姜宇榕 周霞 刘彦文
摘 要 以中三角地区为研究对象，首先对导航辅助下进行外业影像校正控制点采集的方法进行了阐述，在中三角DEM和影像数据校正处理中进行了验证，控制点采集的效率相对于传统外业采集方法有明显提高。其次利用超图软件对大数据量的影像、DEM数据缓存切片及时响应的处理方法，探索了大数据支持下中三角三维旅游地图的制作。实验证明超图软件以切片缓存的方式很好地解决了大数据量与用户需求及时响应的瓶颈。
关键词 控制点；三维地图；导航；DEM缓存；影像缓存
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0149-04
地理信息系统（GIS）技术正处于一个重要的发展时期，新概念和新产品层出不穷。在需求与市场的双重推动下，结合地理信息系统在各行业应用的优势，其发展一度达到了飞速的地步，技术进展主要表现在网格GIS、开源GIS、组件GIS、WebGIS、移动GIS等方面[1-4]。众所周知，对于任何类型的GIS，数据始终是其核心，随着需求的精细程度不断提高，GIS要面对更大量数据的处理与响应，如李清泉等提出的大数据GIS中的5V特性，Volume（体量大）：大量TB级以上已有的数据等待处理；Velocity（速度快）：需要响应以s甚至ms计的流数据不断产生；Variety（模态多样）：数据来源和类型繁多；Veracity（真伪难辨）：指数据的不确定性；Value（价值）：大数据的终极目标在于从数据中挖掘价值[ 5 ]。上述GIS研究的热点，在实际应用时多方面热点往往交织在一起显示出GIS
在新时代下的再一次的巨大应用潜力，比如将网络GIS与三维GIS结合在一起，用户只需借助简单的浏览器即可欣赏城市三维地图，并可以进行简单的查询与分析。此外，GIS又与RS、GPS紧密联系在一起，比如RS的影像数据，通过GPS采点校正控制处理后，可以在GIS中进一步分析处理。本文探索在影像传统控制点采集的基础之上，通过手持GPS导航进行控制点采集的方法，并利用处理结果制作中三角地区的三维旅游图。
1 航片野外控制点的导航采集
传统方法由野外实地测量获取GIS数据的效率较为低下，随着测绘技术的不断进展，利用航片获取4D数据已渐成趋势。由于成本等原因，小范围小型无人机作业航片校正所依赖的外业控制点往往还是人工获取。理论上航拍前应该在地面布置能在航片上可见的如小红旗之类的标志物，便于后期辨别采集相应控制点。但实际实施时，往往由于各种原因，而不乏采取先拍摄，后直接在影像上找寻特征点作为控制点的方法。如本文作业时在影像上找寻的控制点如图1所示。
此种方法作业的优势在于不需要拍摄前在实地标定控制点，拍摄不受地面控制点测量进度的影响，航片上控制选点较为灵活。但不足之处也较为明显，因为作业区域对控制点采集人员而言往往不熟悉，在航片上选择的控制点在实地找寻时由于对当地不熟悉，往往需要花费大量的时间。
本文曾作过试验，如果利用Google Earth影像高倍放大后帮忙实地辨别方位，其效率非常低下，约为实际控制点采集所需时间的3～5倍左右。为此，本文提出基于手持GPS导航找寻相应控制点的办法，技术路线如图2所示。
手持GPS导航寻找相应控制点大体的做法是先利用已有的矢量数据获得航片上标定的控制点的坐标信息，再利用影像作为底图数据，将其分割后导入手持GPS当中，同时导入矢量标定的控制点信息、规划好的外业控制点测量最短的路径数据。外业实际作业时，实测人员不需要熟悉当地方位，直接依据手持机的导航指南，可以迅速到达航片上标定的控制点处。其误差依赖与手持机的标称精度与有无相应WGS-84坐标和作业所采用的大地坐标转之间的转换信息。
本文三维地图制作过程中由于采用了二者转换高精度的七参数信息，所以误差在1m～2m以内，即相当于开车测量控制点时，可以直接到达控制点上，以70～80个分布于5～6个乡镇的控制点信息采集为例，作业时间可以压缩近60%，可以极大提高传统控制点采集的效率。
2 单机版数字制图选题实例
“中三角”即“长江中游城市集群”，是以武汉、长沙、南昌为核心，组合沿长江、环洞庭湖、环鄱阳湖的武汉城市圈、长株潭城市群，通过整体规划和集成，形成跨省域的经济一体化城市集群。其所在的三省旅游资源十分丰富，有以一江两湖为代表的水域景观，以庐山、三清山、张家界为代表的山岳景观，以武当山、龙虎山、衡山为代表的宗教朝圣景观，以黄鹤楼、滕王阁、岳阳楼为代表的江南名楼景观，以南昌、瑞金、井冈山、红安、韶山为代表的红色革命史迹景观，代表性景点如图3。
本文在SuperMap软件的支持下，选取中三角地区为研究对象，以旅游为主题，运用传统方法和导航寻找控制点辅助校正后的DEM和遥感影像数据，在SuperMap的支持下，探索大数据量制作三维旅游地图的方法。
3 数据介绍
大数据量一直是用户需求与软件及时响应之间的一对矛盾，实例中的大数据最主要的是空间数据，包括DEM数据、卫星影像数据以及其他地图数据等。从国际科学数据平台（http：//datamirror. csdb.cn/index.jsp）数据检索栏目输入经纬度坐标后查询下载中三角DEM数据，共168幅，每幅范围3601×3601像素（1°×1°，1"分辨率，约30m）。从Google Earth上下载12-16级中三角遥感影像数据，选用数据共3G左右，详见表1。另外，还搜集到一些旅游景区的风景图片、旅游线路数据等。
4 数据处理
地图导入超图软件导入进来的栅格数据是没有空间位置的，为了对导入的栅格数据赋予实际地物空间的位置，需要对其进行配准，对栅格图进行坐标和投影的校正，以使得其坐标准确。同时配准也可以纠正扫描时由于各种因素引起的图形变形。打开 SuperMap deskpro软件，右击工作空间中的“数据源”，选择“新建数据源”，新建一个新的名为“中三角”的数据源。右击“中三角”， 在弹出的列表中，选择“导入数据集”选项，导入所需数据。在弹出的“数据导入”对话框中，点击“添加文件”按钮，在弹出的“打开”对话框中选择“湖北省地图”文件，“湖北省地图”导入到数据源中。
地图配准。超图软件配准过程如图4所示。右键单击底图→属性，选择“投影信息”，点击“重新设定投影”，在弹出的对话框中选择所需要的经纬度坐标系统（底图为北京80 坐标系下高斯克吕格投影，所以要统一坐标系）点击确定。选取相距较远的多个具有代表性地物（如道路交叉路口），在 Google Earth 找到相应点地理坐标，并且记下此坐标数据。
将 Google Earth 上获取的控制点对应大地坐标信息解算有两种方式，一是通过前述的导航寻找外业控制点实测的方法获取，前文已有叙述；二是手动或运用坐标转换软件进行处理。具体操作是通过某点的经度，计算出相应的中央子午线、投影代号，利用坐标点转化工具，选择大地坐标系转换成平面坐标系，通过输入该点的纬度（B）、经度（L）、海拔（H）以及坐标转换下拉列表中的投影设置中的中央子午线数值，就可以转换坐标。利用转换好的控制点坐标对，在超图软件中对湖南、湖北、江西三个省的数据进行配准。
数据分层。中三角旅游地图涵盖了各种不同类型的地理要素，因此在进行矢量化之前，先要对不同地理要素进行合理分层，对各数据集的表结构进行设定。以方便底图的矢量化以及后期对数据的处理。本次在超图中建立了中三角一个数据源，包括了点、线、面、文本数据集。
地图矢量化与图层风格设置。为了使遥感影像上的地图信息更为丰富与准确，需要对部分数据进行矢量化，以更于后期叠置到影像上显示，如水系、铁路、主要行政驻地等。在矢量化之后，为了达到制图的要求并达到美观的效果，要根据具体数据的需要进行风格设置。由于软件自带的符号库有限，故往往需要自己设计符号。如本文对线状符号的制作，具体操作步骤为：工具→符号库→编辑符号库→新建符号→绘制符号→编辑符号信息→保存符号。此外，对于其他点图层的风格设置，还可以通过设计并导入符号数据文件，例如中三角旅游地图在绘制过程中添加了风景图片，就是利用网络下载的图片进行处理后导入进去，再进行风格设置的。
5 大数据切片缓存与结果展示
数据处理与地图制作过程中，体验了对大数据量的处理与应用，如对海量DEM数据镶嵌配准裁剪以及对其中异常点的剔除、影像海量数据的处理等。对于大数据的响应，不同的软件有不同的处理方式，超图软件以切片缓存的方式很好的解决了大数据量与用户需求及时相应的瓶颈。切片响应的处理方式一般见于对影像图片的处理，如Google影像等，为了提高数据传输的效率，其采用Web Mercator投影将全球数据分级切片，但对于DEM数据，由于其数据量非常庞大，如何及时传输、及时响应用户地图展示的需要，仍需要深入研究。超图在此方面实现了类似的切片缓存处理并在软件当中将其实现，即将DEM也分割为小片，以四角坐标将其显示时于以拼接，其对硬件的需求可以满足普通用户的支撑能力。在SuperMap软件中，DEM和遥感影像分别生成场景缓存和影像缓存，浏览时一起加载，使得中三角三维场景能够立体出现，贴近实际。本文在地图配准中对于大数据DEM选取了近百个配准点，以保证配准效果的准确性。
中三角旅游图借助SuperMap、Photoshop等软件，最终制作出中三角发展历程图、中三角三维旅游地图、中三角卫星影像图等。各项地图清晰展示了“中三角”旅游魅力，吸引广大游客的关注，为观光游客的旅行提供了极大的便利。景点名称与图片并存，交通路线也给游客提供更多路线的选择，二三维结合给游客不一样的视觉感受，游客可以借此从多方面、多角度认识中三角、了解中三角，制图部分结果如图5所示。
6 数据分析
中三角三维地图在联想扬天电脑上进行了测试，在没有加载地形缓存数据时，其运行相对流畅，加载了地形数据之后，响应速度有明显变化，其单机版响应效果内部测试用户满意度估计约为0.7。这一结果相对于作者此前未利用缓存技术的响应效果而言，已经有了质的变化，未利用缓存时，湖北、湖南、江西3个省份的DEM、影像同时显示，同样配置的机器，卡机现象非常明显，单机版尚且如此，基于网络技术的移动版就更难。在GIS领域，随着高分辨率卫星、航测技术和激光雷达技术的应用不断深入，越来越多关于这个世界的细节信息被挖掘和保存到硬盘上。为了解决大数据及时响应的瓶颈，使用分布式切片处理DEM、影像等数据是一个最简单的选择。
参考文献
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