田文波，余代俊，林志鵬

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059)

1 引言

近年來GPS技術(shù)不斷發(fā)展完善，已經(jīng)大量應(yīng)用于大地測量、工程測量以及變形監(jiān)測等領(lǐng)域。GPS技術(shù)也因其全球性、全天候、精度高、測站間無須通視等特點(diǎn)漸漸取代傳統(tǒng)控制測量方法，廣泛應(yīng)用于平面控制網(wǎng)的布設(shè)。在GPS控制測量中，首先要根據(jù)布網(wǎng)原則進(jìn)行控制點(diǎn)選點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)的選取直接影響GPS控制網(wǎng)的網(wǎng)形及精度。

在進(jìn)行選點(diǎn)之前，需要收集整個(gè)測區(qū)的相關(guān)資料，然后根據(jù)點(diǎn)位選擇的要求進(jìn)行野外踏勘選點(diǎn)。在對項(xiàng)目區(qū)域不熟悉的情況下進(jìn)行選點(diǎn)有一定的盲目性，可以先建立整個(gè)地區(qū)的三維地面模型，在圖像上直觀的進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)，然后進(jìn)行野外實(shí)地勘察，調(diào)整GPS點(diǎn)位和控制網(wǎng)網(wǎng)形，最后完成整個(gè)控制網(wǎng)的布設(shè)。

本文結(jié)合工程實(shí)例，主要論述利用遙感的三維地形可視化及漫游進(jìn)行GPS控制點(diǎn)的選定及控制網(wǎng)的布設(shè)。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)選擇新疆某地區(qū)為研究區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)包括河流、山地、沖積平原等復(fù)雜地貌。氣候條件屬于半干旱大陸性氣候。

2.2 數(shù)據(jù)源

(1)Landset7 ETM+影像數(shù)據(jù)，Geotiff數(shù)據(jù)格式，獲取時(shí)間為2010年，1～5以及第7波段空間分辨率30 m，第6波段和第8波段分別為60 m和15 m，采用多影像局部自適應(yīng)回歸分析模型進(jìn)行條帶修復(fù)。

(2)ASTER數(shù)字高程數(shù)據(jù)，IMG數(shù)據(jù)格式，空間分辨率30 m。

(3)1∶10000比例尺地質(zhì)地形圖。

(4)測區(qū)主要道路交通圖以及普通地圖等測區(qū)資料。

3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1 遙感圖像的幾何校正

本次試驗(yàn)選取的圖像獲取時(shí)間為2010年9月，此時(shí)研究區(qū)正處在初秋季節(jié)，上空云量較少。進(jìn)行控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)只需觀察所選控制點(diǎn)周圍大體的地形情況，所以不太需要進(jìn)行圖像輻射校正。由于受遙感平臺、地形起伏、地球表面曲率以及大氣折射等因素的影響，遙感影像會(huì)發(fā)生扭曲、平移、縮放等變形，導(dǎo)致圖像像元空間位置與實(shí)地位置信息不符，影響控制點(diǎn)選取的準(zhǔn)確性，所以必須進(jìn)行幾何校正。本次試驗(yàn)使用Arc-GIS的Georeferncing工具條進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。通過對照已有的1∶10000比例尺地質(zhì)地形圖，在需要配準(zhǔn)的影響上選取易識別的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)點(diǎn)位要均勻分布，然后輸入其實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行校正。

3.2 圖像裁剪

本次項(xiàng)目區(qū)域面積為一矩形，南北長15 km，東西長10 km。需要將項(xiàng)目區(qū)域從整幅影像中裁剪出來，裁剪范圍應(yīng)略大于項(xiàng)目區(qū)域面積。ArcGIS的Arctoolbox中提供了多種數(shù)據(jù)提取方法，可以使用任意形狀的區(qū)域進(jìn)行裁剪，本次試驗(yàn)使用同一矩形區(qū)域分別對影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。裁剪后的影像如圖1所示。

圖1 裁剪后影像

3.3 圖像矢量化

將裁剪之后的遙感影像導(dǎo)入ERDAS IMAGINE二維窗口中。對照已有地圖資料以及高分辨率谷歌地圖對測區(qū)中的道路、河流以及村莊等進(jìn)行矢量化，并保存線條樣式等配置信息，顏色最好選用亮色調(diào)以便與周圍地物區(qū)分。然后編輯村莊、道路、水系名稱等，添加文字和數(shù)字信息到注記圖層中。因?yàn)樾枰獙EM數(shù)據(jù)、遙感影像、矢量圖形以及注記等多重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集成，所以以上所有數(shù)據(jù)必須有相同的地理參考。要修改矢量文件以及注記文件的屬性，確定其單位類型為map，單位是m。矢量化后的二維影像如圖2所示。

圖2 矢量化之后的影像

4 三維漫游及控制網(wǎng)布設(shè)

4.1 三維漫游

圖像的三維漫游及可視化需要在ERDAS IMAGINE的Virtual GIS模塊中進(jìn)行。先建立或打開Virtual GIS工程文件，然后加載DEM數(shù)據(jù)、裁剪后的影像、矢量數(shù)據(jù)以及注記數(shù)據(jù)等。為了更好地查看區(qū)域內(nèi)的三維地形變化，Virtual GIS模塊提供了5種不同的航行模式。其中定位導(dǎo)航模式以及目標(biāo)導(dǎo)航模式可以靜態(tài)的查看圖像內(nèi)的任何區(qū)域。控制板導(dǎo)航模式提供飛行控制器，使觀測者從不同的位置和角度俯瞰整個(gè)區(qū)域。地形導(dǎo)航模式則是沿著地表運(yùn)行，通過改變觀測方向以及行進(jìn)方向了解周圍三維地形。以上4種模式都支持漫游，最后一種選擇導(dǎo)航模式用以矢量、注記以及柵格數(shù)據(jù)的空間查詢，并不支持漫游。

Virtual GIS模塊還提供三維環(huán)境飛行功能，飛行路線的選擇有兩種，一是在二維視窗中直接數(shù)字化，另外一種是直接添加三維坐標(biāo)作為飛行路線，兩種方式的飛行路線都可以保存。在對飛行高度以及飛行線路特性進(jìn)行設(shè)置之后，就可以開始飛行操作，并且在飛行過程中進(jìn)行三維飛行記錄，將整個(gè)飛行過程保存為一段三維動(dòng)畫。

由于在進(jìn)行GPS控制點(diǎn)野外選點(diǎn)時(shí)一般需要沿道路行車勘察，所以可以將道路作為三維飛行線路的一部分，并需要設(shè)置合適的飛行高度。三維漫游局部如圖3所示.

圖3 三維漫游局部圖

4.2 點(diǎn)位選定及控制網(wǎng)布設(shè)

經(jīng)過以上幾種導(dǎo)航模式三維漫游以及虛擬三維飛行之后，已經(jīng)可以了解整個(gè)區(qū)域內(nèi)的地形地貌以及道路交通等基本情況，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，確定GPS點(diǎn)位的個(gè)數(shù)及大體區(qū)域。其中GPS選點(diǎn)要求如下:

(1)點(diǎn)位選擇應(yīng)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，并有利于其他測量手段進(jìn)行擴(kuò)展和聯(lián)測;

(2)點(diǎn)位的基礎(chǔ)應(yīng)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長期保存，并有利于安全作業(yè);

(3)點(diǎn)位應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作，視野應(yīng)開闊，被測衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15°;

(4)點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、微波站等)，其距離不得小于200 m，并遠(yuǎn)離高壓輸電線，其距離不得小于50 m;

(5)附近不能有強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號的物體;

(6)交通應(yīng)便于作業(yè);

(7)應(yīng)充分利用符合以上要求的舊有控制點(diǎn)及其標(biāo)石和覘標(biāo)。

本次項(xiàng)目要求整個(gè)控制網(wǎng)的平面精度達(dá)到國家E級GPS網(wǎng)的要求，高程控制通過GPS高程擬合達(dá)到五等水準(zhǔn)高程測量精度。按技術(shù)要求以及GPS選點(diǎn)規(guī)范，在整個(gè)圖像區(qū)域內(nèi)選定6個(gè)GPS控制點(diǎn)大體位置?，F(xiàn)場踏勘時(shí)根據(jù)實(shí)地情況對控制點(diǎn)位置進(jìn)行微調(diào)，如存在圖像分辨率限制無法在圖像上顯示的控制點(diǎn)周圍干擾衛(wèi)星信號的物體。

根據(jù)任務(wù)要求，在圖像上設(shè)計(jì)一個(gè)圖形結(jié)構(gòu)及點(diǎn)位分布較好的網(wǎng)形，將控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入南方CASS軟件中，查看控制網(wǎng)的精度與可靠性，為野外選點(diǎn)提供方便，使選點(diǎn)工作更加條理，設(shè)計(jì)好的網(wǎng)形再通過實(shí)地踏勘確定其實(shí)際性及最終位置。最后確定GPS控制網(wǎng)如圖4所示。

圖4 遙感圖像上GPS控制網(wǎng)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314－2001)中GPS控制網(wǎng)測量精度的相關(guān)規(guī)定，對基線進(jìn)行解算?；€解算過程中，每條基線滿足:基線方差比Ratio≥3;基線固定誤差≤10;RMS＜0.02。

該項(xiàng)目解算所有基線均合格。其中，所有基線均優(yōu)于1/7.9萬，最佳為1/126萬。

遵照規(guī)范相關(guān)精度規(guī)定，對基線的觀測質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。該項(xiàng)目取 a≤10 mm，b≤20 ppm，D=4.21 km(平均基線邊長)，由基線標(biāo)準(zhǔn)差公式得出σ=84.79 mm。

本次觀測的閉合環(huán)檢驗(yàn)中同步環(huán)最大相對誤差1.44 ppm，最小 0.88 ppm，誤差限制為 15.00 ppm，符合同步環(huán)的閉合差指標(biāo);異步環(huán)最大相對誤差2.95 ppm，最小 0.92 ppm，誤差限制為 25.50 ppm，同樣符合異步環(huán)的閉合差指標(biāo)。

5 結(jié)論

數(shù)字三維地形可視化的應(yīng)用很廣泛，用以輔助GPS控制網(wǎng)布設(shè)只是一個(gè)方面。隨著遙感圖像以及高程數(shù)據(jù)的免費(fèi)獲取，可以更好地與GPS測量結(jié)合。在遙感影像上進(jìn)行GPS控制網(wǎng)初步布設(shè)，可以大體計(jì)算基線長度是否滿足精度要求等，同時(shí)可以有效提高野外踏勘選點(diǎn)的效率和精確度，可以滿足低等級GPS控制網(wǎng)的布設(shè)。為了提高點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量選用分辨率高的遙感影像和高程數(shù)據(jù)，如Quick Bird或IKONOS影像等，并結(jié)合其他資料綜合處理。在圖像進(jìn)行控制點(diǎn)選取只是起到輔助作用，點(diǎn)位的最終確定進(jìn)行野外實(shí)地踏勘是必不可少的。

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