南水北调中线工程地理信息数据采集

南水北调中线工程地理信息数据采集1概述南水北调是缓解我国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程，分为东线、中线、西线三条调水线路。南水北调中线工程总干渠从陶岔渠首闸起，向北经过河南、河北两省，至北京和天津，总干渠全长1432km。引水线路涉及平原、丘陵、山区等地形地貌，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域。总干渠南北地理跨度大，沿线地质、气候、地貌类型复杂，社会经济要素密集多样，工程建设具有挑战性。根据南水北调中线工程规划、设计、建设、管理等各项工作信息化的需要，建立中线工程地理信息数据库，开发基础信息应用系统，为工程信息化建设提供地理信息支撑。南水北调中线工程地理信息数据库建设内容包括：典型渠段1:2000比例尺数字线划地图DLG、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM数据的生产与建库；工程沿线1:50000比例尺DEM数据、DOM数据整编与建库；地理信息元数据库建设。其中，1:2000比例尺3D数据采用数字摄影测量的方法生产。2作业流程采用数字摄影测量技术，对中线工程总干渠进行数字航空摄影，获取测区真彩色数字影像，通过外业像片控制测量与像片调绘，利用全数字摄影测量系统，生产DLG、DEM、DOM产品，为基础信息数据库建设提供数据源。主要作业流程如图2-1。图2-1作业流程图3地理数据采集3.1数字航空摄影采用IMU/DGPS辅助航空摄影技术，对中线工程总干渠沿线进行航空摄影，获取总干渠沿线真彩色数字航空影像立体像对数据。对中线工程10个典型渠段，即陶岔段、沙河段、穿黄段、焦作段、穿漳段、石家庄段、漕河－西黑山段、天津干渠西－保段、惠南庄段、北京团城湖段等，进行地形图测绘，成图比例尺为1:2000。根据地形图精度指标要求，航空摄影地面分辨率GSD选择0.18m。采用UCXp航摄仪，主要技术参数见表3-1：表3-1航空摄影参数表依据摄影测量原理，像片点、摄影中心点、地面点三点在一条直线上，即三点共线，共线方程如下：式中：(x,y)为像点坐标，f为像片主距，(XS,YS,ZS)为投影中心坐标，(XA,YA,ZA)为地面点坐标；a1,a2,…c3为方向余弦值，与像片6个外方位元素中的3个角元素有关，即像片航向倾角φ、旁向倾角ω、旋偏角κ的函数。投影中心坐标(XS,YS,ZS)和像片姿态角(φ、ω、κ)称为像片外方位元素，前3个为线元素，后3个为角元素。常规的航空摄影，由于没有IMU/DGPS设备，像片的外方位元素无法获知，需要测量大量的地面点坐标进行解算。因此，摄影测量工作中野外像片控制测量的工作量非常大，使得航测生产周期较长，效率较低。IMU/DGPS设备（POS）的应用，能够在摄影瞬间直接获取POS的中心坐标(XS,YS,ZS)和姿态角(φ、ω、κ)，使得直接获取像片外方位元素成为可能。IMU是惯性导航测量单元，能够测量出摄影瞬间的飞行姿态；DGPS为差分GPS，通过机载GPS设备与地面基准站上的GPS设备同步观测，即可计算出投影中心坐标(XS,YS,ZS)。由于直接获取了像片的外方位元素，可以大幅减少野外像片控制测量的工作量，从而缩短成图周期，提高作业效率。IMU/DGPS设备性能指标要求如下：——机载GPS接收机为高精度动态测量型双频接收机，最小采样间隔不大于1s；——IMU测角中误差：侧滚角（Roll）和俯仰角（Pitch）不得大于0.01º；航偏角（Yaw）不得大于0.02º，记录频率高于100Hz。南水北调中线工程测区呈狭长型，引水线路总长度1432km。地面基准站的布设原则是测区内任意位置至基准站的距离不超过100km，本测区共布设6个地面基准站，相邻两基准站的距离为200km。通过采用IMU/DGPS辅助航空摄影技术，减少了野外像片控制测量的工作量。经内业空三加密检验，精度满足设计要求。3.2DLG数据采集采用全数字摄影测量系统生产1:2000比例尺DLG产品。利用立体像对进行数据采集，作业原则如下：（1）按照外业定性、内业定位的原则，参照调绘片在立体模型上认真仔细辨认、测绘各种地物、地貌要素。（2）测绘地物、地貌要素采集要切准、绘准，做到不变形、不移位。依比例尺表示的地物切准地物轮廓线，不依比例尺表示的地物切准其定位点或定位线。（3）优先表示具有方位意义和经济意义的独立地物、工矿建筑物、公共设施等要素。（4）水系要素是本次地形图测绘的重点表示内容。河流用双线依比例尺采集，坑塘、水库、湖泊等水域边线测绘以摄影时水位为准，水井、泉等要素逐个测绘。中线总干渠需要突出表示，依据摄影时工程建设现状立体测绘。3.3DEM数据生产数字高程模型DEM是工程设计与施工、工程量计算、库容计算、三维地理信息环境建设所必须的基础信息，DEM质量与精度对工程建设具有重要意义。采用全数字摄影测量系统生产中线工程典型渠段DEM数据。（1）基本要求——DEM格网大小：1m×1m；——DEM高程精度：格网点高程中误差不大于2/3等高距；——DEM接边精度：相邻DEM接边不出现漏洞，相邻行（列）格网点平面坐标应连续，同名格网点高程应一致；——DEM数据格式：ArcGISGrid格式，包含投影信息。（2）作业方法DEM数据生产采用等高线、特征线、断裂线、特征点等地形要素构建不规则三角网（TIN）的方法。——在DLG数据采集的基础上，导入等高线、高程注记点、单线河流、双线河流、水域等要素；——在立体模型上增加采集断裂线、特征线、特征点；——利用矢量要素构建不规则三角网（TIN）；——将DEM套合在模型上检查，对套合不好的区域增加编辑点、线要素，再生成DEM检查。重复上面过程，直至所有DEM数据都与模型套合完好；——将TIN格式数据转换GRID格式。（3）精度检测DEM高程精度检测采用外业实测检测点，经与DEM对应格网点高程比较，检测DEM高程精度。选择8幅图，野外实测一定数量的检测点，检测DEM高程精度。精度统计见表3-2。表3-2DEM高程精度检测统计表共检测3个典型渠段8幅DEM，检测点数计214个点，综合计算DEM高程中误差为：±0.40m，符合精度要求。3.4DOM数据生产采用全数字摄影测量系统，生产制作数字正射影像地图DOM。（1）基本要求——DOM成图比例尺：1:2000；——DOM地面分辨率：0.2m；——DOM数据格式：非压缩Geotif格式，RGB色彩模式存储；——DOM精度要求：地物点平面位置中误差≤1.2m。（2）作业方法利用DEM对数字影像进行微分纠正，生成单片正射影像。之后，选择一个色彩丰富的影像作为主片，其他影像对照此片进行色彩、亮度等的调整，使全测区单片正射影像色彩、亮度等基本一致，保证相邻航片间色彩过渡均匀，没有突变感。（3）精度检测采用DLG与DOM比较的方法检测DOM精度。利用同期生产的1:2000比例尺DLG数据，经与相同图幅的DOM数据套合比较，计算出明显地物点的坐标差，统计出DOM的平面精度。共采集比较180个明显地物点，根据DLG与DOM同名点坐标差算得DOM平面位置中误差为±0.28m，精度符合要求。4结语（1）IMU/DGPS辅助航空摄影能够减少像片控制测量的工作量，提高作业效率。但其前提是IMU/DGPS观测数据精度要可靠，数据质量要稳定。本测区航空摄影有若干架次出现GPS失索或IMU数据记录空白的情况，只得依靠后期采用传统的像片控制点测量方法进行空三加密，影响了作业效率。（2）水利专业地形图与国家基本比例尺地形图的区别在于，国家基本比例尺地形图满足各行业通用需要；水利专业地形图对水利专题要素表达详细、突出，高程测量精度高于国家基本比例尺地形图，满足水利业务特殊需求。因此，国家基本比例尺地形图不能代替水利专业地形图。（3）DEM数据生产还可以采用影像匹配、编辑法，这种方法的优势在于自动化程度高，地形表达精细。但由于在植被茂盛季节开展的航空摄影，受植被覆盖的影响，在植被覆盖区影像匹配很难匹配到地面。作业中，应根据影像条件和地貌特征选择合适的作业方案。本项目DEM生产采用立体采集特征线、断裂线、特征点，结合DLG数据采集的等高线等矢量数据，构建不规则三角网（TIN），经实践检验，地形表达准确，精度可靠，符合设计要求。（4）DOM数据生产关键在于全测区影像色调均匀、色彩一致、反差适中。由于测区南北跨度大，摄影时间持续较长，地表覆盖物变化较大，作业中应采用专业影像处理系统对影像进行匀光处理，确保影像色调、色彩的一致性。（转自中国勘测联合网测绘技术百科）