谷歌地球数学精度知多少

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毛毛 · Answer

我相信您可能是关心这个问题的有关人士，从事测绘、地理信息系统开发（GIS）和其他专题信息系统开发的业内人士，或者更有可能是在工作或生活中涉及地理信息和网站地图服务的非本专业读者。首先说说我为什么关注这个问题？这也许与您的兴趣、您的关注或者心中的疑问有点关系，如果这样更好。谷歌地球（Google Earth，下同）相较于其他地图网站功能的一个优点是：能够读取地面任一点的三维坐标——经度、纬度和高，不需要用户注册登录和数据使用许可授权。但是谷歌地球的数学精度究竟达到多少？在国内少见精度检测和权威认定的报道。而弄清楚谷歌地球的精度至少在以下两个方面是有意义的：（1）便于用户对使用谷歌地球精度和可靠性的了解。（2）有利于调整和完善我国网站地图（地图、地图、天地图等）数学精度限制政策。我国现有公共地图网站有的不提供地理坐标（如地图），有的只提供部分地理坐标（如天地图只提供平面坐标，不提供高程）。我国地图网站提供三维坐标服务，在技术上已不是问题，提供、不提供或部分提供坐标信息，可能大部分原因是基于规避我国地理信息保密政策限制的考虑（如我国规定：公开地图位置精度不得高于50米，等高距不得小于50米）。我长期从事测绘工作，曾在地图管理岗位任职，结合工作中的问题对此作过一些探讨。经对国内外地图网站的分析比较，以及对地图用户需求和意见的调研分析，我认为：如果我国自己创建的地图网站采取过高的数学精度限制，一是没有必要，二是可能失去很多潜在用户，会限制国产地图网站发挥作用。结合工作需要，笔者曾设计、组织了一次规模不大，但是较为正规的谷歌地球数学精度外业实测。当时的目的，是提供一个客观的子样数据来谷歌地球的精度，一是供在工作中处理有关事务时把握，二是提供上级主管部门参考。野外测试工作由甲级测绘单位完成，在方案设计、测试仪器的鉴定、卫星标注站网使用、数据的处理和统计分析等方面，完全按照严格的程序、操作方法和数据处理规则，确保检测数据的真实、可靠，结果分析客观。2测试结果首先把测试结果提到前面来介绍。测试结果绝大部分读者也最为关心，可提供读者作为一般性了解。结论根据本次检测数据的统计分析，从谷歌地球读取所求点的经度、纬度、高，大多数点的平面中误差和高程中误差为±5m，所有测区点位中误差和高程中误差均在±10m以内。（注：打开谷歌地球，鼠标在地图上移动时，地图下方会动态地出现经度、纬度和高的数值。经度、纬度显示至小数点后两位，即0.01秒，高显示至整米。为直观起见，精度计算结果中已将经度、纬度单位由度分秒统一换算至米。）3检测的设计和实施本节之后所列的测试方案设计思想、野外检测方法、数据整理分析和有关建议等，主要提供给有关专业人士阅读，有关读者可以据此进一步分析本测试的科学性和可靠性，或者作为深入研究时的参考。
3.1 检测区域图1 在谷歌地球上进行某测区选点检测分5个测区，每个测区作独立观测和数据统计。其中，测区1和测区2位于同一中型城市的东部和西部，属平坦区域，平均高程在10m以内，谷歌地球上的影像分辨率为1m。测区3位于与距离测区
1、测区2较远的小型城市，地势平坦，平均高程在10m以内，谷歌地球上的影像分辨率为1m。测区4和测区5位于山区，高程在100m～400m之间，谷歌地球上的影像分辨率为
2.5m。5个测区中，相距最远的两个测区直线距离超过300km。测区的设计和选取主要考虑到以下因素和目的：（1）包含不同的地形类别——以分析平地、山地、高山地地形差异对精度的影响。（2）包含不同的地面影像分辨率——以分析谷歌地球上藉以选点的卫星影像分辨率差异对精度的影响。（3）包含不同的区域——以分析是否存在区域性偏差。
3.2 样本数据的提取样本数据从谷歌地球上直接获取，方法如下：（1）在谷歌地球上选点点位要求为：①影像清晰；②指向精准；③点位周围地势平坦，无突出地面的建筑物；④易于外业观测（易到达、易设站、GPS信号好）；⑤点位实地与谷歌地球影像一致。（2）制作检测点样本文件从谷歌地球上截屏获取点位影像视图，对视图进行编号；放大点位视图影像，读取目标的点位坐标（经纬度）和高程。为方便外业检测，每点建立两张视图文件，一张为较小比例尺的，供外业在实地选点时用；另一张是外业所选点位的放大视图，能显示谷歌地球上影像点的经纬度和高程。图2 平地点位选点图3 山地点位选点
3.3 外业数据采集（1）使用仪器：双频GPS接收机，型号为“Leica1230”。（2）观测方法：通过浙江省连续运行卫星标注综合服务系统提供的网络RTK服务模式静态观测方式，外业采集经度、纬度和大地高（均为WGS-84坐标系），每点观测两次，符合限差的取平均数。根据以往浙江省连续运行卫星标注综合服务系统的测试，本次观测精度相当于：平面5cm（X/Y分量），高程10cm。故相对于谷歌地球数据，在计算中误差时将本次外业实测成果视作“真值”。为了节省外业检测工作量，位于山区的39个地面点，利用了2008年1月至5月施测的1:10 000航测外业像控点成果。具体方法是：调用航测像控点位影像和外业实测经纬度与高程，然后在谷歌地球网站上读取同名点位的经度、纬度和大地高（WGS-84），并截取视图。4数据处理和精度统计数据处理和精度统计以测区为单元。（1）将检测点的两组经纬度坐标（分别从谷歌地球和外业实测获取）转换为高斯克吕格平面坐标计算横纵坐标误差和统计点位中误差。（2）按测区进行平面坐标和高程（WGS-84）比对。（3）以外业检测值作为“真值”计算谷歌地球的平面坐标、高程之中误差。（注：在比对过程中，发现其中一个位于山区的测区，谷歌地球的平面中误差高达±
10.13m，高程中误差高达±2
2.29m，误差明显高于其他其他测区。经重新调看谷歌地球截屏视图和外业实测时所拍摄的点位照片（航测外业作业时实拍），发现其中一些点位落在高程变换处或房角处，平面误差和高程误差交互影响较大。经分析后剔除了高程变换处或房角处的点，增选了部分点进行外业复测，对极个别经分析后仍不明原因的“异常点”进行了剔除。）图4 高程急剧变换处精度容易不稳定5个测区99个点的精度统计见下表： 5检测结果分析（1）各测区内的谷歌地球数学精度并不一致。测区3的平面精度和高程精度最高，中误差小于±2m；测区4的平面精度最低，达±
9.59m；大多数点的平面中误差和高程中误差为±5m。所有测区点位中误差和高程中误差均在±10m以内。（2）地形类别差异对谷歌地球数学精度的影响并不明显，并未显现一般航测中平地精度高于山地精度的情况。但山地测区位于斜坡上或高程急剧变换处的点精度不稳定。分析原因认为：谷歌地球的影像处理采用了美国制作的全球DEM进行投影差改正，在“山脚和平地交接”或者“坎上坎下”处，平面误差与高程误差相互交织，会导致精度不稳定。（3）当作为选点点位的影像分辨率分别为1m和
2.5m时，影像分辨率的高低对谷歌地球数学精度的影响并不明显。6结论和建议（1）经剔除个别异常值后参加计算的点为99点，有效检测点数较多，且作业规范、点位分布均匀，可以作为谷歌地球在本地区精度检测的一个样本。（2）受样本的数量大小和地域范围的限制，本检测仍不足于代表谷歌地球在整个中国地区的精度，有必要在全国范围（东西南北中）选择不同地形类别（平原、丘陵、山区、高原）全面测试谷歌地球的精度，作出更加全面和客观的评价。（3）如经过进一步的严密论证，谷歌地球或其他国际网站地图在我国区域确已达到10米左右的精度，那么我国的现有规定“公开地图位置精度不得高于50米，等高距不得小于50米”应该适时作调整，把精度提高到与谷歌地球精度相应层次。（4）本文对于研究我国地理信息保密政策的改进具有一定参考意义。7致谢胡正伟、苏立钱、冯里涛、万斐等同志参与本检测工作，胡正伟同志协助笔者完成数据统计工作，谨此致谢！

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