测量控制数据可视化管理与应用系统开发
时间：2023-03-02 23:20:03 来源：千叶帆 本文已影响人
剧成宇，师艳，高首都，孙步阳，张俊鹏
(1.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007；
2.河南地矿职业学院，河南 郑州 450007)
伴随测绘地理信息生产部门生产项目的不断累积，测量控制数据的数量和分布的范围也在不断增多。近年来由于测绘地理信息技术的飞速发展，这类数据数的数量也呈指数级别增长。测量控制数据是测绘地理信息行业的基础数据，对测绘地理信息项目有着至关重要的作用，因此从行业现状和行业需求等角度出发，对测量控制数据进行管理应用是必然要求。目前国内外学者对该领域都有了一些研究，但均未涉及可视化管理和坐标系统转换及KML数据交换的应用上。贺爱民[1]开发了控制点管理系统，未实现可视化和KML交换文件等功能。杨晓彤[2]开发的控制数据系统，实现了管理和一些应用功能，但均基于谷歌地图API，已不符合目前行业发展需求[3]。
GDAL(Geospatial Data Abstraction Library，地理空间数据抽象库)是一个在X/MIT许可协议下对空间数据进行转换的开源类库，提供对多种栅格数据和矢量数据格式的读写支持，提供空间参考以及坐标转换的支持[4，5]。KML(Keyhole Markup Language，Keyhole标记语言)是一种基于XML语法与格式、用于描述和保存地理信息的编码规范。为实现控制测量数据的可视化管理和坐标转换应用，本文基于GDAL开发了一个测量控制数据可视化管理与应用系统，实现了坐标系统转换关系求取，同时支持KML数据交换文件的交互式操作。不仅实现了传统意义上的控制点成果管理系统功能，同时基于地图切片和KML数据交换文件对控制点的可视化管理和深度应用功能进行了开发，取得了一定的成果。
测量控制数据的内容包括以下内容：
①各种椭球基准的坐标数据；
②控制点点之记文档；
③控制点信息，包含工程负责人、概略经纬度、坐标系统信息等。
系统整体架构基于GDAL类库进行开发，实现测量控制数据可视化管理、坐标系统转换和KML数据文件的交互式操作[5]。系统开发的关键是基于GDAL的本地栅格和矢量数据处理、控制数据加密处理、坐标转换和数据交换功能。
系统总体设计如图1所示：
图1 系统总体设计方案
3.1 数据管理
(1)可视化管理
系统采用C/S结构开发，引入GDAL类库对卫星影像栅格数据和矢量数据(公开的行政界线和路网数据)进行处理，实现数据管理的可视化界面[6]。系统运行时为本地单机版运行，同时将控制数据的坐标转换至火星坐标系(GCJ-02)，在可视化管理的基础上保证了数据的安全，如图2所示。
图2 控制数据可视化管理
(2)数据加密
将已有的测量控制数据通过DES(Data Encryption Standard，数据加密标准)加密算法进行加密，并处理为二进制格式文件，确保控制数据的安全性；
同时在系统中使用DES解密算法对数据进行解密，保证在系统中取得相应权限的用户可以获取控制数据的详细信息[7]。
(3)数据交换
通过调用GDAL接口和使用KML数据交换功能，将控制数据以标注形式显示在可视化界面上，鼠标单击时显示标注信息窗口，向用户显示该控制点的属性信息。
(4)数据库管理
系统开发了控制数据更新和检测功能，可实现控制数据的实时更新，同时在更新时进行数据合法性检查，保证录入数据库的数据的正确性。
系统开发了控制数据查询下载功能(图3、图4)，用户可根据控制点的点号、投影带、距离范围以及人员、工程属地等属性进行数据查询，当取得下载权限之后可将查询到的数据下载，为了保证数据的安全性，并结合工程生产实际，将单次控制数据的下载数量限制为10个。
图3 数据查询
图4 数据下载
3.2 数据应用
(1)坐标系统转换
本系统的数据管理功能将测量控制数据以标注的形式显示在可视化界面中，用户将待求点导入可视化界面，根据控制点和待求点的空间位置关系选择坐标转换的控制点，实现转换结果的最优解[8，9]。坐标转换控制点选取的操作如图5所示。
图5 基于可视化界面的坐标转换控制点选取
本系统提供的坐标转换类型有：
①不同椭球基准的平面坐标系统转换(四参数)；
②不同椭球基准的大地坐标和平面坐标转换(七参数)；
③使用数据交换文件进行坐标转换(四参数和七参数)
④高斯正反算；
⑤高斯投影换带计算。
①和②需要使用控制数据首先计算坐标转换参数，使用的控制数据就是上一步在可视化界面中依据空间关系选取的[8]。
③中的KML文件指的是带有工地校准功能的测量软件生成的KML文件，该文件中包括各个点的工地校准所使用的两套坐标，可以作为该区域进行坐标转换的控制数据，但在使用该功能之前，应明确KML覆盖区域和待求点的相对空间关系。
①、②和③提供的坐标转换功能中涉及高程拟合时均采用顾及了空间相关性的克里格插值算法，可获得较高精度的坐标转换关系。
④和⑤是根据用户需求，结合高斯正反算算法进行地理坐标和投影坐标的相互转换。
上述坐标系统功能输出的结果文件信息包括：控制数据、坐标转换种类、转换残差、校测误差、源坐标、转换结果和KML文件等。
(2)KML数据交换
KML文件给测绘地理信息行业的内外业工作带来了极大的便利，尤其在外业工作中结合导航电子设备可最大限度地发挥该文件类型的优势。KML文件支持质心坐标系，使用2000国家大地坐标系可满足测量外业工作需求。
本文通过研究KML文件的编码规则和文件格式，在系统中实现了KML文件的生成，从KML文件中提取路径和标注等图元类型，提取坐标等功能。
KML文件生成功能的导入数据的坐标系统应为WGS84坐标系或者2000国家大地坐标系。
KML文件生成功能提供了路径和标注点两种KML文件的功能，输入数据为各个节点的质心坐标系的地理坐标。如图6所示，其中标注是将输入的点制作为单个的标注点，路径是将输入点按照输入顺序连接成一条路径，同时二者也可结合，给用户提供了个性化的操作功能。
图6 KML文件生成
KML文件提取功能是从KML文件中提取出标注和路径等图元信息，同时提取出图元类型对应的坐标信息。
本系统提供的测绘控制数据管理应用系统是基于中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司实际生产情况开发的，为中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司的勘测设计工作服务，提供的功能在勘测设计可行性研究、初步设计和施工图及竣工图等阶段都起到了重要的作用。
在电力工程勘测设计的可行性研究和初步设计阶段，工作人员在三维地理信息系统中进行站址和路径规划，使用本系统的坐标转换功能可将规划设计数据与国土等部门的数据进行衔接，减少了重复工作，提升了设计工作效率。
在新能源工程中，前期大区域规划工作中涉及多个部门不同时期、不同类型、不同坐标系统的数据和图件，需要使用本系统提供控制数据，将上述数据整合到同一坐标系统的同一张图上，为后续的各项工作奠定了坚实的基础。同时在新能源项目的各个设计阶段，涉及多次各种类型的坐标转换，本系统提供的功能均可满足要求。
测绘控制数据管理应用系统基于GDAL库进行可视化数据管理，为了数据安全，对数据进行加密和解密编码，同时提供了坐标转换和KML文件交互操作功能。
系统的可视化功能采用本地栅格和矢量数据作为底图，无须接入互联网电子地图，保证数据安全的同时也增强了系统的适用性和稳定性。
系统在工程勘测设计的各个阶段可提供多种测绘地理信息专业服务，实现了测绘控制数据管理的同时，也实现了数据的深化应用，提升了测绘地理信息专业在工程勘测设计领域的技术水平和工作深度。
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