卫星影像图与矢量图叠加、配准技术在工程实施中的应用

卫星影像图与矢量图叠加、配准技术在工程实施中的应用

金鹏飞,孟杨杨

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710000

摘要：工程上常用的电子版Dwg、Dxf等格式的地形图属于矢量图，是由常用的CAD、CASS、天正等制图软件绘制而成，具有精度高、适用性强、无限放大不模糊的效果，相比以往大平板徒手绘制的地形图在技术上具有着革命性的进步。但是矢量图因专业度深、图形抽象，难以像影像图那样表达出色彩鲜明、层次丰富的逼真实景效果。卫星影像图属于标量图，虽可以形象直观的展现出实景面貌，却因难以进行数字化信息编辑而不能单独在工程建设中发挥更大的使用价值。卫星影像图与矢量图的结合应用可以解决影像图难以进行数据信息编辑和矢量图的不直观的问题。经在丽江市玉龙县红岩水库加固扩建工程（灌区工程）项目中实际应用验证，该技术适合所有建设项目工程使用，尤其在涉及用地范围大、线路长、地形复杂的线性工程项目中更为适用。具有表现力强、形象、直观、易懂等诸多优点，同时在减少测量内、外业工作量，节约人工成本，利于施工组织设计、规划、实施的开展，提高工作效率等方面有着一定的积极意义。

关键词：矢量图、CAD、影像图、Bigemap、投影、坐标系、叠加、配准。

1.引言：

丽江市玉龙县红岩水库加固扩建工程（灌区工程）项目（下文简称：红岩水库项目）属于引水管线工程项目，线路长达43公里。全线地处深山原始林区，远离人烟。线路翻山越岭、迂回蜿蜒、所经部分地区地势条件极为险要。正是因为恶劣的地理环境和前期勘察设计有限的资金预算，线路在踏勘选线设计初期，测量人员只沿70年代初期人工开凿的饮水沟渠线路进行了测量定线，对线路周边地形采点极为有限，无法绘制出具体的地形地貌。项目总平面图唯有平面线路可供展示（如图.1），内容过于单一，无法表达出项目所处地形环境的面貌，而在卫星影像图上又无法展现出拟建项目工程面貌。以上这两种图形的精确结合便能直观清晰的表达出工程线路与周围地物地貌环境的相对位置和关系，从而对施工现场整体规划、布置、安排、实施提供更为准确的参照和依据。以Bigemap软件为例，就矢量图与影像图如何精确的叠加、配准，以及叠加、配准后在工程中的应用效果和意义是下文表达的主旨。

图.1

2.卫星影像图与矢量图的叠加、配准方法

实现卫星影像图与矢量地形图叠加使用，最关键是要解决两图内容的配准问题。下面就CAD和Bigemap软件对实现俩图叠加配准的应用方法进行叙述。

首先，确保电脑已安装CAD常规制图软件，同时进入Bigemap软件官网(http://www.bigemap.com/)针对该软件进行下载安装。目前，Bigemap软件已面向大众开放，所涉及的卫星地图的底图资源非常广，有目前主流的谷歌地图、百度地图、高德地图、天地图，必应地图等，同时也支持离线地图、行政地图、Arcgis、其他专题图，可按需求自行选择使用。

实现两图叠加，按用途和操作平台不同主要分俩种方法。即，将矢量图通过格式转换插入到Bigemap软件中进行叠加配准，完成叠加后的图纸可在Bigemap软件中显现和使用。同时，Bigemap软件可以对导入的矢量图进行再次编辑以及格式转换、坐标系转换。缺点是操作单一，不灵活，不适合内容编辑量很大的工作。优点首先是可根据需求不同而随意进行不同功能型底图的选择，内容展现更灵活；其次是可以通过俩图共有的特征点套合实现独立坐标系对已知坐标系的转换；再次是可以支持大多数常规制图软件之间的数据格式、图形格式转换、纠正和输出等；最后完成套合的图纸，在Bigemap手机端中实现展示和实时指引的功能。另外一种方法则是将选择好的影像图下载后，插入到常用的制图软件（例如：CAD、ArcGIS、3Dmax等）中进行叠加。优点是叠加后的内容二次编辑较为容易，适用内容编辑量较大的情形。缺点是底图更换相比不够灵活，无法配合手机使用。

2.1矢量地形图和卫星影像图在Bigema软件中的叠加配准。

这里主要以红岩水库项目为例，介绍最常用的CAD电子图叠加配准的方法。

首先，将常用的Dwg格式的矢量地形图在CAD软件中另存为DXF格式。再通过Bigemap打开预先另存的DXF数据文件。

2.1.1 矢量图在已知标准坐标系下的叠加、配准。

如果项目选用的坐标系是已知标准的坐标系（例如：北京54、西安80、国家2000），投影则为高斯投影。在选择了对应的坐标系和投影后，需要进行分度带或者中央子午线的填写，如涉及分度带或者中央子午线未知，可通过项目所在行政区域进行自动计算后（如图.2）填写、打开即可，俩图叠加配准完成。

图.2                               图.3

由于北京54和西安80坐标系属于国家保密坐标系，存在一个保密偏移参数。而且每个地域的参数都不一样，如果没有保密偏移参数，叠加后的矢量数据和影像图存在一定的偏差，这时需要进行小范围的套合、精确配准工作（如图.6），方法和步骤在后文2.1.3有叙述。

2.1.2矢量图数据在地方独立坐标系下的叠加、配准。

如果项目选用的坐标系是地方独立坐标系，例如如红岩水库项目测绘数据运用的cors站系统所测得，坐标系是参照常用的CGCS2000坐标系建立的独立坐标系。设站时设置的投影为横轴-墨卡托，中央经线是99°（同样可根据工程项目所在行政区域进行查询所得）按照实际数据选择、填写即可。更多参数里面的东加常数、北加常数、纬度原点、长度比（如图.3）需要参照RTK坐标系投影设置时的信息填写。红岩水库项目工程矢量平面图在测设时，坐标系投影参数设置时延用了默认数值未进行更改，在这里也不用更改，随即打开即可（如图.4）。

图.4

如打开发现在云图上展现的图形位置明显与实际位置严重不符，则说明了，独立坐标系在平面设置时增加了4参数进行了平面位置调整。在该种情况下就不可直接选择既有的坐标系。首先需要选择自定义一个地方坐标系（如图.5），在自定义过程中参照基准坐标系按照实际情况选择，投影设置需要和上面步骤一样，数值有变化就按测量设备设置的填，如果没有变化就维持默认数值。另外需要在四参数栏对照测量设备所设置的数据进行填写后，确定保存即可。最后在坐标系的选择过程中直接选择刚才所添加的地方坐标系即可。在矢量图数据导入前会再次展现所添加的地方坐标系四参数数值，确认无误保持参数转换勾选状态后打开，完成叠加和配准的图形便会展现出来。其中涉及XY坐标互换的情况是只针对来自于南方CASS的数据源，如果不是不需要勾选。

图.5

2.1.3矢量图数据在未知信息情况下的叠加、套合、配准。

以上情况完成矢量图在影像图上的叠加、配准均需要在坐标系、投影信息、平面偏移信息等基本信息已知的情况下进行。如在此类信息未知的部分情况下，也能实现矢量图与影像图的叠加。首先在打开Dxf矢量数据文件后选择墨卡托投影WGS84坐标系直接叠加，不需要输入分度带或者中央子午线。叠加后的矢量图形与影像图有非常大位置偏移。此时首先需要将矢量图整体移动到项目工程建设所在地大致范围，然后通过矢量图与影像图共有的任意两个特征点进行套合（如图.6）。两点套合过程中就伴随这矢量图的再次移动、缩放和旋转。套合动作完成后，矢量图在卫星图上叠加也就完成了。该种情况需要矢量数据上的特征点同时存在于影像图中，而且至少有2个点，且相聚越远越好，否则不适用。例如，在红岩水库工程项目矢量图中没有任何与影像图共有的特征点，只有一条设计线路，无任何参照可用，无法使用。

图.6

2.1.4完成叠加、配准后可实现的使用功能和注意事项。

经过以上工作，矢量图已经在影像图上完成叠加、配准，拖动鼠标滚轮即可实现俩图同比例缩放。在图上还可以进行文字以及简单图形信息的标注、编辑、保存。保存后的文件默认.bmv格式，也可另存为其他格式。保存后的文件坐标系已经默认转化为WGS 84坐标系，再次打开无需进行坐标系、中央子午线、投影等信息的设置。在编辑后，连同新标注的信息，也可以另存回原有坐标系下的Dxf格式矢量图。同时也可根据需求变换其他已知常用坐标系。另外，在卫星底图选择方面尽量选择天地图、高清无偏移卫星图、星图地球、Arcgis、Mapbox、必应地图。这几种底图与Bigemap所基于的坐标系（WGS 84）精准套合，基本无偏差。如选择其他底图会有偏离的情况，且清晰度差。另外部分公司推出的影像图底图在敏感位置有屏蔽遮挡，无法使用。

2.2卫星影像图插入矢量图中：

2.2.1卫星影像图下载

首先，打开Bigemap软件，选择适合的底图。建议选择高清无偏移卫星图，该底图可视级别最高可达到24级，比例尺可达到1：31，非常清晰。其他底图可视级别均在19级以下，最大比例尺为1：1006。还有部分影像底图不支持敏感范围带的下载。例如：红岩水库项目所在国家安全敏感位置，在腾讯、搜狗、百度、高德等市场普及率较高的影像图中，可视等级低于16，有些甚至完全不可见。

然后，在卫星影像图上框选所需要的大概范围，双击进入下载界面（如图.7），选择好需要的清晰度开始下载任务。注意下载路径以及下载文件名称，以免下载后的影像图找不到。另外，值得注意的是下载界面的“叠加标注图层”勾选框。勾选后所下载的影像图同时包含叠加、编辑后的矢量图内容。由于在这里下载影像图是要插入CAD软件中叠加使用的，在这里如已加载了矢量图不勾选即可。否则在CAD软件中叠加后将会出现重影，或者遮挡影像图内容。

图.7

2.2.2已下载的卫星影像图进行坐标系、投影转换

下载好的影像图需要进行坐标系、投影的转换（如下图.8）。源文件选择已经下载好的卫星影像图（图片格式），源坐标系即所下载卫星影像图所基于的坐标系，这个坐标系便是Bigemap影像运行环境所基于的WGS84坐标系，无法更改。输出文件便是坐标系、投影转换后的影像图文件，注意文件名和保存路径即可。目标坐标系的选择设置与在影像图上打开矢量数据时的情况一样（如图.2、图.3），按矢量图基于的数据选择以及设置即可。如矢量数据基于的坐标系是独立坐标系选择已添加的独立坐标系（如图.9）。独立坐标系的添加方法在上文2.1.2已经介绍，在这里不再重复。

图.8                                             图9

2.2.3在CAD中插入完成坐标系、投影转换的卫星影像图

影像图完成坐标系、投影等转换后，会在目标路径生成一个文件夹（系统默认的是下载影像图源文件的文件夹）。文件夹里面会出现三个名字相同、格式不同的文件。分别是转换后的图片格式的卫星影像图、Dxf文件、Txt格式的坐标信息文件。名称均为转换时，自行命名输出文件的名称。其中Dxf文件如果是2014以后的CAD版本软件可以直接打开，影像图已经按矢量图坐标信息完成插入。对于所有版本的CAD软件均可用的操作方式是，先行打开矢量图，然后通过点击插入光栅图像（如图.10）选择转换后的卫星影像图，进入插入点信息输入界面（如下图.11）。然后打开Txt格式的坐标信息文件，将左下角X、Y坐标数值填入插入点对应的X、Y信息栏。同时将实际宽度填入缩放比例栏后点击确定，卫星影像图已经在矢量图上对应的位置展现。最后将影像图在绘图次序上后置，矢量图已在影像图上叠加、配准完成。

当坐标系是无保密参数下的标准北京54或者西安80坐标时，转换后的影像图在矢量图中打开后，与矢量图仍存在一定的偏差。这种情况需要运用CAD命令工具对影像图进行两图公共特征点2点或以上进行平移、旋转、缩放来套合配准。

图.10                                       图.11

3.影像图与矢量图叠加配准应用的意义

本文主要通过例举红岩水库灌区工程项目的应用情况，进行分析影像图与矢量图叠加配准应用的意义。

首先，在影像图和矢量图叠加、配准后，影像图中色彩丰富、层次分明的图像内容弥补了原矢量图中的地形、地貌内容的缺失，增加了原矢量图的表现力。同时，通过相叠加可以直观的反应出设计图纸与实际环境之间冲突，从而更容易的检查出设计图纸中的错误。例如，通过叠加可以明显看出红岩水库项目沿线植被覆盖率以及地形大概起伏走势。另外发现临近标尾一段线路翻越山脊，高度超过调节水池高度。水头难以翻越，最终更改了管线线路。

其次，在影像图和矢量图叠加、配准后，通过影像图内容参照，可以看到工程线路与地域环境的位置关系，有利于对工程整体实施、规划和安排。例如，在红岩水库项目中，通过影像图中各种道路的走向线形与工程线路线形的关系，找到了共计8条离项目工程主线最近的可利用村道以及临时道路。有力利用既有道路资源，大大缩短了通往工程主线所需修筑的施工便道长度。一定程度上节约了成本和工期。另外，通过将各条便道沿着影像图显示的线路在矢量图上描绘保存，红岩水库工程项目被合理的分成可平行开展施工的五个区段。为整个工程实施规划和资源调配方案提供了依据。另外，两图叠加后展现的位置关系，为项目部和材料中转站的选址提供了指导和运距依据。

再次，Bigemap软件同时支持手机用户端。在电脑端和手机端可实现数据互传。影像图和矢量图叠加、配准后在手机上打开，持机可以随时看到自身位置与设计工程线路的关系。有利于项目前期现场踏勘工作的开展。同时在线性工程中，也有助于实施过程中的工程管理。例如，在红岩水库项目开工前，通过叠加、配准的矢量图与影像图的指导，结合手机定位，在现场沿设计线路进行了大致排查，对施工障碍信息进行了提前筛查。为了方便管理，红岩水库项目沿主干管线将所有结构物以及附属按设计位置在矢量图上标注，并将矢量图与影像图叠加配准的文件，分享全员使用。项目部任何人员持手机进入施工现场后便可以知道自己所在位置位于主干管线线路的里程桩号，以及该位置的管径、镇墩、闸阀井、水池等信息。便于管理人员进入现场对现场施工情况的检查和指导。同时能为对项目施工现场、进场道路不熟悉的人员精准进入目的施工部位提供地图引导。

最后，影像图插入CAD制图软件中与矢量图叠加后，便于设计人员对临建设置、加增构筑物的设计和调整。例如，在红岩水库项目中，200m³水池的设置、摆放、大小，以及取水坝的结构形状设计、位置调整都在叠加、配准后的图上开展。这样做便于设计图与现场实际地势环境相符合，设计工作可更快、更准，更具有可实施性。

另外，将矢量图与影像图结合在手机端作为地图导航使用，可作为林区活动的安全保障措施之一。例如，红岩水库项目地处深远林区，植被茂密，很多区段只看影像图无法找到通往下山的道路。提前将道路线形上图后与工程主线矢量图一同叠加在卫星影像图上，结合手机定位功能，即便单人在林区脱离施工主线和道路，也能通过手机端相对位置的显示，自行返回道路或者施工主线，避免发生因道路迷失而被困。

4.结论

影像图与矢量图叠加配准应用，价值主要体现在拟建工程与周边环境的位置关系的展示，为单纯矢量图提供参照环境，方便工程人的理解和记忆，更方便于工程施工组织设计、实施等工作。影像图与矢量图叠加配准应用技术适用各种建设项目工程。尤其在工程占地跨度较大的线性工程中比较适用。如：管线工程、公路工程、铁路工程、引水工程等。对减少测量内、外业工作量，提高工作效率，降低工程成本，方便施工策划与实施有一定的意义。

5.参考文献

1.《Bigemap软件使用教程》

2.《CGCS2000坐标系和 WGS84 坐标系的区别联系》

3.《地理坐标系统和投影变换基础知识》