南水北調(diào)中線工程地理信息數(shù)據(jù)采集.doc

南水北調(diào)中線工程地理信息數(shù)據(jù)采集1 概述南水北調(diào)是緩解我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程，分為東線、中線、西線三條調(diào)水線路。南水北調(diào)中線工程總干渠從陶岔渠首閘起，向北經(jīng)過河南、河北兩省，至北京和天津，總干渠全長(zhǎng)1432km。引水線路涉及平原、丘陵、山區(qū)等地形地貌，跨越長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域?？偢汕媳钡乩砜缍却?，沿線地質(zhì)、氣候、地貌類型復(fù)雜，社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素密集多樣，工程建設(shè)具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)南水北調(diào)中線工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理等各項(xiàng)工作信息化的需要，建立中線工程地理信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)基礎(chǔ)信息應(yīng)用系統(tǒng)，為工程信息化建設(shè)提供地理信息支撐。南水北調(diào)中線工程地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容包括：典型渠段1:2000比例尺數(shù)字線劃地圖DLG、數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與建庫；工程沿線1:50000比例尺DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)整編與建庫；地理信息元數(shù)據(jù)庫建設(shè)。其中，1:2000比例尺3D數(shù)據(jù)采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法生產(chǎn)。2 作業(yè)流程采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，對(duì)中線工程總干渠進(jìn)行數(shù)字航空攝影，獲取測(cè)區(qū)真彩色數(shù)字影像，通過外業(yè)像片控制測(cè)量與像片調(diào)繪，利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，生產(chǎn)DLG、DEM、DOM產(chǎn)品，為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供數(shù)據(jù)源。主要作業(yè)流程如圖2-1。圖2-1 作業(yè)流程圖3 地理數(shù)據(jù)采集3.1 數(shù)字航空攝影采用IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)，對(duì)中線工程總干渠沿線進(jìn)行航空攝影，獲取總干渠沿線真彩色數(shù)字航空影像立體像對(duì)數(shù)據(jù)。對(duì)中線工程10個(gè)典型渠段，即陶岔段、沙河段、穿黃段、焦作段、穿漳段、石家莊段、漕河西黑山段、天津干渠西保段、惠南莊段、北京團(tuán)城湖段等，進(jìn)行地形圖測(cè)繪，成圖比例尺為1:2000。根據(jù)地形圖精度指標(biāo)要求，航空攝影地面分辨率GSD選擇0.18m。采用UCXp航攝儀，主要技術(shù)參數(shù)見表3-1：表3-1 航空攝影參數(shù)表依據(jù)攝影測(cè)量原理，像片點(diǎn)、攝影中心點(diǎn)、地面點(diǎn)三點(diǎn)在一條直線上，即三點(diǎn)共線，共線方程如下：式中：(x, y)為像點(diǎn)坐標(biāo)，f為像片主距， (XS, YS, ZS)為投影中心坐標(biāo)，(XA, YA, ZA)為地面點(diǎn)坐標(biāo)；a1,a2,c3為方向余弦值，與像片6個(gè)外方位元素中的3個(gè)角元素有關(guān)，即像片航向傾角、旁向傾角、旋偏角的函數(shù)。投影中心坐標(biāo)(XS, YS, ZS)和像片姿態(tài)角(、) 稱為像片外方位元素，前3個(gè)為線元素，后3個(gè)為角元素。常規(guī)的航空攝影，由于沒有IMU/DGPS設(shè)備，像片的外方位元素?zé)o法獲知，需要測(cè)量大量的地面點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行解算。因此，攝影測(cè)量工作中野外像片控制測(cè)量的工作量非常大，使得航測(cè)生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，效率較低。IMU/DGPS設(shè)備（POS）的應(yīng)用，能夠在攝影瞬間直接獲取POS的中心坐標(biāo)(XS, YS, ZS)和姿態(tài)角(、)，使得直接獲取像片外方位元素成為可能。IMU是慣性導(dǎo)航測(cè)量單元，能夠測(cè)量出攝影瞬間的飛行姿態(tài)；DGPS為差分GPS，通過機(jī)載GPS設(shè)備與地面基準(zhǔn)站上的GPS設(shè)備同步觀測(cè)，即可計(jì)算出投影中心坐標(biāo)(XS, YS, ZS)。由于直接獲取了像片的外方位元素，可以大幅減少野外像片控制測(cè)量的工作量，從而縮短成圖周期，提高作業(yè)效率。IMU/DGPS設(shè)備性能指標(biāo)要求如下：機(jī)載GPS接收機(jī)為高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量型雙頻接收機(jī)，最小采樣間隔不大于1s；IMU測(cè)角中誤差：側(cè)滾角（Roll）和俯仰角（Pitch）不得大于0.01；航偏角（Yaw）不得大于0.02，記錄頻率高于100Hz。南水北調(diào)中線工程測(cè)區(qū)呈狹長(zhǎng)型，引水線路總長(zhǎng)度1432km。地面基準(zhǔn)站的布設(shè)原則是測(cè)區(qū)內(nèi)任意位置至基準(zhǔn)站的距離不超過100km，本測(cè)區(qū)共布設(shè)6個(gè)地面基準(zhǔn)站，相鄰兩基準(zhǔn)站的距離為200km。通過采用IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)，減少了野外像片控制測(cè)量的工作量。經(jīng)內(nèi)業(yè)空三加密檢驗(yàn)，精度滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 DLG數(shù)據(jù)采集采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)生產(chǎn)1:2000比例尺DLG產(chǎn)品。利用立體像對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，作業(yè)原則如下：（1）按照外業(yè)定性、內(nèi)業(yè)定位的原則，參照調(diào)繪片在立體模型上認(rèn)真仔細(xì)辨認(rèn)、測(cè)繪各種地物、地貌要素。（2）測(cè)繪地物、地貌要素采集要切準(zhǔn)、繪準(zhǔn)，做到不變形、不移位。依比例尺表示的地物切準(zhǔn)地物輪廓線，不依比例尺表示的地物切準(zhǔn)其定位點(diǎn)或定位線。（3）優(yōu)先表示具有方位意義和經(jīng)濟(jì)意義的獨(dú)立地物、工礦建筑物、公共設(shè)施等要素。（4）水系要素是本次地形圖測(cè)繪的重點(diǎn)表示內(nèi)容。河流用雙線依比例尺采集，坑塘、水庫、湖泊等水域邊線測(cè)繪以攝影時(shí)水位為準(zhǔn)，水井、泉等要素逐個(gè)測(cè)繪。中線總干渠需要突出表示，依據(jù)攝影時(shí)工程建設(shè)現(xiàn)狀立體測(cè)繪。3.3 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM是工程設(shè)計(jì)與施工、工程量計(jì)算、庫容計(jì)算、三維地理信息環(huán)境建設(shè)所必須的基礎(chǔ)信息，DEM質(zhì)量與精度對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)生產(chǎn)中線工程典型渠段DEM數(shù)據(jù)。（1）基本要求DEM格網(wǎng)大?。?m1m；DEM高程精度：格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差不大于2/3等高距；DEM接邊精度：相鄰DEM接邊不出現(xiàn)漏洞，相鄰行（列）格網(wǎng)點(diǎn)平面坐標(biāo)應(yīng)連續(xù)，同名格網(wǎng)點(diǎn)高程應(yīng)一致；DEM數(shù)據(jù)格式：ArcGIS Grid格式，包含投影信息。（2）作業(yè)方法DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)采用等高線、特征線、斷裂線、特征點(diǎn)等地形要素構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的方法。在DLG數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入等高線、高程注記點(diǎn)、單線河流、雙線河流、水域等要素；在立體模型上增加采集斷裂線、特征線、特征點(diǎn)；利用矢量要素構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）；將DEM套合在模型上檢查，對(duì)套合不好的區(qū)域增加編輯點(diǎn)、線要素，再生成DEM檢查。重復(fù)上面過程，直至所有DEM數(shù)據(jù)都與模型套合完好；將TIN格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換GRID格式。（3）精度檢測(cè)DEM高程精度檢測(cè)采用外業(yè)實(shí)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)，經(jīng)與DEM對(duì)應(yīng)格網(wǎng)點(diǎn)高程比較，檢測(cè)DEM高程精度。選擇8幅圖，野外實(shí)測(cè)一定數(shù)量的檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)DEM高程精度。精度統(tǒng)計(jì)見表3-2。表3-2 DEM高程精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表共檢測(cè)3個(gè)典型渠段8幅DEM，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)計(jì)214個(gè)點(diǎn)，綜合計(jì)算DEM高程中誤差為：0.40m，符合精度要求。3.4 DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，生產(chǎn)制作數(shù)字正射影像地圖DOM。（1）基本要求DOM成圖比例尺：1:2000；DOM地面分辨率：0.2m；DOM數(shù)據(jù)格式：非壓縮Geotif格式，RGB色彩模式存儲(chǔ)；DOM精度要求：地物點(diǎn)平面位置中誤差1.2m。（2）作業(yè)方法利用DEM對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行微分糾正，生成單片正射影像。之后，選擇一個(gè)色彩豐富的影像作為主片，其他影像對(duì)照此片進(jìn)行色彩、亮度等的調(diào)整，使全測(cè)區(qū)單片正射影像色彩、亮度等基本一致，保證相鄰航片間色彩過渡均勻，沒有突變感。（3）精度檢測(cè)采用DLG與DOM比較的方法檢測(cè)DOM精度。利用同期生產(chǎn)的1:2000比例尺DLG數(shù)據(jù)，經(jīng)與相同圖幅的DOM數(shù)據(jù)套合比較，計(jì)算出明顯地物點(diǎn)的坐標(biāo)差，統(tǒng)計(jì)出DOM的平面精度。共采集比較180個(gè)明顯地物點(diǎn)，根據(jù)DLG與DOM同名點(diǎn)坐標(biāo)差算得DOM平面位置中誤差為0.28m，精度符合要求。4 結(jié)語（1）IMU/DGPS輔助航空攝影能夠減少像片控制測(cè)量的工作量，提高作業(yè)效率。但其前提是IMU/DGPS觀測(cè)數(shù)據(jù)精度要可靠，數(shù)據(jù)質(zhì)量要穩(wěn)定。本測(cè)區(qū)航空攝影有若干架次出現(xiàn)GPS失索或IMU數(shù)據(jù)記錄空白的情況，只得依靠后期采用傳統(tǒng)的像片控制點(diǎn)測(cè)量方法進(jìn)行空三加密，影響了作業(yè)效率。（2）水利專業(yè)地形圖與國(guó)家基本比例尺地形圖的區(qū)別在于，國(guó)家基本比例尺地形圖滿足各行業(yè)通用需要；水利專業(yè)地形圖對(duì)水利專題要素表達(dá)詳細(xì)、突出，高程測(cè)量精度高于國(guó)家基本比例尺地形圖，滿足水利業(yè)務(wù)特殊需求。因此，國(guó)家基本比例尺地形圖不能代替水利專業(yè)地形圖。（3）DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)還可以采用影像匹配、編輯法，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于自動(dòng)化程度高，地形表達(dá)精細(xì)。但由于在植被茂盛季節(jié)開展的航空攝影，受植被覆蓋的影響，在植被覆蓋區(qū)影像匹配很難匹配到地面。作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)影像條件和地貌特征選擇合適的作業(yè)方案。本項(xiàng)目DEM生產(chǎn)采用立體采集特征線、斷裂線、特征點(diǎn)，結(jié)合DLG數(shù)據(jù)采集的等高線等矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)