CORS和數(shù)字攝影測量技術在水利劃界中的應用

(杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引 言

長期以來，由于河湖和水利工程征地范圍不明確、權屬邊界不清晰、管理范圍邊界混亂，導致侵占河湖土地、破壞水利工程的現(xiàn)象時有發(fā)生，河湖及水利工程的管理和保護難度較大。水利劃界項目是全面貫徹相關法律法規(guī)，依據(jù)技術標準及工程審批文件，準確劃定河湖和水利工程管理范圍，明確管理界線，設立界樁標志，辦理土地權屬登記手續(xù)，建立信息共享系統(tǒng)，健全“范圍明確、權屬清晰、責任落實”的河湖和水利工程管理保護體系[1]。

當前，進行劃界勘測、放樣的主要方法是全站儀、GPS-RTK。由于劃界工作勘測線路通常有幾百公里長，測區(qū)附近已知高等級控制點較少，如果沿河湖布設GPSD級控制網(wǎng)，工作量大且工作效率低下。近幾年，隨著連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)(CORS)和數(shù)字攝影測量技術的快速發(fā)展，通過采用新技術、新方法，全面提高了水利劃界項目施測精度。

2 CORS系統(tǒng)的應用

連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(Continuously Operating Reference System，簡稱CORS)是利用GNSS、計算機、網(wǎng)絡和通信等技術構(gòu)成的地球參考坐標和地球動力學服務系統(tǒng)，是網(wǎng)絡與GNSS定位技術及現(xiàn)代大地測量、地球動力學融合的成果[2]。該系統(tǒng)由若干個連續(xù)運行參考站和一個系統(tǒng)控制中心構(gòu)成。系統(tǒng)控制中心通過數(shù)據(jù)鏈向用戶提供動態(tài)連續(xù)的空間位置服務。

根據(jù)解算模式可以分為以下幾種技術：單基站RTK技術,虛擬基準站技術(VRS)，主副站技術(MAC)。其中，虛擬基準站技術(VRS)是現(xiàn)有網(wǎng)絡RTK技術的代表。

2.1 虛擬參考站VRS原理

采用VRS技術，基準站網(wǎng)子系統(tǒng)必須包含三個以上的電離層誤差、對流程誤差、軌道誤差模型等。流動站通過GPRS或CDMA無線通信網(wǎng)絡向數(shù)據(jù)中心發(fā)出服務請求，并將流動站的概略位置傳給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心利用與流動位置最接近的三個基準站的觀測數(shù)據(jù)及誤差模型，產(chǎn)生一個對應于流動站概略位置的虛擬基準站(VRS)，然后將這個虛擬基準站的改正數(shù)信息發(fā)給流動站，流動站再結(jié)合自身的觀測數(shù)據(jù)實時解算出其所處位置的精確坐標。其服務半徑可達40km。假設流動站(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方程表示為

(1)

式中λf——電磁波波長;

▽Δ——二次差分算子;

由于R、V的坐標是已知，用它與流動站M的單差方程聯(lián)立解算。

(2)

由于流動站和虛擬參考站距離很近，認為兩站與距離相關的雙誤差殘差近似相等

不考慮觀測噪聲等偶然誤差，由式(1)、式(2)可知:

(3)

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

此外， VRS系統(tǒng)是“容錯”的。即如果某個參考站有誤差，中央處理器會自動把它從網(wǎng)絡中去除，并用其他站的數(shù)據(jù)進行補償，從而確保精度，其測量結(jié)果比標準的RTK更為可靠。它將大大擴展RTK的作業(yè)范圍,使GPS的應用更廣泛,精度和可靠性進一步提高，完成了許多GPS難于完成的任務。

2.2 實例分析

某地區(qū)收集已知點GPSC級點3個，合理選取4個未知點位，根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2001)規(guī)范要求，采用D級網(wǎng)觀測要求，基線平均距離約8km，平均海拔高程約10m。獲得4個GPSD級點與CORS系統(tǒng)采集的點位對比，見表1。

表1 GPS 控制點與CORS精度對比

通過GPSC級點布設D級控制網(wǎng)，解算出D級點坐標，再與當?shù)谻ORS系統(tǒng)測出的點位做精度對比，目前，對界樁埋設平面及高程精度均在±10cm。因此，采用GPS、CORS等技術可滿足劃界精度要求。

3 數(shù)字攝影測量技術的應用

3.1 數(shù)字攝影測量原理

數(shù)字攝影測量是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等多學科的理論與方法，提取所攝對象用數(shù)字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量學的分支學科[4]。通過對影像進行內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、空中三角測量等處理后，實現(xiàn)像對的立體恢復。

采用數(shù)字攝影測量技術進行立體恢復的過程為：

a.獲取航空像、像控點對及相機參數(shù)。

b.通過空中三角測量，進行模型定向(內(nèi)定向、相對定向和絕對定向)。對影像質(zhì)量較差區(qū)域(被陰影覆蓋區(qū)域、大面積水域)做匹配預處理。

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

(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系中的坐標。

絕對定向是將模型點的攝影測量坐標歸算成相應地面坐標系的過程。其實質(zhì)是兩個坐標系間的坐標變換，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——坐標原點的平移量；

下標Φ——地理坐標；

下標P——攝測坐標。

c.影像匹配，建立模型。

3.2 實例分析

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

表2 精度統(tǒng)計結(jié)果

由表2可知，采用0.3m分辨率遙感影像采集基準線，點位精度小于20cm占48 %，點位精度大于0.4m且小于1m占36 %，分析原因主要為河口基準線被樹木或房屋陰影遮擋，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集時不能定位基準線，導致與實測數(shù)據(jù)相差較大。因此，對被樹木或房屋陰影遮擋的基準線，可根據(jù)實際情況進行外業(yè)補測。對于硬質(zhì)基準線的測量，為保證劃界基準線硬質(zhì)界面精度控制在10cm內(nèi)，建議采用GPS實測方法獲取硬質(zhì)界面基準線；對于軟質(zhì)基準線的測量，以上數(shù)據(jù)均可達到驗收標準要求，建議采用數(shù)字攝影測量方式獲取軟質(zhì)基準線。

4 結(jié) 語

隨著水利河湖劃界的全面展開，GPS、CORS系統(tǒng)、數(shù)字攝影測量技術的引入大大提高了劃界工作的推進。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測，由于河湖基準線約一半為軟質(zhì)基準線，因此，可采用數(shù)字攝影測量技術，對軟質(zhì)基準線采取內(nèi)業(yè)采集、外業(yè)實測檢驗，這樣可大大節(jié)約外業(yè)采集數(shù)據(jù)的時間。

參考文獻

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

[2] 劉暉.地球空間信息網(wǎng)格及其在連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡中的應用研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[3] 楊洋.虛擬參考站(VRS)技術及其精度評定[D].成都：西南交通大學，2004.

[4] 張祖勛,張劍清.數(shù)字攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2002.