、机场等地物缺失,环境保护区资料匮乏等。此时我们可以借助免费的Google Earth等地理信息软件解决很多问题。

1 GOOGLE EARTH简介

Google Earth(中文译名“谷歌”)让您足不出户就可以随心所欲的通过卫星图像观察到世界的每一个角落。截止2009年11月,Google Earth上中国地貌卫星图像的有效分辨率普遍超过30 m,部分大城市甚至达到了0.5～2 m,大部分地级城市和主流县级以上城市达到辨认汽车的精度；卫星图像拍摄时间方面,主要地级以上城市更新至2007年以后,主流县级城市更新至2004年以后,北京、重庆等城市甚至更新至2009年6月以后。东部地区卫星图像精度和拍摄时间上优于西部地区。从其卫星图像覆盖范围、清晰度和拍摄时间上看,多数项目均能受益于Google Earth提供的大量免费高清卫星图像。

Google Earth还有大量可提供用户添加的地标、航迹、KML地图、地貌景观图像,共同组成了一个巨大的多维地理信息库。Google Earth还在不断改进和更新高分辨率卫星图片,进入2009年以来,其频率更是达到了每月更新一部分区域。软件还提供了应用程序接口,可供开发人员调用数据,进行二次开发,为软件在工程测量中的应用提供了良好的基础。

2 Google Earth辅助铁路选线

2.1 城市及周边区域辅助选线

Google Earth的优势在于城市及周边区域,这些区域发展迅速,地物变化快,而Google Earth恰恰在这些区域年代近、精度高、清晰度好。通过浏览Google Earth，可以直观而迅速的帮助工程师了解项目实地情况,房屋、工厂、公路、水库、机场等信息一目了然,甚至环境保护区域的大致位置都可以通过Google Earth了解。

我们可以利用不同的方法,利用Google Earth卫星地图修测地形图,弥补地形图过老的问题,从而辅助铁路选线。

利用Google Earth修测地形图,可以通过两种方式作业。一是局部地区,在Google Earth中缩放至恰当比例,按“Ctrl+Alt+S”会出现一个保存文件对话框,输入文件名即可保存图片,保存过程中注意平移位置，从而保持比例尺不变。获得数张图片后,利用Adobe Photoshop的Photomerge功能,将图片自动拼合(网络上也有一些专门拼合卫片的小软件),但区域较大时拼合会造成图片扭曲。二是较大区域,利用第三方软件对Google Earth缓存数据进行处理,批量下载自动拼接,但此法受到Google Earth下载限制。

获得卫星图片后,附着到Auto CAD中,按Google Earth中给定比例尺缩放,通过经纬度或地形特征点与地形图叠加,通过修测地形图弥补地物。将城市发展现状与城市规划资料结合,更切合实际的拟定站位、线路方案,有效保障预算成果的精度。对某些区域我们甚至可以看清高压铁塔或者移动通信基站,合理规划线位,减少拆迁。

以柳州至肇庆铁路预可研工作为例：拟定航飞范围工作中,手头现场资料只有梧州市地方意见、城市规划及其工业园区规划。通过熟悉预可研文件,分析铁路与园区位置关系，铁路跨桂江桥位选择将是该段线路方案的主要控制因素。工业园区规划已有,但其现状如何,实施与否,是否已经形成规模,Google Earth即可帮助解决。Google Earth该处卫片拍摄时间是2006年10月和2005年11月,分辨率亦达到分辨汽车精度,拍摄时工业园区大部分地方已经完成场地平整,道路规划初具雏形,部分厂房已经建成。配合地标照片以及网上资料搜索,园区基本概况即有直观认识。通过地标照片直观浏览刚建成通车的洛湛铁路跨桂江特大桥、桂江两岸生态环境、园区企业办公楼等,设计人员犹如身临其境,再不是纸上谈兵。

2.2 山岳地区辅助选线

在Google Earth开启了“Terrain”效果的情况下可以观察到以3D方式显示的高原、山地等地形(将Google Earth Options设置里将Terrain Quality等级设置为最高),使用3d技术和微妙的明暗来让人们更好地理解地理高度的变化,并显示指定点高程值(高程是大地高,即到地球椭球面的距离,其精度足以满足前期工作需要,但请注意区别于常用的85高程系)。该功能可以帮助工程师在项目前期快速熟悉地形,区分地形类别,分析水系特征,辨别分水岭位置,选取越岭垭口位置等等。

Google Earth直观的地形、铁路网、公路网、地名、水系等地理特征,能更好的帮助线路设计者拟定山岳地区线路大致走向。尤其是山区河谷选线,难以确定线路选择在河的哪一岸时,通过Google Earth地形变化,直观分辨两岸坡度陡缓,辨别隧道洞身及进出口条件,区分桥梁工程大小,并可进一步在比例尺地形图上精确验证在Google Earth上直观得到的思路。

2.3 遥感解译辅助选线

通过Google Earth的卫星图像,帮助地质工程师具有更广阔的视野,逼真的图像,有利于空间宏观地质背景的分析,从整体上提高对线路通过地区的地形地貌、地层岩性、地质构造、大型不良地质、水文、植被等区域地质特征的全面认识,从而可在大面积范围内对各个线路方案的工程地质条件进行定性评价,快速、准确的选出工程地质条件良好的方案。

2.4 利用Google Earth丰富的地理信息辅助选线

Google Earth发布已有4年,吸引了众多爱好者添加共享地标、街景、风景名胜区、森林公园、地址公园、文物古迹等,初步选线时可以通过这些信息,熟悉现场情况,提高线路方案的可行性。

近年来我国高速公路发展迅猛,地图更新相对缓慢,更缺乏高速公路信息,在没有拿到航片之前,Google Earth上的高速公路信息,足以帮助我们选择与高速公路平行或者跨越的合理位置。

我们还可以通过浏览卫星图片,根据煤堆、煤盏等煤矿特征，结合其他资料，找到大型煤矿位置,从而分析采空区大致位置并予以绕避；通过洗矿坝泛白的褶皱不同于水库蓝色而平静的湖面之特点,根据洗矿坝等铁矿特征,结合其他资料找到大型铁矿位置。当然,以上分析是建立在其他资料辅助验证的基础上,不能简单通过浏览Google Earth完成。

2.5 Google Earth等数字高程模型辅助选线

数字高程模型(Digital Elevation Model,缩写DEM)是针对地形地貌的一种数字建模,是规则格网点的平面坐标及其高程(X,Y,H)的数据集。DEM记录地形是区别于等高线的另一套思路,不再有线的概念,只有一个一个的地理点。通过DEM可以自动计算提取地面线数据,减少地面线人工读取工作量,从而大大提高前期设计效率。

中南大学开发的GERAIL软件建立了Google Earth和Auto CAD集成式设计平台,是利用Google Earth的数字高程模型。该软件利用Google Earth COM API、KML标记语言及多线程技术,开发了基于Google Earth的铁路交互式设计模块,并成功应用到多条铁路规划设计中。其原理是：利用线路逐桩坐标,转换WGS84坐标系经纬度,生成线路的KML文件,实现线路的绘制显示,利用Google Earth的三维模型下载高程数据,通过计算自动提取线路地面线,生成线路纵断面。

在公开的DEM数据中,Google Earth附带的高程数据精度较差。目前应用比较广泛的是SRTM数据,ASTER GDEM是精度较高的数据。以下是SRTM、ASTER GDEM数据的简介。

SRTM(全称Shuttle Radar Topography Mission,即航天飞机雷达地形测绘任务)数据,2000年2月由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合发射的“奋进”号航天飞机测量得到。覆盖全球陆地表面的80%以上。获取的雷达影像数据经过两年多的处理,制成了数字地形高程模型,该测量数据覆盖中国全境。SRTM数据每经纬度方格提供一个文件,精度有1 arc-second和3 arc-seconds两种,称作SRTM1和SRTM3,或者称作30 m和90 m数据。目前能够免费获取中国境内的是SRTM3文件,是90 m的数据,每个90 m的数据点是由9个30 m的数据点算术平均得来的。有资料显示，用90 m的数据插值得到的等高线地图的细节，总体接近于1∶100 000地形图的细节水平,而高程数据精度在10 m以内。

ASTER GDEM是根据NASA新一代对地观测卫星TERRA的观测结果制作完成,这一全新地球数字高程模型包含ASTER搜集的130万个立体图像,数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域,达到了地球陆地表面的99%。

SRTM和ASTER GDEM数据可以通过国际科学数据服务平台免费下载,网址http://srtm.datamirror.csdb.cn/index.jsp。

3 Google Earth辅助线路方案演示

选线过程中或许需要将Auto CAD中的线位导入Google Earth中,以便结合地形、地貌判别选线的合理性；选线的成果还可以通过Google Earth进行线路方案演示。我们可以通过两种方法实现以上想法。

方法一：利用一款免费的“Acad2Kml”软件,直接将Auto CAD中的线位(即“图元”)导入Google Earth中,软件使用方法在其帮助说明中有详细介绍,这里不再重复。但需要强调,铁路是线性工程,一般线路较长,受到地球曲率的影响,导入后与实际线路位置可能产生较大的偏移,因此线路较长时推荐采用方法二。

方法二：通过坐标转换软件,将逐桩坐标转换成WGS84经纬度,采用小数的格式,编辑成KML格式的路径,即可导入。Google网站有详细的KML教程,有兴趣可以查看。

4 Google Earth辅助铁路选线中需要注意的几个问题

中国城市化进程不断加快,变化日新月异,Google Earth卫片年代往往不能完全满足需要,而且还存在卫片拼接错误、扭曲和云彩遮盖等问题,图层中铁路网、公路网和水系往往不能与卫片完全重合,而且其提供的卫片分辨率满足计算机浏览,但不满足印刷需要。Google公司明确其提供的地图资料仅供规划用途而已,有著作权限制。因此,建议本文介绍的方法限在项目前期使用。同时,可以通过购买商业卫星图片,来获得更新、更大分辨率、满足印刷需要的卫星图片。

Google Earth免费和收费版本其区别是收费版增加了一些比如绘制线条、多边形、GPS导航、统计等功能,但它们的全球的地貌影像与3D数据都是一样的,并不存在付费版的图象质量更好更清晰的说法,但付费版提供高精度打印模块。

5 其他地理信息系统软件

5.1 Google Map

Google Map是Google Earth的web版,可以在Web上显示矢量的Google Map地图,近期其更新更是与Google Earth同步,其优势是在Terrain模式下为您准备好了最小等距10 m的等高线。由于是数据技术拟合的地形,较Google Earth美观许多。

5.2 NASA World Wind

另一款完全免费的地理信息系统软件是World Wind,它是由NASA(National Aeronautics and Space Administration美国国家航空航天局)开发的开放源代码软件,用C#编写。World Wind可以利用Landsat 7、SRTM、MODIS、GLOBE, Landmark Set等多颗卫星的数据,让用户体验三维地球遨游的感觉。其最大的特性是卫星数据的自动更新能力。这种能力使得World Wind具有在世界范围内跟踪近期事件、天气变化、火灾等情况的能力。World Wind最高的解析度可以达到每像素代表15 m,也就是说一些比较大的街道可以看得一清二楚。Google Earth是一款面向大众的商业软件,侧重满足大众的浏览、导航、量测的要求；而World Wind面向科学研究工作者,提供了一个开放的地理信息框架,在中国大陆区域显示很差,尤其是城市及周边区域,远不及Google Earth的清晰度,其普及程度和易用性亦不及,因此对于铁路规划实用性较差。

5.3 Micosoft Virtual earth

Virtual earth是微软公司推出的“虚拟地球”,其工程实用性较Google Earth、World Wind差。

5.4 国产GeoGloble软件

2008年底,国家测绘科技委员会在上海提出了启动“国家地理信息公共服务平台”建设工程,打造中国自主知识产权的Google Earth即GeoGloble。由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室研发。GeoGlobe软件还提供了强大的二次开发功能。现在只能内部使用还没有对外开放,期待GeoGlobe尽快免费开放。

6 结束语

Google Earth自2005年发布以来,已经在地质勘察、防治灾害、交通规划、水利工程、土地规划利用等广泛领域发挥作用,吸引了众多爱好者二次开发相关应用软件,帮助我们更好的应用Google Earth。以Google Earth为代表的,互联网上海量免费地理信息数据,提高了铁路勘测设计效率,降低了劳动强度,节约了生产成本,而且这些数据在勘测设计项目中的应用还有很大空间,需要设计人员不断探索发现。

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[3] 谢 伟.Google Earth等免费数据源在铁路勘测设计中的应用[J].铁道勘察，2009(2)

[4] 李志林,朱 庆.数字高程模型[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000