高分辨率衛星影像在水源地勘界中的應用

石光 孫振勇 張馨文 李艷

摘要：水源地保護區勘界可為水源地規范化建設方案編制、最嚴格水資源管理實施、環保督查等提供重要的地理信息數據支撐。以重慶市豐都區彈子臺水源地保護區勘界測量為實例，采用CQCORS進行特征點數據采集，結合高分辨率衛圖影像，以EPS地理信息工作站為數據處理平臺，對水源地保護區勘界數據進行校核、投影換算、影像糾正與匹配、數字化地形圖成圖。成圖精度檢驗結果表明，該方法高效快速，滿足測量精度，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：水源地;勘界;高分辨衛星影像;CQCORS;水源地保護區;彈子臺水庫;豐都;重慶

中圖法分類號：TV211.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.001

國家“十三五”規劃明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度。目前，生態環境部、水利部對飲用水水源地實行更加嚴格的水保護制度。其中，對于飲用水水源地規范化建設方案編制，必須開展保護區邊界勘測和圖形繪制，建立地理信息數據庫。水源地保護區邊界地理信息同時可為水污染防治、水源安全管理、環保部門督查等提供重要的基礎數據支撐。鄉鎮集中式水源地多處于偏遠山區，遠離人口密集居住地，交通較為困難，自然地理條件復雜，測量極其不便。鑒于此，本文結合重慶市豐都區彈子臺水源地保護區勘界測量項目，采用cQ—CORS進行特征點數據采集，結合高分辨率衛圖影像，以EPS地理信息工作站為數據處理平臺，對水源地保護區勘界數據進行校核、投影換算、影像糾正與匹配、數字化地形圖成圖。

1CQCORS簡介

CQCORS是由重慶市地理信息中心管理的全市統一的現代測繪地理信息空間定位基準。該定位基準覆蓋整個重慶市區域，范圍達8000余km²，全面兼容BDS、GPS和GLONASS衛星定位系統，可全頻段接收北斗的B1、B2、B3，GPS的L1、L2、L5和GLONASS的G1、G2信號，能全天24h不間斷提供導航定位差分服務。平面定位精度和高程定位精度均達到厘米級。圖1為采用CQCORS采集的GNSS基站分布及項目所在位置信息。

2測區概況

彈子臺水庫位于重慶市豐都縣包鸞鎮新花村境內，為包鸞河（龍河支流，長江二級支流）上游河尾段。水庫集雨面積35.8km²，總庫容1149.82萬m³，正常庫容1014萬m³，正常蓄水位692.0m，設計洪水位692.0m，校核洪水位693.8m，年可供水量2192萬m³。該水庫2003年建成投入使用，以城鎮飲用水供水為主要功能，兼顧農田灌溉、防洪和發電功能。水源地為典型的高山地帶，只有一條鄉村崎嶇山路通過縣城，距離約30km，交通較為不便。

該水庫水源地一級保護區（正常蓄水位縱深30m范圍內）海拔約680～720m，與水面線高差最大達40m，地勢陡峭，爬行困難。高密度植被主要為灌木林、針葉林及少數經濟作物林，覆蓋區域約占總測量區域面積的60%，為測量極為困難區域。

依據已有的衛星影像數據和野外踏勘的勘界范圍和特性，在整個保護區范圍內外均勻選取布設了6個特征點，現場無遮擋、衛星信號良好，觀測精度符合要求;在衛星影像圖上特征明顯，易于判別。特征點主要為大壩壩頂拐點、公路轉折處、民房角點、水位遙測站房角點等。現場采用CQCORS按圖根點測量技術要求進行施測，并將數據及時上傳至解算中心解算為CGCS2000坐標系統數據。表1為6個特征點距最近CQCORS GNSS基站的距離。

3制圖流程

根據業主需求，對本次水源地進行一級保護區勘界，平面精度0.5m。基于自然地理條件限制，常規測量儀器進行實地勘界較為困難，測量工期難以保證。受項目勘測成本限制，采用無人機等技術進行低空（傾斜）攝影測量無法保證項目收益。因此，依據項目精度要求，利用CQCORS進行特征點提取，參數校正，采用EPS調用衛圖底圖進行矢量化繪圖，再進行參數求取，圖件轉換輸出。實施流程見圖2。

3.1衛圖下載與轉換

衛星影像底圖通過91衛圖軟件下載獲取，選擇GoogleEarth無偏移影像（默認為最新影像資料），可通過行政區劃界線、多邊形、圓形以及拉框等方式進行范圍框定下載。在下載對話框中輸入測區名稱、存儲目錄，選擇數據類型和影像級別。由于對高程數據不作要求，本次選擇數據類型為“影像”。影像級別選擇最高等級19級（0.26m），裁剪范圍選擇按邊界范圍裁剪。此外可根據制圖需要疊加當前顯示的矢量圖層、道路地名參考層、經緯網及比例尺等其他信息。

轉換類型選擇EPS可導入的類型“Geotiff”格式，坐標投影選擇“國家2000坐標系高斯投影”，并根據當地轉換參數進行分帶（中央子午線、加常數）、轉換七參數設定，也可直接導人編輯好的參數（文本格式）。EPS制圖一般選擇背景顏色為黑色（默認）。

衛星影像底圖下載及轉換的歷時因框選范圍區域、影像級別大小、網絡環境不同而不同，通常10G的數據耗時約5min。衛星影像圖還可借助第三方處理軟件，如Arcgis進行影像裁剪、大氣與輻射校正等，以獲取更高質量的制圖底圖。

3.2EPS矢量化制圖

轉換好的衛圖文件存放在以測區名稱命名的文件里，該文件應包含“Geotiff”格式衛圖影像、“測區名稱.pri”文件以及其他文本文件。“測區名稱.pri”含投影參數、坐標系統等各類信息，文本文件包含影像像素、四角坐標值、空間分辨率、比例尺以及影像拍攝日期等信息。上述文件缺一不可，否則會引起EPS調入衛圖錯誤甚至宕機。

EPS工作平臺是一款基于數據庫的專業測繪繪圖成圖軟件，可兼容DWG、MDB、SHP等多種格式的圖形數據，支持其他數據處理平臺的來源數據雙向轉換。可實現BMP、TIF、TIFF、JPG、PNG、ICO等不同類型圖像的調入與處理。

調入前應事先做好EPS工作環境的設置工作，包括比例尺、坐標系統、投影參數等，并檢查是否與Geotiff格式衛圖影像各類參數一致，否則可能會引起嚴重的坐標信息錯誤。檢查無誤后可直接調入衛圖影像到EPS。

矢量化制圖內容主要包括水邊線制作、道路及管線制作、水源地（水庫）水工附屬設施繪制、特征點標定與繪制、水源地保護區界線繪制與編輯。本文重點介紹水源地保護區界線繪制與編輯。EPS良好直觀的繪圖界面和功能強大的點、線、面編輯處理功能使水源地保護區界線繪制輕而易舉。一級界線規定為常年水面線縱深30m，水面線矢量化勾繪完成后，點擊編輯菜單下子功能鍵“距離（過點）平行線”，選擇“水面線”，勾選“復制”，范圍為“全線”，輸入距離30m，確定后即可繪制一級界線。還可以對線上尖頭（大于45°）處進行圓滑處理和裁剪，將線上節點進行抽稀，對線型進行平滑處理，更改線地物代碼后，一級水源地保護區界線繪制完畢。

3.3參數求取與圖件轉換

將特征點的CQCORS測量坐標數據與EPS下標定坐標數據輸入到EpsNas測量控制網平差系統進行坐標轉換參數計算。分別設定好兩套坐標系統的橢球基準和平面系統等參數，計算時選擇七參數類型進行轉換（見圖3）。中誤差符合相關技術規范要求后記錄轉換七參數數值。

在EPS下輸人命令“TransCoordEx”進行全圖坐標系統轉換，選取所有數據后，輸入計算好的參數值，點擊確定完成轉換，即所有矢量化數據成為基于CQCORS數據的CGCS2000坐標系統數據。

運行腳本程序即可輸出符合業主要求的DWG格式地形圖件。由于成果圖件要求疊加衛星影像地圖，因此還需要進行衛星地圖與轉換后的地形圖校正重合。在91衛圖軟件下重新下載勘界范圍的衛星影像圖，導出時輸人計算好的坐標轉換參數即可。在CAD軟件下加載影像導人CAD插件“VLX”插件，命令行輸入INSG命令，運行程序將進行坐標參數轉換后的衛星影像圖調入CAD中，調整地形圖與衛星影像圖的放置順序，成果圖件即實現疊加套合。圖4為基于CQCORS與衛圖的水源地保護區勘界局部圖件。

3.4精度分析

為了檢驗成圖精度是否滿足需求，圖上標定一定規模數量的水面線、一級水源地保護界線以及其他特征拐點，并保留三維坐標值。現場采用全站儀實地檢驗測量，按圖根控制點精度施測，獲取同一坐標系統下的三維坐標值，并進行坐標比對（高程數據不參與精度比對）。本次共標定現場GNSS測量特征值27個。數據對比分析表明：縱向坐標x最大差值△Xmax為0.167m，橫方向y最大差值△Ymax為0.204m;平均誤差為0.113m，較差中誤差0.197m。

4結語

重慶市豐都縣彈子臺水源地保護區勘界實例運用及精度結果分析表明：基于衛星影像圖的水源地保護區勘界與制圖方法高效快速，可節約野外觀測時間;利用EPS進行矢量化成圖各數據詳實，相關地物、地貌等與測區實際情況吻合度較高;利用cQ.CORS進行特征點測量與參數校正，偏移量滿足業主需求指標，成果精度可靠，滿足相關技術規程精度，可為類似工程提供參考。