一種全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法與流程

2023-09-23 02:12:47

1.本發明屬於地理信息技術領域，具體涉及一種全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法。


背景技術：

2.地理信息技術的發展逐步實現了空間數據的一張圖管理以及面向各行業提供地理信息數據服務和平臺服務。目前常用的應用方式是在專業軟體中開發地理信息數據服務調用功能或在gis平臺中開發專業應用功能。在專業軟體中組織調度和使用地理信息數據服務，需解決海量數據組織調度、多圖層數據管理、地理坐標系轉換、圖形可視化表達、圖形渲染和內存優化等底層技術，此類技術在gis軟體中已經解決並已形成規範，但在專業軟體中需重新開發，除了存在難度大的問題外，還存在專業軟體的兼容性和接口是否支持等問題；此外還存在地理信息數據跨工程坐標系調用帶來的多套數據存儲和管理問題。在gis平臺中開發專業應用功能，需提前進行科學決策，開展大量技術驗證和可行性分析，評估技術可行性和投入產出比，對於大部分專業軟體該方式並不可行。以上問題制約了地理信息系統和地理信息數據在各行各業專業軟體中的應用，一方面應用代價高，另一方面應用難度大。


技術實現要素：

3.為了解決大範圍地理信息底圖在專業軟體中使用接口通用性差、操作複雜、重複工作量大的問題，本發明提供一種全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法。
4.為此，本發明採用以下技術方案：一種全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法，包括以下步驟：s1，cad軟體和地理信息軟體獨立配置：使用擴展模式設置計算機為雙屏模式，將顯示屏分成屏幕一和屏幕二；啟動cad軟體，在所述屏幕一全屏顯示；啟動3dgis軟體，在所述屏幕二全屏顯示；在3dgis軟體中使用cgcs2000大地坐標系集成基礎地理空間數據，配置圖層樣式，進行三維瀏覽；根據cad窗口採用的投影坐標系配置投影坐標系參數文件，準備好坐標系投影轉換方法或接口；s2，cad軟體與3dgis軟體單向通信，窗口同步：在cad軟體中加載通信插件發送端，實時捕捉cad主窗口矩形區域的投影坐標系坐標並發送給3dgis軟體；在3dgis軟體中加載通信插件接收端，實時接送和解析消息，獲得cad主窗口區域的坐標；根據投影坐標系參數將cad軟體的投影坐標轉換為大地坐標，將相機位置設置為矩形區域中心大地坐標，計算相機視場角和高度，實現3dgis軟體cad軟體視口同步；s3，基於內置插件的窗口圖像融合：基於opengl和directx技術編寫多窗口圖像融合內置插件，在3dgis和cad軟體中掛接內置插件，隨軟體啟動運行，將3dgis軟體3d圖形窗口設置為影像發送端，將cad軟體設
置為影像接收端，實時對兩個圖形窗口輸出的圖像進行gpu拷貝，在顯卡內做顯存共享；在共享顯存中，對發送端影像和接收端影像進行融合處理後替換接收端影像，在cad軟體圖形窗口中顯示融合後的影像，實現底圖替換；s4，計算投影變形精糾正模型參數：對所述發送端影像生成10*10規則格網，計算虛擬同名點在發送端和接收端影像像素坐標的對應關係，計算流程如下：計算流程如下：，由此獲得10*10格網曲面改正參數；s5，發送端影像幾何精糾正與配準：使用10*10格網曲面改正模型對發送端影像進行實時處理，替換步驟s3共享顯存中的所述發送端影像，實現發送端底圖與cad設計窗口高精度配準；s6，地理信息圖層、投影坐標系控制：在3dgis軟體中獨立操作添加、開關所需參考的地理信息圖層，cad設計窗口自動刷新底圖；當需要切換cad圖形窗口坐標系時，針對跨多個投影坐標系的底圖應用，啟動內置插件和3dgis軟體，自動完成地理信息底圖的坐標系轉換和底圖參考並支持釐米級和全球尺度高效率瀏覽；當需要根據地圖進行地理要素信息採集時，直接使用cad圖形繪製工具在底圖上繪製點、線、面要素。
[0005] s7，cad軟體設計底圖參考與數據採集應用：在cad軟體界面中參考gis軟體管理的多尺度空間數據，使用cad軟體既有功能，開展任意區域影像瀏覽、選線設計、地物採集等工作。
[0006]
其中，步驟s1包括以下子步驟：s11，將基礎地理空間數據和工程勘察資料均轉換為cgcs2000大地坐標系，通過地理信息數據發布平臺或共享存儲進行共享使用，使用3dgis桌面端軟體集成和瀏覽；所需的額外配置工作為配置項目中需使用到的投影坐標系參數，在3dgis中內置投影坐標系與大地坐標系轉換算法，支持實時坐標轉換；s12，使用基於ogc規範的wkt文本格式描述項目中用到的每一個工程坐標系參數，每個文件保存為一個.prj文件；在gis軟體桌面端進行二次開發，添加坐標系選擇對話框，根據選擇結果直接讀取當前配置的prj文件，調用gis平臺sdk接口進行工程坐標系與cgcs2000大地坐標的轉換計算；s13，gis軟體提供目標坐標系選擇界面，用戶通過界面設置完成目標坐標系的設置。
[0007]
步驟s2包括以下子步驟：s21，為cad主窗口添加窗口變化事件消息響應函數，函數體內調用cad軟體接口獲取窗口左上角和右下角坐標，將角點坐標轉換為字符串，並添加消息驗證標識碼，調用sendmessage方法外發消息；s22，為3dgis桌面端軟體添加windows消息響應函數wndproc的重載方法，對接收到的消息字符串前綴進行驗證，識別cad軟體發送來的窗口匹配消息，解析字符串獲取cad窗口兩角點平面投影坐標系坐標，計算窗口寬geowidth、高geoheight、地理方位角yaw；
s23，將兩角點坐標轉換為cgcs2000大地坐標，取中心點為相機平面坐標（camx,camy）；將相機置為俯視模式，視場角fov設置為極小值（1度以內）；根據視口地理範圍寬度geowidth和視場角，計算相機高度；計算相機方位角，其中yaw 為cad 窗口的地理方位角；為投影變換帶來的方位角偏角，需根據不同的投影方式選擇不同的計算方法，其中採用高斯投影時 ，procenterlon為工程坐標系的中央子午線經度；s24，根據以上計算結果設置相機參數（camx,camy,camz,geoyaw,fov），即可實現3dgis圖形窗口與cad主窗口實時聯動和視口範圍粗匹配。
[0008] 步驟s4的具體方法為：對3dgis軟體圖形窗口等間距生成10*10格網虛擬點，獲取窗口像素坐標集合 ；調用3dgis軟體api由 獲取大地坐標集合 ；根據前述坐標系參數配置和轉換方法，將大地坐標集合 轉換為工程坐標集合 ；根據cad主窗口四個角點的工程坐標系坐標和工程坐標集合 ，通過雙線性內插法獲得虛擬同名點在cad主窗口的像素坐標集合 ；由虛擬格網同名點對 求差值 ，建立平面格網曲線改正模型。
[0009] 步驟s5的具體方法為：使用平面格網曲線改正模型對原圖像（imagegis）進行逐點幾何糾正重採樣，將得到的新圖像（imagegismatched）作為融合前的底圖使用；在顯存中同步截取cad主窗口圖像（imagecad），將背景色區域置為透明色，逐像素遍歷圖像imagecad，將透明區域替換為 圖像imagegismatched，非透明區域保留原值，得到融合圖像（imagedra）後再進行圖像繪製，刷新cad主窗體區域。
[0010]
步驟s6包含以下分步驟：s61，修改坐標系：在3dgis桌面端軟體中，啟動定製開發的坐標系選擇對話框，選擇與cad主窗口坐標系匹配的坐標系參數後，3dgis窗口與cad主窗口重新匹配；s62，添加新參考圖層：在3dgis桌面端軟體中，通過添加數據服務或者本地文件方式，新增影像、地形和矢量圖層，使用3dgis桌面端軟體的重投影自動處理機制在cgcs2000橢球上顯示新數據圖層；cad主窗口底圖內容同步更新。
[0011]
步驟s7包含以下分步驟：s71，內業踏勘和選線：cad軟體中打開線路設計平面圖，啟動窗口融合功能，在線路設計圖下顯示gis參考底圖，各專業設計人員在cad軟體中瀏覽線路與周邊地物關係，快速掌握現場信息；線路設計人員根據底圖提供的信息，使用既有的cad線路設計工具進行線路的調整設計工作；s72，設計選址：設計人員在打開gis底圖的cad設計窗口開展選址設計，充分參考高清影像、地形等高線、交通水系、環保區和基本農田保護區數據，直接利用既有的cad設計和繪圖工具完成選址設計工作；s73，地物要素採集：勘察和設計人員使用cad點、線、面繪製工具，根據高解析度gis底圖，採集重要地物，快速完成局部地物要素和專題圖的採集任務。
[0012]
本發明改變了傳統的數據集成途徑，通過不同軟體窗口融合方式實現數據非接觸式融合應用。該方法使用3dgis軟體管理和瀏覽影像和地理矢量圖層，使用cad軟體進行專
業設計，通過開發插件和顯存捕捉、處理軟體，對兩個獨立軟體進行視窗區域的同步、精確匹配和圖像融合，達到在cad軟體中快速、便捷的調用地理信息底圖的效果。
[0013]
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：1. 本發明充分利用既有成果和專業軟體分工體系，將gis底圖完全交由測繪及地理信息專業人員和軟體進行組織管理，成果只需一次性發布，可在不同領域復用，節省了資源投入。
[0014] 2. 本發明解決了統一坐標系下的全球尺度地理信息數據跨投影坐標系使用的問題，在最後顯示環節進行坐標系轉換，並能根據預設的坐標系參數隨時切換目標坐標系，降低了地理信息數據使用的複雜度，提高了適用性。
[0015] 3. 本發明對既有gis軟體和cad軟體改造量小，未增加應用軟體的內存和cpu開銷，能支持全球尺度海量地理信息數據。
[0016] 4. 本發明能在不同系統和軟體之間數據隔離的前提下實現融合應用，確保了數據安全。
[0017] 5. 本發明的方法能直接用於現有的專業設計軟體，通過cad軟體調用三維影像和矢量底圖，實現設計過程對高解析度影像和專題圖層的瀏覽、幾何量測、設計參考和矢量採集；6. 該方法具有通用性，可在各類設計和應用軟體中使用。其解決了影像服務使用中出現的目標軟體接口是否支持、坐標系配置和轉換、多圖層疊加等難題，降低了使用門檻。
附圖說明
[0018]
圖1是本發明的全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法的流程圖；圖2 是本發明中gis軟體和cad軟體實現視口粗匹配和同步效果圖；圖3是本發明中 cad視窗融合gis底圖，未做格網糾正精配準的效果圖；圖4 分別是本發明中兩個視口進行格網糾正坐標轉換的示意圖；圖5 是本發明中格網改正模型計算的示意圖；圖6是本發明中格網改正模型進行圖像糾正精配準的效果圖；圖7 是本發明中在cad軟體中瀏覽全球尺度地理信息底圖的效果圖；圖8 是本發明中在cad軟體中瀏覽高清影像、三維模型，並使用cad繪圖功能採集地物的效果圖。
具體實施方式
[0019]
以下結合附圖和實施例對本發明的使用方法進行詳細說明。
[0020]
參見圖1，本發明的全球尺度地理信息底圖跨坐標系使用方法包括以下步驟：s1，cad軟體和地理信息軟體獨立配置：使用擴展模式將計算機設置為雙屏模式，即將顯示器屏幕分為屏幕一和屏幕二；啟動cad軟體，在屏幕一全屏顯示；啟動3dgis軟體在屏幕二全屏顯示。在3dgis軟體中使用cgcs2000大地坐標系集成地形、影像和矢量圖層，配置圖層樣式，進行三維瀏覽。根據cad軟體窗口採用的投影坐標系準備投影坐標系參數文件，準備好坐標系投影轉換方法或接口。
[0021] cad軟體和gis軟體均獨立運行，具體步驟如下：s11，基礎地理空間數據（包括地形、影像、行政區劃、交通水系等矢量圖層）和工程勘察資料均轉換為cgcs2000大地坐標系，通過地理信息數據發布平臺或共享存儲進行共享使用，使用3dgis桌面端軟體集成和瀏覽。所需的額外配置工作為配置項目中需使用到的投影坐標系參數，並準備投影坐標系與大地坐標系轉換接口；s12，使用基於ogc規範的wkt文本格式描述項目中用到的每一個工程坐標系參數，每個文件保存為一個.prj文件。在gis軟體桌面端進行二次開發，添加坐標系選擇對話框，根據選擇結果直接讀取當前配置的prj文件，調用gis平臺sdk接口進行工程坐標系與cgcs2000大地坐標的轉換計算；s13，gis軟體提供目標坐標系選擇界面，用戶通過界面設置，完成目標坐標系的設置。
[0022] s2，cad軟體與3dgis軟體單向通信，窗口初步同步：在cad軟體中加載通信插件發送端，實時捕捉cad軟體主窗口矩形區域的投影坐標系坐標並發送給3dgis軟體；在3dgis軟體中加載通信插件接收端，實時獲得矩形cad軟體主窗口區域坐標；根據投影坐標系參數將cad軟體的投影坐標轉換為大地坐標，將相機位置設置為矩形區域中心大地坐標，計算相機視場角和高度，實現3dgis軟體和cad軟體視口中心地理坐標和窗口範圍同步，效果見圖2，圖中左側為3dgis軟體窗口顯示內容，右側為cad軟體窗口顯示內容。
[0023]
其中，兩個窗口粗匹配和同步包括以下步驟：s21，為cad主窗口添加窗口變化事件消息響應函數，函數體內調用cad軟體接口獲取窗口左上角和右下角坐標，將角點坐標轉換為字符串，並添加消息驗證標識碼，調用sendmessage方法外發消息。
[0024] s22，為3dgis桌面端軟體添加windows消息響應函數wndproc的重載方法，對接收到的消息字符串前綴進行驗證，識別cad軟體發送來的窗口匹配消息，解析字符串獲取cad窗口兩角點平面投影坐標系坐標，計算窗口寬（geowidth）、高（geoheight）、地理方位角（yaw）。
[0025] s23，將兩角點坐標轉換為cgcs2000大地坐標，取中心點為相機平面坐標（camx,camy）；將相機置為俯視模式，視場角（fov）設置為極小值（1度以內）；根據視口地理範圍寬度（geowidth）和視場角，計算相機高度；計算相機方位角，其中 為投影變換帶來的方位角偏角，需根據不同的投影方式選擇不同的計算方法，其中採用高斯投影時，procenterlon為工程坐標系的中央子午線經度。 yaw 為cad 窗口的地理方位角，默認為0，如cad 窗口存在旋轉，則yaw 為該旋轉角。
[0026]
由於大部分3dgis軟體的三維視窗不支正射投影，存在由於地形起伏和透視投影帶來的視差，因此，本發明使用極小的視場角來近似模擬正射投影。
[0027] s24，根據以上計算結果設置相機參數（camx,camy,camz,geoyaw,fov），即可實現3dgis圖形窗口與cad主窗口實時聯動和視口範圍粗匹配。
[0028] s3，基於內置插件的窗口圖像融合：基於opengl和directx技術編寫多窗口圖像融合內置插件。在3dgis和cad軟體中
掛接內置插件，隨軟體啟動運行，將3dgis軟體的3d圖形窗口設置為影像發送端，將cad軟體設置為影像接收端，實時對兩個圖形窗口輸出的圖像進行gpu拷貝，在顯卡內做顯存共享。在共享顯存中，對發送端影像和接收端影像進行融合處理後替換接收端影像，在cad軟體圖形窗口中顯示融合後的影像，實現底圖替換，見圖3，因未做精糾正，cad窗口圖像與3dgis圖像未完全重合。
[0029] s4，計算投影變形精糾正模型參數：在s2中已實現兩個視口中心點和顯示範圍的匹配，因3dgis軟體底圖投影方式和cad軟體採用的平面投影方式不同，兩個圖像其它區域還存在較大偏差。對發送端影像生成10*10規則格網，計算虛擬同名點在發送端和接收端影像像素坐標對應關係，計算流程如下：計算流程如下：，由此獲得10*10格網曲面改正參數。參見圖4和圖5，具體如下：對3dgis軟體圖形窗口等間距生成10*10格網虛擬點，獲取窗口像素坐標集合。調用3dgis軟體api由 獲取大地坐標集合，將大地坐標集合 轉換為工程坐標集合。根據cad主窗口四個角點的工程坐標系坐標和工程坐標集合 ，通過雙線性內插法獲得虛擬同名點在cad主窗口的像素坐標集合。由虛擬格網同名點對求差值，建立平面格網曲線改正模型。
[0030] s5，發送端影像幾何精糾正與配準：使用10*10格網曲面改正模型對發送端影像進行實時處理，替換步驟s3共享顯存中的發送端影像，實現發送端底圖與cad設計窗口高精度配準。具體如下：使用gpu對原圖像（imagegis）進行逐點幾何糾正重採樣，將得到的新圖像（imagegismatched）作為融合前的底圖使用。在顯存中同步截取cad主窗口圖像（imagecad），將背景色區域置為透明色，逐像素遍歷圖像imagecad，將透明區域替換為圖像imagegismatched，非透明區域保留原值，得到融合圖像（imagedra）後再進行圖像繪製，刷新cad主窗體區域。以上過程在屏幕刷新一幀時長內內完成，cad軟體使用者對cad窗口的操作不受幹擾。
[0031]
以上步驟s4、s5中，在窗口影像粗匹配基礎上，採用10*10格網改正方法對3dgis窗口圖像進行幾何精糾正，實現與cad主窗口的高精度配準和融合，如圖6所示，兩個窗口格網已完全重合。
[0032] s6，地理信息圖層、投影坐標系控制：在3dgis軟體中獨立操作添加、開關所需參考的地理信息圖層，cad設計窗口自動刷新底圖；當需要切換cad圖形窗口坐標系時，針對跨多個投影坐標系的底圖應用，啟動內置插件和3dgis軟體，自動完成地理信息底圖的坐標系轉換和底圖參考並支持釐米級和全球尺度高效率瀏覽。具體包括以下步驟：s61，修改坐標系：在3dgis桌面端軟體中，啟動定製開發的坐標系選擇對話框，選擇與cad主窗口坐標系匹配的坐標系參數後，3dgis窗口與cad主窗口重新匹配。
[0033] s62，添加新參考圖層：在3dgis桌面端軟體中，通過添加數據服務或者本地文件方式，新增影像、地形、矢量圖層等，使用3dgis桌面端軟體的重投影自動處理機制在
cgcs2000橢球上顯示新數據圖層。cad主窗口底圖內容同步更新。
[0034]
步驟s6中，當用戶需要添加新的底圖圖層或者切換工程坐標系時，在3dgis軟體中操作即可完成，無需在cad軟體中進行任何操作，也不增加cad軟體負擔，地理信息圖層的配置工作可由gis專業人來管理，確保數據的完整性和可讀性。
[0035] s7，cad軟體設計底圖參考與數據採集應用：在cad軟體界面中參考gis軟體管理的多尺度空間數據，使用cad軟體既有功能，開展任意區域影像瀏覽、選線設計、地物採集等工作。在長大線性工程設計工作中，針對跨多個投影坐標系的底圖應用，無需對原始數據進行坐標系轉換，無需向cad軟體單獨提供地理信息數據接口，只需啟動內置插件和3dgis軟體，自動完成地理信息底圖的坐標系轉換和底圖參考，並支持釐米級和全球尺度高效率瀏覽。當需要根據地圖進行地理要素信息採集時，可直接使用cad圖形繪製工具在底圖上繪製點、線、面要素。該步驟具體包括以下分步驟：s71，內業踏勘和選線：cad軟體中打開線路設計平面圖，啟動窗口融合功能，在線路設計圖下顯示gis參考底圖，各專業設計人員在cad軟體中瀏覽線路與周邊地物關係，快速掌握現場信息。線路設計人員根據底圖提供的信息，使用既有的cad線路設計工具進行線路的調整設計工作。
[0036] s72，設計選址：,設計人員在打開了gis底圖的cad設計窗口開展選址設計，充分參考高清影像、地形等高線、交通水系、環保區、基本農田保護區等數據，直接利用既有的cad設計和繪圖工具完成選址設計工作。
[0037] s73，地物要素採集：勘察和設計人員使用cad點、線、面繪製工具，根據高解析度gis底圖，採集房屋、水系、道路等重要地物，快速完成局部地物要素和專題圖的採集任務。
[0038]
上述步驟s7中，在cad軟體中集成了多尺度地理場景，可解決跨多個投影帶海量高清影像和矢量圖的組織管理和調用難題，充分利用了cad軟體的既有成果和使用習慣，提升了工作成效。
實施例1
[0039]
為驗證本發明的方法，使用terraexplorer軟體和autocad2018軟體進行二次開發與驗證。首先使用某鐵路勘察設計資料建立三維地理場景，場景中包含大範圍衛星影像、高解析度航測影像和地形產品、鐵路沿線土地地類矢量圖、地名標註圖層、鐵路設計模型等資料。以上資料分別發布為影像服務、矢量服務、本地文件，集成到terraexplorer軟體中，發布gis三維場景工程文件。
[0040]
開發cad插件，捕捉視窗變化事件，獲取四個交點坐標，發送給rim3d主窗口。基於terraexplorer軟體提供的sdk開發桌面端gis瀏覽軟體rim3d，增加工程坐標系管理功能、exe通信功能、視角精確控制功能和基于格網的曲面改正算法。
[0041]
基於directx技術編寫多窗口圖像融合內置插件，隨rim3d和cad一同運行，該軟體實時將rim3d的圖形窗口融合到cad的主視窗口中。
[0042]
按照本發明的流程和方法完成以上數據準備和軟體功能的開發。啟動rim3d軟體，打開gis三維場景文件；啟動cad軟體，根據默認的坐標系配置，自動實現將rim3d軟體窗口顯示的圖像作為底圖在cad軟體主視圖顯示。
[0043]
當通過滑鼠滾輪操作等改變窗口區域的地理範圍和比例尺時，gis底圖實現了同
步更新。經同名點量測比對，cad窗口和rim3d底圖的匹配誤差小於1個像素，效果見圖6。在進行海量影像和矢量底圖瀏覽時，cad軟體沒有卡頓現象，通過任務管理器監控cad進程，發現cad軟體對cpu和內存的消耗沒有額外增加，其實施效果見圖7-圖8，其中，圖7為宏觀視角，顯示的區域寬度超過5000km，實現了在cad窗口中瀏覽全球尺度的衛星影像，顯示結果為高斯投影坐標系；圖8為局部視角，顯示的影像解析度為0.1m/像素，實現了在cad窗口中瀏覽高解析度的dom（數字正射影像）。最終，通過本發明的方法，在鐵路設計軟體窗口布局下的cad軟體中，實現影像底圖在平面視圖窗口的融合顯示並用於設計參考。
[0044] 將本方法與 cad加載影像服務方法進行對比，對比結果如下： 。