基于多源数据的铁路遥感影像专题图制作探讨

张银虎

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

1 概述

在铁路勘察设计项目中，前期投标及预可研阶段主要采用国家1∶50000比例尺地形图作为底图开展线路设计工作。由于国家1∶50000比例尺地形图采购周期长，局部区域现势性不好，且线划图直观性不强，不便于前期专业设计使用。为此，文章探讨了采用ArcGIS软件系统，利用公共平台的卫星遥感影像数据、DEM数据、基础地理信息数据以及各专业基础调查数据，制作1∶50000比例尺的铁路遥感影像专题图的方案，以满足铁路勘察设计项目前期设计用图需求。

铁路遥感影像专题图是以遥感影像为底图，叠加等高线和高程点等地形信息，叠加基础地理信息，叠加城市规划、自然保护区等铁路设计专题信息，是一种集成多专业信息的专题地图[1]。现有的各种矢量图制图软件在遥感影像数据、DEM数据、基础地理信息数据等多源数据处理、数据管理、制图综合以及制图符号化、地图成果输出方面尚存在不足，需要借助多个第三方处理软件方可完成遥感影像图的制作工作，进而使得制图数据流不通畅，成图效率不高。作为目前应用最广泛的地理信息系统（GIS）软件，ArcGIS软件系统在多源数据的处理、分析和制图管理方面具有明显的技术优势，能够明显提高铁路遥感影像专题图的制作效率和成图质量。

2 制图数据获取

铁路遥感影像专题图的基础数据主要包括遥感影像数据、DEM数据、基础地理信息数据以及铁路设计专题数据等。

2.1 遥感影像数据

遥感影像数据是铁路遥感影像专题图底图的重要组成部分，制图时主要采用卫星遥感影像数据。为确保铁路遥感影像专题图的成图精度，需结合成图比例尺选择具有合适空间分辨率的遥感影像作为底图。对于遥感影像空间分辨率与成图比例尺的适配关系，可依据人眼在明视距离（250mm）处的分辨率进行计算。地图制图中，将人眼视觉分辨率取为0.1mm，限差定为0.2mm。对于1∶50000比例尺地形图，根据0.1～0.2mm的图上长度计算对应的地面长度为5～10m。因此，对于铁路遥感影像专题图，其所需的遥感影像的空间分辨率应为5～10m。

由于铁路遥感影像专题图属中小比例尺工程制图，对地图影像时相要求不高，因此可以通过瓦片地图获取影像数据。瓦片地图是以各种网络地图形式出现的共享数据，例如Google Map、Bing Map、天地图、百度地图等。瓦片地图影像数据一般通过第三方软件平台下载，支持多任务区、不同分辨率分级数据的批量下载，可选用多种数据源实现多源数据的互补。

2.2 DEM数据

DEM数据即数字高程模型数据，是在平面X、Y域按照一定的格网间隔采集地面高程而建立的规则格网高程数据库。铁路遥感影像专题图制作一般采用共享数字高程模型数据，主要包括SRTM数据和GDEM数据。

SRTM数据是美国、德国与意大利航天机构联合测量，由美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载的SRTM系统完成的雷达影像数据。目前可免费获取的SRTM数据为3″（约90m）的高程数据，标称绝对高程精度±16m、绝对平面精度±20m。ASTER GDEM数据是美国航空航天局与日本经济产业省共同推出的全球电子地形数据，第二版V2数据于2011年10月公布，格网间距1″（约30m），高程精度约±17m。

SRTM数据和GDEM数据均可以在中科院地理空间数据云平台上进行下载，根据成图区域选择对应的图幅编号分幅下载。

2.3 基础地理信息数据

在铁路遥感影像专题图中，基础地理信息数据主要分为道路及属性信息、重要地物及属性信息、水系及属性信息、居民地及属性信息等。基础地理信息数据可以从导航数据库（Navigable Database）中获取，也可以在公共地图数据平台上进行采集。

导航数据库是针对智能交通系统与定位服务应用需求而建立的具有统一技术标准的地理数据库，是一个综合的数据集，既包括空间要素的几何信息、要素的基本属性，也包括要素的增强属性、交通导航信息等[2]。导航数据库可以通过采购或公共平台下载的方式获取，并根据制图需求进行基本地图数据编辑和转换。

2.4 铁路设计专题数据

铁路设计专题数据是由各专业搜集的与线路设计相关的各类专题数据，如城市规划图、文物保护区、环保区、水源地分布图等[1]。铁路设计专题数据主要包括光栅专题图和矢量专题图两个格式，制图时需要进行坐标配准和格式转换。

3 制图平台选择

在常规的矢量地形图等工程制图工作中，一般采用AutoCAD、MicroStation、EPS等图形处理和编辑软件，这些软件的图形编辑和处理功能较强，但在遥感影像编辑、DEM数据处理以及多源数据整合及数据管理能力方面相对较弱。结合铁路遥感影像专题图制作特点，需采用一个更加集成化、专业化、系统化的制图平台进行图形制作。而地理信息系统（GIS）软件以其强大的地理信息数据处理、分析和管理能力，能够更加高效地对获取的多源数据进行编辑、处理和整合，提高铁路遥感影像专题图的制作效率和成图质量。

作为目前应用最广泛的GIS软件，ArcGIS软件系统是美国环境系统研究所（ESRI公司）开发的地理信息系统软件，具有强大的数据管理、地图配图、制图表达等功能。与常规矢量地图制图软件相比，ArcGIS软件应用于铁路遥感影像专题图制图，具有以下技术优势[3-4]。

（1）基于数据库的制图模式，实现了多源数据的集成化管理。

（2）通过Geodatabase数据库存储技术建立无缝连接的空间数据库，可进行大范围的地图制图和批量分幅输出。

（3）使用已有地理数据进行制图，数据规范，逻辑性强，不必考虑数据格式转换带来的信息丢失等兼容性问题。

（4）支持多种类型地图符号库驱动技术，要素符号化能力强，自动化程度高。

（5）灵活的制图表达机制，支持同一数据的多种地图表达。

（6）支持模板化制图，可达到地图成果批量输出。

4 制图方法

结合多源数据处理及制图GIS软件平台特点，采用ArcGIS软件设计铁路遥感影像专题图制图的作业流程如图1所示。

图1 铁路遥感影像专题图制图作业流程

4.1 制图标准设计

铁路遥感影像专题图制作之前，需进行制图方案和制图标准的设计。

（1）制图比例尺。铁路勘察设计项目前期用图主要为1∶50000比例尺地形图，遥感影像专题图制作采用1∶50000比例尺。

（2）坐标系统。地图制图一般采用投影坐标系，成图过程中的坐标系统策划需结合项目类型以及成图各阶段坐标系统等因素进行。现行铁路技术规范中要求铁路勘察设计工作应采用基于CGCS2000国家大地坐标基准的工程独立坐标系。

（3）数据源。对于成图基础数据，需要结合项目线路走向、用图需求及成图范围，调查并确定遥感影像数据、DEM数据、基础地理信息数据的数据类型及获取途径。

（4）图式符号。铁路遥感影像专题图图式符号主要执行《国家基本比例尺地图图式第3部分：1∶25000 1∶50000 1∶100000地形图图式》（GB/T 20257.3—2017）的相关要求，并结合地图的纹理对图示符号的表达效果进行合理编辑。

（5）图形分幅。为便于数据管理和应用，铁路遥感影像专题图仍按照现行国家1∶50000地形图分幅原则进行，并结合项目线路走向进行适当调整。

4.2 遥感影像数据预处理

对于获取的遥感影像数据，需要进行影像几何校正、影像裁剪等预处理工作，以满足铁路遥感影像专题图制图需求。

（1）影像几何校正。由于遥感影像数据来源不同、时相不同，其空间位置信息（即坐标系统）各不相同，且一般与铁路遥感影像专题图的设计坐标系不一致，需要进行坐标转换。此外，受瓦片地图影像数据源及图像下载影响，获取的遥感影像数据可能存在一定的变形。因此，需要结合地理信息数据及其他空间位置数据对影像进行几何纠正，确保遥感影像空间位置精度。在ArcGIS软件中，遥感影像的几何校正采用“地理配准”和“投影栅格”工具进行。“地理配准”是指使用地图坐标，为缺少坐标基准或存在空间位置变形的影像数据指定正确的空间位置，采用的控制点可以为影像中的格网交叉点、明显的地物点等具有准确地理坐标位置的对应点。对于具有不同坐标系的遥感影像数据，可以利用“投影栅格”工具，将影像转换至制图坐标系下。坐标转换一般采用七参数法，转换采用COORDINATE_FRAME方法[5]。

（2）影像裁剪。影像裁剪是根据铁路遥感影像专题图的制作范围，把影像裁剪出一个或多个新的影像文件。ArcGIS软件中的影像裁剪采用“按掩膜提取进行裁剪”和栅格处理工具集中的“裁剪”工具进行，通过输入制图区的图形（掩膜）裁剪出新的影像文件，其范围大小和掩膜一致。“按掩膜提取进行裁剪”是用选定的图像、图形，对待裁切的图像进行遮挡来进行图像裁剪的过程[6]。利用栅格处理工具集中的“裁剪”工具进行裁剪，是根据选定的矢量图形范围或手动输入的“输出范围”四角坐标，对遥感影像进行裁剪。

4.3 DEM数据地形要素提取

利用DEM数据，可以在ArcGIS软件下进行等高线和高程点等地形要素的生成提取，生成后的等高线和高程点以矢量数据格式存储。

（1）等高线生成。在ArcGIS软件中，等高线的生成可以采用三维分析工具箱中的“等值线”工具和“表面等值线”工具进行。“等值线”工具使用的只能是栅格格式的DEM数据。作业时选择DEM数据并输入等高线间距，即可进行等高线生成，并采用“平滑线”工具对等高线进行平滑处理。“表面等值线”工具使用的是TIN、Terrain或LAS数据，可以设置“计曲线”属性字段，在生成的等高线数据表中通过“Index_Cont”字段进行区分。

（2）高程点生成。基于DEM数据的高程点生成，采用三维分析工具箱中的“栅格转点”工具进行。对于输入栅格数据集的每个像元，都会在输出要素类中创建一个点。ArcGIS软件默认将高程数据赋给“GRID_CODE”字段，需要建立“Elevation”字段，并利用字段计算器把“GRID_CODE”字段的值赋给“Elevation”字段。

4.4 基础地理信息数据转换及空间校正

地理信息数据主要为矢量数据格式，需进行数据格式转换和空间校正处理，并依据地理要素类型进行分类管理。

（1）数据格式转换。通过多种途径获取的地理信息数据格式较多，除了SHP、GDB、MDB等可以被ArcGIS软件直接使用的数据库格式外，CAD格式数据也比较多，因此需要将CAD格式的地理信息数据转换为ArcGIS格式数据。CAD格式数据转换采用“CAD至地理数据库”工具，通过读取CAD数据集并创建工程图对应的要素类，并写入地理数据库要素数据集中。

（2）矢量数据空间校正。由于基础地理信息数据来源的多样化，描述同一地理位置的数据会在几何上出现一些变形或旋转，这时可以通过ArcGIS软件中的“空间校正”工具进行数据整合。ArcGIS软件中提供了仿射变换、相似变换和投影变换等方法，不同变换方法对控制点的数量略有不同，一般需具有3个以上的控制点。

4.5 铁路设计专题数据预处理

铁路设计专题数据主要通过各专业收集，其数据来源复杂、格式多样，需要进行数据预处理后才能满足制图使用需求。专题数据处理内容一般包括对坐标点数据进行图形化、对无坐标文件的光栅数据进行几何纠正和数据格式转换、对具有地理坐标的文件进行投影坐标系转换和数据格式转换等[1]。

4.6 制图综合与符号化

（1）制图综合。铁路遥感影像专题图的制作是对多源地理数据及专题数据的可视化，通过借助符号、颜色和标注等多种方式进行表示。在ArcGIS软件平台中，专题图制作是以MXD地图文件的方式保存，并链接制图GDB数据库。在铁路遥感影像专题图制作时，可以根据制图需要进行数据库标准的制定，并建立相应的要素数据集、栅格数据集或镶嵌数据集。一般需要参考国家及地方标准，在此基础上完善和设计项目的制图数据库标准。

铁路遥感影像专题图执行1∶50000地形图的制图标准，图内要素以遥感影像、地貌、铁路、公路、城市轨道交通、水系、境界与政区、植被与土质、专题资料、定位基础等为主。在数据库中，需建立对应类别的要素数据集，每个要素数据集中分别存储点、线、面、注记4类要素，如图2所示。同时建立遥感影像镶嵌数据集，对遥感影像图进行存储管理。

基于遥感影像数据集、空间地理信息数据库及专题要素数据，在ArcGIS软件中建立制图模板，进行多源数据制图综合，并进行信息标注。当影像数据平面位置有偏差，则以地物矢量为参照对影像图进行平移。在叠有影像图的情况下进行地形图编辑，必要时要对矢量数据进行修测。

图2 制图数据库要素分类

（2）符号库制作。图式符号是指在地形图中用于表示地球表面地物、地貌的专门符号，一般包括地物符号、地貌符号、注记符号[7]。比例尺不同，各种符号的图形、尺寸也不尽相同。在ArcGIS软件中，需结合铁路遥感影像专题图制作需求，创建空间数据库要素符号库，主要分为点符号、线符号、面符号、文字注记符号4类，进而实现矢量数据的符号化。制图符号库在ArcMap软件的“样式管理器”中进行创建，在新建制图符号库中，分别选择“标记符号”“线符号”“填充符号”进行点、线、面符号的创建。

5 应用案例

结合某铁路项目，对提出的铁路遥感影像专题图制作方法进行应用测试。铁路项目属原珠三角城际铁路规划线路，为预可研阶段。

（1）影像底图制作。利用第三方软件下载谷歌影像地图，影像分辨率为4.5m。在ArcGIS平台下，建立“5万影像地形图.MXD”地图文件及“5万图.GDB”数据库，将影像文件导入数据库，建立栅格数据集，并结合制图图框对遥感影像进行裁切和坐标系转换，以满足制图需要。

（2）基础地理信息矢量数据处理。对铁路、公路、水系、境界等矢量数据进行坐标转换，由WGS84坐标基准转换至CGCS2000基准。按成图范围进行矢量数据裁剪，并导入“5万图.GDB”数据库。结合遥感影像底图，对矢量数据进行编辑修测，修编后的成果如图3所示。

图3 地理信息矢量数据成果

（3）铁路设计专题数据处理。既有环保、水源保护区等专题数据为CAD格式数据，在ArcGIS软件中进行数据格式转换和数据分层，并进行坐标转换，转换后的成果导入“5万图.GDB”数据库。

（4）地形要素提取。利用ArcGIS软件“表面等值线”工具和“栅格转点”工具，基于GDEM数据，生成等高线和高程点矢量数据，结合影像及地理信息数据进行编辑，并导入“5万图.GDB”数据库。

（5）制图综合及符号化。在“5万图.GDB”数据库中对各种制图基础数据进行分要素数据集和要素类分层管理。建立制图符号库“5万符号线型.style”，并对各基础数据要素进行符号化，主要线符号如图4所示。

图4 制图主要线符号

（6）成果输出。经过制图综合及符号化，并添加坐标方格网后，制作完成的铁路遥感影像专题图即可以进行成果输出，可以按照1∶50000比例尺将成果图以PDF格式打印输出，如图5所示。

图5 铁路遥感影像专题图成果展示（局部）

通过与既有地形图资料及现场实测数据进行对比分析，并给相关设计专业试用，制作的铁路遥感影像专题图图面精度符合1∶50000比例尺地形图要求，且图面信息丰富、全面，地形地物及铁路设计专题要素表示直观，能够满足项目预可研阶段线路设计需要。

6 结束语

结合铁路勘察设计项目前期设计用图需求，文章研究了利用公共平台数据及专业调查专题数据，采用ArcGIS软件制作1∶50000比例尺铁路遥感影像专题图的作业方法。与传统的1∶50000地形图相比，铁路遥感影像专题图具有图面信息丰富、表示直观的优势，更加符合铁路勘察设计项目前期用图需要。由于铁路勘察设计项目前期设计用图有着成图范围大、制图时间紧的特点，因此后续需要在多源数据基础资料库的建立以及ArcGIS软件平台下制图标准化、自动化方面进行深化研究，以进一步提升制图作业效率。