南水北调中线工程地理信息数据采集.doc

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。

3.2 DLG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。

3.3 DEM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：ArcGIS Grid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3-2  DEM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。

3.4 DOM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）