CORS和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在水利劃界中的應(yīng)用

(杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，由于河湖和水利工程征地范圍不明確、權(quán)屬邊界不清晰、管理范圍邊界混亂，導(dǎo)致侵占河湖土地、破壞水利工程的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，河湖及水利工程的管理和保護(hù)難度較大。水利劃界項(xiàng)目是全面貫徹相關(guān)法律法規(guī)，依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工程審批文件，準(zhǔn)確劃定河湖和水利工程管理范圍，明確管理界線，設(shè)立界樁標(biāo)志，辦理土地權(quán)屬登記手續(xù)，建立信息共享系統(tǒng)，健全“范圍明確、權(quán)屬清晰、責(zé)任落實(shí)”的河湖和水利工程管理保護(hù)體系[1]。

當(dāng)前，進(jìn)行劃界勘測(cè)、放樣的主要方法是全站儀、GPS-RTK。由于劃界工作勘測(cè)線路通常有幾百公里長(zhǎng)，測(cè)區(qū)附近已知高等級(jí)控制點(diǎn)較少，如果沿河湖布設(shè)GPSD級(jí)控制網(wǎng)，工作量大且工作效率低下。近幾年，隨著連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(CORS)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)采用新技術(shù)、新方法，全面提高了水利劃界項(xiàng)目施測(cè)精度。

2 CORS系統(tǒng)的應(yīng)用

連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)(Continuously Operating Reference System，簡(jiǎn)稱CORS)是利用GNSS、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)構(gòu)成的地球參考坐標(biāo)和地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)與GNSS定位技術(shù)及現(xiàn)代大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)融合的成果[2]。該系統(tǒng)由若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站和一個(gè)系統(tǒng)控制中心構(gòu)成。系統(tǒng)控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向用戶提供動(dòng)態(tài)連續(xù)的空間位置服務(wù)。

根據(jù)解算模式可以分為以下幾種技術(shù)：?jiǎn)位綬TK技術(shù),虛擬基準(zhǔn)站技術(shù)(VRS)，主副站技術(shù)(MAC)。其中，虛擬基準(zhǔn)站技術(shù)(VRS)是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的代表。

2.1 虛擬參考站VRS原理

采用VRS技術(shù)，基準(zhǔn)站網(wǎng)子系統(tǒng)必須包含三個(gè)以上的電離層誤差、對(duì)流程誤差、軌道誤差模型等。流動(dòng)站通過(guò)GPRS或CDMA無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)中心發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，并將流動(dòng)站的概略位置傳給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心利用與流動(dòng)位置最接近的三個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及誤差模型，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于流動(dòng)站概略位置的虛擬基準(zhǔn)站(VRS)，然后將這個(gè)虛擬基準(zhǔn)站的改正數(shù)信息發(fā)給流動(dòng)站，流動(dòng)站再結(jié)合自身的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算出其所處位置的精確坐標(biāo)。其服務(wù)半徑可達(dá)40km。假設(shè)流動(dòng)站(Mobile station)用戶所在位置為M，虛擬基站(Virtual base station)所在位置為V，參考站(Reference station)位置為R。則R和V之間的站間雙差觀測(cè)方程表示為

(1)

式中λf——電磁波波長(zhǎng);

▽?duì)ぁ尾罘炙阕?

由于R、V的坐標(biāo)是已知，用它與流動(dòng)站M的單差方程聯(lián)立解算。

(2)

由于流動(dòng)站和虛擬參考站距離很近，認(rèn)為兩站與距離相關(guān)的雙誤差殘差近似相等

不考慮觀測(cè)噪聲等偶然誤差，由式(1)、式(2)可知:

(3)

在虛擬參考站技術(shù)[3]中，數(shù)據(jù)中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有固定參考站(R的位置)的精確坐標(biāo)和觀測(cè)數(shù)據(jù)解算出基準(zhǔn)站間的整周模糊度，并根據(jù)流動(dòng)站(M的位置)概略坐標(biāo)構(gòu)建虛擬觀測(cè)站(V的位置)，利用線性內(nèi)插算法內(nèi)插出該處與測(cè)站相關(guān)的誤差改正數(shù)，構(gòu)建虛擬參考站的虛擬觀測(cè)值。

此外， VRS系統(tǒng)是“容錯(cuò)”的。即如果某個(gè)參考站有誤差，中央處理器會(huì)自動(dòng)把它從網(wǎng)絡(luò)中去除，并用其他站的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保精度，其測(cè)量結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)的RTK更為可靠。它將大大擴(kuò)展RTK的作業(yè)范圍,使GPS的應(yīng)用更廣泛,精度和可靠性進(jìn)一步提高，完成了許多GPS難于完成的任務(wù)。

2.2 實(shí)例分析

某地區(qū)收集已知點(diǎn)GPSC級(jí)點(diǎn)3個(gè)，合理選取4個(gè)未知點(diǎn)位，根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2001)規(guī)范要求，采用D級(jí)網(wǎng)觀測(cè)要求，基線平均距離約8km，平均海拔高程約10m。獲得4個(gè)GPSD級(jí)點(diǎn)與CORS系統(tǒng)采集的點(diǎn)位對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 GPS 控制點(diǎn)與CORS精度對(duì)比

通過(guò)GPSC級(jí)點(diǎn)布設(shè)D級(jí)控制網(wǎng)，解算出D級(jí)點(diǎn)坐標(biāo)，再與當(dāng)?shù)谻ORS系統(tǒng)測(cè)出的點(diǎn)位做精度對(duì)比，目前，對(duì)界樁埋設(shè)平面及高程精度均在±10cm。因此，采用GPS、CORS等技術(shù)可滿足劃界精度要求。

3 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

3.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于數(shù)字影像與攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科[4]。通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、空中三角測(cè)量等處理后，實(shí)現(xiàn)像對(duì)的立體恢復(fù)。

采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行立體恢復(fù)的過(guò)程為：

a.獲取航空像、像控點(diǎn)對(duì)及相機(jī)參數(shù)。

b.通過(guò)空中三角測(cè)量，進(jìn)行模型定向(內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向)。對(duì)影像質(zhì)量較差區(qū)域(被陰影覆蓋區(qū)域、大面積水域)做匹配預(yù)處理。

相對(duì)定向的目的是為了恢復(fù)構(gòu)成立體像對(duì)的兩張相片的相對(duì)位置，攝影光線與基線應(yīng)滿足共面條件：

(4)

或

(5)

式中BX、BY、BZ——攝影站X、Y、Z方向的基線向量；

X、Y、Z和X′、Y′、Z′——左右影像正直像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

絕對(duì)定向是將模型點(diǎn)的攝影測(cè)量坐標(biāo)歸算成相應(yīng)地面坐標(biāo)系的過(guò)程。其實(shí)質(zhì)是兩個(gè)坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換，即

(6)

式中λ——縮放系數(shù)；

ai、bi、ci——有角元素Φ、Ω、κ的函數(shù)組成的方向余弦；

ΔX、ΔY、ΔZ——坐標(biāo)原點(diǎn)的平移量；

下標(biāo)Φ——地理坐標(biāo)；

下標(biāo)P——攝測(cè)坐標(biāo)。

c.影像匹配，建立模型。

3.2 實(shí)例分析

獲取蘇州市某河道2015年0.3m分辨率立體像對(duì)影像資料，軟件采用航天遠(yuǎn)景數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件、Autocad2010、Arcgis10.1,儀器采用GPS-X900。根據(jù)河湖岸線坡面、堤防結(jié)構(gòu)的相對(duì)高差，在空中三角測(cè)量輸出恢復(fù)的立體模型上利用立體測(cè)圖方法采集河口線、外堤肩線和堤腳線等劃界基準(zhǔn)線。為檢驗(yàn)內(nèi)業(yè)采集精度，使用蘇州市CORS網(wǎng)絡(luò)RTK,采集大約10km硬質(zhì)界面基準(zhǔn)線和軟質(zhì)界面基準(zhǔn)線用于精度對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可知，采用0.3m分辨率遙感影像采集基準(zhǔn)線，點(diǎn)位精度小于20cm占48 %，點(diǎn)位精度大于0.4m且小于1m占36 %，分析原因主要為河口基準(zhǔn)線被樹(shù)木或房屋陰影遮擋，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)不能定位基準(zhǔn)線，導(dǎo)致與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大。因此，對(duì)被樹(shù)木或房屋陰影遮擋的基準(zhǔn)線，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)。對(duì)于硬質(zhì)基準(zhǔn)線的測(cè)量，為保證劃界基準(zhǔn)線硬質(zhì)界面精度控制在10cm內(nèi)，建議采用GPS實(shí)測(cè)方法獲取硬質(zhì)界面基準(zhǔn)線；對(duì)于軟質(zhì)基準(zhǔn)線的測(cè)量，以上數(shù)據(jù)均可達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，建議采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方式獲取軟質(zhì)基準(zhǔn)線。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著水利河湖劃界的全面展開(kāi)，GPS、CORS系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的引入大大提高了劃界工作的推進(jìn)。采用CORS系統(tǒng)能快速定位獲取三維數(shù)據(jù)，雖然0.3m分辨率的遙感影像不能完全代替實(shí)測(cè)，由于河湖基準(zhǔn)線約一半為軟質(zhì)基準(zhǔn)線，因此，可采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，對(duì)軟質(zhì)基準(zhǔn)線采取內(nèi)業(yè)采集、外業(yè)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，這樣可大大節(jié)約外業(yè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] 李亞平.深化水利改革加強(qiáng)依法管水全力推進(jìn)河湖和水利工程劃界確權(quán)工作[J].江蘇水利，2015(10):1-2.

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[4] 張祖勛,張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.