利用WGS84-AW3D30 DSM data map表面模型数据作西安80或国家2000大地坐标系统的地形图技术探讨

叶育松，张雄天

(1.甘肃三昌矿业有限公司，甘肃 陇南 742500；2.兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

在日常野外测绘工作中，面对一个新的工作区域，在没有现成的可满足一定精度级别要求的控制点的情况下；或在有控制点但没有测量工具或找不到测绘专业技术人员的情况下；或因测量成本太高，工程单位无力请专业测绘单位进行测绘工作的情况下；或因时间比较紧，实地测绘工程工期不能允许的情况下；或在有控制点，但非国家系统，又得不到准确的坐标系统转换参数等情况下[1-10]。如何利用现成的网络上可得到的数据通过一系列的坐标系统转换过程得到我们所需的数据，并完成地形图绘制，不影响后续工作的开展呢？这是我们经常会遇到的情况。本人经多次工程实践，探索出一个行之有效的方法，介绍如下。

1 地形图绘制方法

我们知道，自从有了全球卫星定位系统（GPS），人们对数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM)的研究就开始了，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。DEM分辨率是DEM刻画地形精确程度的一个重要指标，同时也是决定其使用范围的一个主要的影响因素。DEM的分辨率是指DEM最小的单元格的长度。因为DEM是离散的数据，所以（X，Y）坐标其实都是一个一个的小方格，每个小方格上标识出其高程。这个小方格的长度就是DEM的分辨率。分辨率数值越小，分辨率就越高，刻画的地形程度就越精确，同时数据量也呈几何级数增长。2000年，美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）以及德国与意大利航天机构共同合作完成联合测量,由美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统获取了北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。谷歌地球的原始DEM，国内区域采用的是SRTM3，也就是90m分辨率的数据。国外区域有些地方是用的30m分辨率的数据。运用90m分辨率的数据，做一些地形起伏不大的平原地区的地形图在精度要求不高的情况下尚可勉强使用，但对地形切割严重，起伏较大，较为复杂的地形，其网度显然是太大了。因为，利用下载的谷歌地形数据作地形图，不管你提取数据时选择的级别有多大，改变不了它的原始数据采集的网度，因此，误差较大，不能准确反映较复杂地形条件下的地形的实际情况。

故虽然SRTM3应用广泛，但精度有限。美国航空航天局（NASA）和日本经济产业省（METI）联合发布的全球数字高程数据产品ASTER Global Digital Elevation Model（ASTER GDEM），该DEM数据是根据NASA新一代对地观测卫星TERRA的观测结果完成，是由ASTER（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radio meter）传感器搜集的130万个立体像对数据制作，覆盖范围超过了地球99%陆地表面。

该数据水平精度1″（约30m，置信度95%），高程精度为20米（置信度95%）。比之前的SRTM3 DEM和GTOPO30数据有明显的提高。ASTER GDEM有两个版本，第一个版本（V1）于2009年6月发布，第二个版本（V2）于2011年10月发布。V2比V1，数据在水域覆盖和偏差去除等方面有了进一步的进展，数据的质量得到了很大的提高。对SRTM3与ASTER进行对比，效果见下图。可明显看出，ASTER在细节上比SRTM3要丰富很多。

图1 区域表面模型对比图

放大到局部区域，生成等高线，如图2所示。

图2 SRTM3等高线生成

图3 ASTER等高线生成

宏观上看，可以发现，同样是2m线间距等高线，SRTM3细节很差，只能总体反应山势，而很多小陡崖都已经被忽略掉。再放大看看细节：

图4 SRTM3等高线细节

图5 ASTER等高线细节

由此可以明确看出，SRTM3可以作为宏观地形地貌的参考，但并不能满足大比例尺制图需求，细节丢失严重。

鉴于ASTER GDEM数据是目前世界上取点网度最密，精确度最高并由先进的空间热发射和反射无线电仪 表（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radio meter）传感器搜集的立体像对数据制作而成，所以，在不能实地测量的情况下，利用该数据绘制地形图是最好的也是唯一的选择。下面便将绘制的步骤叙述如下：

（1）利用global mapper软件做UTM坐标系统地形图

1，首先打开global mapper，选择connect to online data并点击，（为作图方便，也可以打开事先下载存盘好了的ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30m”（AW3D30）表面模型数据），弹出窗口如下图：

在“选择数据源（Select Data Source）”栏目下选择“ASTER GDEM v2Worldwide Elevation Data[1.5-arc-second Resolution”，再到下面的“选择区域内经纬度 边 界（Specify latitude/longitude bounds of area）”栏目下填上东西南北四个方向的经纬度边界，按“Connect（连接）”后即可慢慢地呈现出该区域的表面模型图（Surface Model drawing）如图6。

图6 软件操作截图

为了能准确地圈出所要制作的地形图的边界范围，先得通过“Create point/text feature”将四个范围角点上图。然后再点“Analysis（分析）”-“Generate contours（from terrains grid）（生成轮廓(从地形网格)）”，在圈画好地形范围、设置好地形等高线间距等参数后，即可自动绘制出地形等高线，完成地形图的绘制（如图7）。但该地形图是经纬坐标或MERCAT（墨卡托坐标系统），为方便下一步转换成西安80或中国大地2000坐标系统，到这一步后，就必须将已知矿区的西安80坐标数据先通过COORDzdzh软件转换成同系统经纬坐标（对同一坐标系统，平面直角—经纬坐标间的转换在投影中心经度和所在纬度正确的情况下，是准确的）。

图7 软件操作截图

为了利用Global mapper软件将其WGS84经纬坐标地形图转换成WGS84-UTM坐标系统时，连同矿权拐点坐标一并转换过来，因此，在进行转换之前就必须将矿权拐点事先用其经纬值上图，并圈连出矿权界线，如下图8：

图8 软件操作截图3

图8 软件操作截图4

将经纬坐标地形图进一步转换成WGS84-UTM直角坐标系统（因为该系统和我国的坐标系统X，Y坐标值最接近，更利于下一步转换到西安80系统）步骤如下：

由MERCAT（墨卡托坐标系统）或GEO（WGS84）系统—WGS84-UTM直角坐标系统可通过点击“Tools（ 工 具 ）”-“Configure（ 设 置 ）”-“Projection（ 投 影 ）”，将“Projection”栏下的“Mercater”或“Geographic”用“UTM”取代，在“Datum（基准）”栏下填上“WGS84”，“Planar units（平面单位）”栏下填上“Meters（米）”后，按“OK（确定）”即可转换成WGS84-UTM坐标系统（注意图片8最底下的坐标数据已由MERCAT或Geo（WGS84）变成了UTM48N（WGS84），坐标数据都已经换过来了）。

完成这一步之后，如果想让表面模型图和等高线地形图看起来更逼真、更直观，还可通过“File（文件）”-“Rectify（Georeference）imagery（校正图像）”将卫星影像照片校正在该表面影像图上（也可以用SURPAC软件在表面模型图上贴上卫星影像实景图，因操作方法比较繁琐，此处不再详述该方法），效果如下图9：

图9 软件操作截图5

从图片最下边显示的数据看，上图的坐标已经是UTM（WGS84）平面直角坐标系统，将两图对比来看，图8较图7在南北方向明显拉长了。

（2）将UTM（WGS84）平面直角坐标地形图转换成AUTOCAD的＊.dwg格式图

将Global mapper上已做好的图通过“文件（File）”—“输出（export）”—“输出矢量格式（export vector）”，可将上图转换成＊.dwg格式图,即可以用OutoCAD软件打开（如下图10），保存此＊.dwg图以备用。

图10 CAD软件操作＊.dwg格式图截图（6）

三，将＊.dwg图用SURPAC制图软件转换成＊.str线文件，再利用两个关键点进行坐标系统间的转换校正，达到将UTM坐标系统图转换成我们所需要的西安80坐标系统图。

从前面所作的UTM平面坐标系统的地形图上可以很容易地量取矿权范围的UTM系统拐点坐标值，数据如下：

1,418408.6842,4028829.9898

2,419032.4346,4028829.9883

3,418948.6445,4027830.4085

4,417949.0414,4027830.3925

5,418107.1999,4028357.6292

6,418360.1464,4028580.5330

将以上各点UTM坐标数据保存好，以备下一步转换之用。

“以管理员身份运行”SURPAC软件，打开界面后，依次点：文件—转换，将＊.dwg图转换成＊.str线文件，如图11。然后，再打开菜单栏中的“线文件工具”—“转换”—“线文件2D转换”，在如图12的弹窗中将任意两个点的UTM坐标和西安80坐标分别输入“旧的点”和“新的点”栏目下（这里选择了点1和点3，可对照坐标数据），转换出来的线文件以另一个文件名保存，为了对比转换前后两个图之间的差别，将两个文件可在同一界面同时打开，如下图12。

图11 SURPAC软件操作＊.str格式文件截图7

图11 SURPAC软件操作过程截图（7）

图12 SURPAC软件操作截图（8）

至此，整个转换工作已全部完成了，查询几个矿权拐点的“点属性”，其坐标值和矿权许可证上的数据是一致的，虽然存在一点点小误差，但都是小数点后两、三位了，完全可满足精度要求。列表如下：

所存在的误差应当是几个软件、几次转换的累积。

2 该方法的实用性总结

以上方法是在只知道一个矿区的矿权范围拐点坐标，其他数据一无所知的情况下，要求做出矿区坐标对应坐标系统地形图所采取的方法。之所以要写出来，是因为我们所能见到的所有的坐标系统转换软件以及所有的制图软件，没有一个能在不知道坐标转换参数的情况下准确无误地跨系统转换出所要的坐标；另外，到目前为止，没有一个非军用DTM数 据 比 此ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30m”（AW3D30）表面模型数据测量网度更密，精度更高的三维坐标数据可供利用；该方法所作地形图在地形较平缓，切割不严重，没有悬崖峭壁的区域内是基本准确的，在条件具备的情况下，还可在此基础上对个别点，个别地段做补充测绘，做进一步的完善，可节省大量的时间和工作量，使测绘工作变得简单而轻松。上面是以西安80坐标为例来讲的，对北京54或国家2000大地坐标系统同样适用。